عمليات حرارتي رسوب سختي ( مهندسی مواد )
دسته بندي :
کالاهای دیجیتال »
رشته مواد و متالورژی (آموزش_و_پژوهش)
با توجه به اينكه اساس موضوع پروژه بر پايه عمليات حرارتي رسوب سختي1 مي باشد لازم است براي درك آسان مطالب توسط مخاطب، مقدماتي راجع به اين عمليات بيان شود. توضيح بيشتر در مورد اين عمليات حرارتي در ادامة مباحث آورده خواهد شد.
براي افزايش استحكام و سختي يك آلياژ، تنها دو روش اصلي وجود دارد: كارسرد يا عمليات حرارتي. مهمترين فرآيند عمليات حرارتي براي آلياژهاي غير آهني پير سختي يا رسوب سختي است. براي استفاده از اين روش، بايد دياگرام تعادلي داراي حلاليت جزئي در حالت جامد باشد و شيب خط انحلال بصورتي باشد كه قابليت انحلال در درجه حرارتهاي بالاتر بيشتر از قابليت انحلال در درجه حرارتهاي پايين تر باشد.
پير سختي يكي از روش هاي استحكام بخشي به مواد فلزي با اضافه كردن ذره هاي سخت و كاملاً پراكنده به آن است. با انتخاب مناسب عناصر آلياژي اضافه شونده و عمليات گرمايي، مي توان توزيع مناسبي از رسوب حالت جامد فاز دوم را در زمينه اي كه آن رسوبات را درخود حل كرده است پديد آورد. اگر با اين عمل فلز استحكام يافت آن را رسوب سختي مي نامند كه روشي قابل استفاده در سطحي وسيع براي استحكام بخشي مواد فلزي است.
بطور كلي در عمليات حرارتي پير سختي (رسوب سختي) سه مرحله وجود دارد:
1)عمليات حرارتي انحلالي1 (محلول سازي) در دماي نسبتاً بالا در ناحيه تك فازي به منظور حل شدن عناصر آلياژي
2)كوانچ(آبدهي)2 تا دماي محيط براي بدست آوردن محلول جامد فوق اشباع از اين عناصر در آلومينيوم
3)پير سازي3 (تجزيه كنترل شدة محلول جامد فوق اشباع براي تشكيل رسوبات ريز و پراكنده در زمينه فلز)
آلياژ پس از اينكه در يك مدت مشخص تا يك دماي مشخص در منطقة تكفازي حرارت داده شد، در آب سريع سرد مي شود. حال آلياژ كوانچ شده، يك محلول جامد فوق اشباع است و بنابراين در يك حالت ناپايدار قرار دارد، بطوري كه اتم محلول اضافي، تمايل دارد كه از محلول خارج شود. منظور از انجام عمليات حرارتي محلول سازي، حصول انحلال كامل عناصر آلياژي است. در مرحلة سوم از عمليات حرارتي پير سختي، به تجزية كنترل شدة محلول جامد فوق اشباع عناصر آلياژي اصلي در آلومينيوم براي تشكيل رسوبات ريز و پراكنده در زمينه آلومينيوم پرداخته مي شود . به عبارتي مرحلة پير سازي، اجازه دادن به فاز استحكام دهنده جهت رسوب از محلول جامد فوق اشباع مي باشد اگر اين عمليات در دماي محيط و در حالت خود به خودي و به عبارتي بدون عمليات گرمايي انجام شود به آن عمليات پيرسازي طبيعي گفته مي شود اما اگر اين عمليات با حرارت دادن قطعه در دماهاي پايين انجام شود به آن عمليات حرارتي پيرسازي مصنوعي نسبت داده مي شود.
در واژگان تخصصي عمليات حرارتي ، T6 و T4 به ترتيب به آلياژهاي عمليات حرارتي پذير پير سخت شدة مصنوعي و طبيعي آلومينيوم اطلاق مي شود.
آلومينيوم:
آلومينيوم به عنوان يك فلز استراتژيك در پيشرفت و توسعه كشورهاي مختلف جهان نقش موثري را ايفا نموده است. آلومينيوم سومين عنصر از لحاظ فراواني (%8 ) در پوسته زمين بعد از اكسيژن(%47) و سيليس (%28) مي باشد. اين عنصر در طبيعت بصورت خالص يافت نشده و اغلب بصورت تركيبات سيليكاته و مخلوط با ساير اكسيدها مي باشد كه اولين بار در سال 1808 توسطSir Humphry Davy بصورت خالص بدست آمد و لذا فلز جواني محسوب مي گردد. آلومينيوم و آلياژهاي آن داراي قدرت نسبتاً كوتاهي به عنوان يك ماد ه صنعتی مي باشند. با اين حال به علت انواع خواص مورد نياز صنعت مدرن كه در آلومينيوم يافت مي شود مصرف و توليد آن هر سال در حال افزايش است و آينده وسيع و پيشرفته اي براي آن پيش بيني مي گردد. تا قبل از جنگ جهاني دوم آلومينيوم بيشتر به عنوان وسائل و ظروف آشپزخانه معرفي شده و مصرف آن در كابل هاي انتقال الكتريسته با ولتاژ زياد نيز توسعه يافته بود، ولي در خلال جنگ نياز به طرح هاي جديد هواپيما و آلياژهاي پر استحكام، توسعه و مصارف جديد آلومينيوم را سرعت بخشيد. پس از جنگ نيز مصارف شهري- صنعتي آلومينيوم گسترده گشت و امروزه اين فلز به عنوان يك ماده اوليه مهم صنعتي محسوب شده و در بازار جهان مانند فولاد و در واقع پس از فولاد مهمترين ماده مصرفي مي باشد.
روش هاي توليد آلومينيوم:
1)روش الكتروليز كلريد آلومينيوم:
ابتدا وهلر آلومينيوم خالص را به وسيله الكتروليز كلريد آلومينيوم در مجاورت پتانسيل توليد نمود (سال 1829 م). دويل سديم را جانشين پتاسيم نمود كه نتيجه آن ساخت اولين كارخانه توليد آلومينيوم با ظرفيت بسيار پايين بود. اين دو روش بسيار پر هزينه بودند و همين امر باعث شده بود كه آلومينيوم همانند طلا و نقره ارزش پيداكند.
2)روش الكتروترميك:
در اين روش اكسيد آلومينيوم توسط كربن در دماي بالاتري از نقطة ذوب 3 O2 AL احيا مي شود. آلومينيومي كه بدين روش توليد مي شود، حاوي مقداري كربن مي باشد. اين عمليات معمولاً در كورة قوسي صورت مي گيرد.
AL 2 +CO 3 C 3 + 3 O2 AL
3)روش هال-هرولت:
در سال 1886 ميلادي پال هرولت و چارلز هال بطور مستقل فرآيندي را كه طي آن آلومينا در كريوليت مذاب حل و به طور الكترو شيميايي تجزيه شده و در نتيجه آلومينيوم مذاب توليد مي گردد را ارائه نمود. تا كنون هيچ راه مناسبتري نتوانسته جايگزين اين فرآيند گردد و امروزه اين روش تنها روش توليد آلومينيوم مي باشد.
جدا از اين سه روش روش ذكر شده قدم اول در توليدآلومينيوم ، ذوب مجدد است. ابتدا كوره ها را با آلومينيوم مذابي كه مستقيماً از سلول هاي احيا مي آيد و يا با شمشي كه بايد ذوب شود پر مي كنند. عناصر آلياژي اصلي شمش و قراضه افزوده مي شود. فلز مذاب در كورة ذوب مجدد با برداشت سرباره تميز ميشود. همچنين مذاب به منظور حذف هيدروژن گازي حل شده، با گاز كلر گاز زدايي مي شود. پس از گاز زدايي و تميز كردن فلز، با گذاشتن توري سيمي ريخته گري انجام مي شود. انواع شمش ها مثل شمش ورق و شمشال آهنگري معمولاً از طريق ريخته گري مستقيم در قالب فلزي ريخته مي شود و در اين فرآيند، فلز مذاب را در قالبي كه با آب سرد مي شود مي ريزند. بلافاصله بعد از اينكه انجماد فلز شروع شد انتهاي قالب را پايين مي آورند به طوري كه فلز به صورت مداوم در شمش هايي با حدود 14 فوت طول ريخته شود.
توليد آلياژ كارپذير آلومينيوم از طريق ريخته گري در فرآيند تبريد مستقيم (DC)1:
معمولاً شمش ها را از طريق فرآيند عمودي، كه در آن آلياژ مذاب بداخل يك تا چند قالب ثابت آب سرد شونده كه داراي مقاطع چهار گوش هستند ريخته مي شوند، توليد مي كنند فرآيند انجماد در دو مرحله انجام مي شود. تشكيل فلز جامد در ديواره سرد شده قالب و انجماد باقي مانده مقطع بيلت از طريق جذب حرارت توسط سرد كننده هاي پا ششي. مقطع شمش توليدي مورد نياز براي نورد يا آهنگري بعدي ممكن است بصورت چهار گوش و براي اكتروژن بشكل گرد باشد و در هر دو مورد ممكن است وزن آن ها به چند تن برسد.
1-precipitation hardening
1-solution treatment
2-quench
3-aging
1-naturally aging
2-artificially aging
1-Direct chill