خواص آلومینیم خالص :
* خواص فیزیکی :
* وزن اتمی 97/26
* ساختار بلوری (20 درجه سانتیگراد ) شبکه مکعب با مرکز وجوه پر،
* پارامتر a= 4/041 A
چگالی (20 درجه سانتیگراد ) 70/2
* نقطه ذوب 8/659 درجه سانتیگراد
* نقطه جوش 1800 درجه سانتیگراد
* گرمای ویژه (صفر تا 1000 درجه سانتیگراد ) 2259/0 کالری بر گرم درجه سانتیگراد
* حرارت نهان ذوب 93 کالری بر گرم
* ضریب خطی انبساط حرارتی (20 درجه سانتیگراد ) 10*8/23 بر درجه سانتیگراد
* مقاومت الکتریکی (20 درجه سانتیگراد ) 699/2 میکرو اهم سانتی متر
* قابلیت هدایت حرارتی(20 درجه سانتیگراد ) cal . cm /cm s. c52/0
ساختار آلومینیوم:
* ویژگی ساختار آلومینیوم غیر آلیاژی (سری 1xxx) این است که زمینه ای از آلومینیوم نسبتاًخالص دارد.
* ترکیبات نامحلول در آلومینیوم خالص تجاری معمولا آهن و سیلیسیم است.
* مقدار این ترکیبات به درصد خلوص آلیاژ و توزیع آنها به میزان و نوع محصول بستگی دارد . ازآنجا که تمام آلیاژ های آلومینیوم تجاری دارای ناخالصیهای آهن و سیلیسیم اند ترکیبات نامحلول آهن و سیلیسیم به میزان متفاوت در تمام آلیاژ ها موجود است .
گاز زدایی در آلومینیوم
* گاززدایی (Degassing):
* گازهای محلول در مایع بعد از انجماد به دلیل تنش سطحی مذاب و عدم امکان خروج کامل به صورت حبابهایی با اندازه های مختلف در قطعه ریخته شده باقی می مانند که خواص مکانیکی و وزن مخصوص قطعه را شدیداً کاهش می دهند در مورد ذوب آلیاژهای آلومینیوم، هیدروژن تنها گازیست که به صورت محلول در مایع و حباب در جامد ظاهر می گردد و از این رو عملیات گاززدایی (هیدروژن زدایی) در ذوب آلومینیوم وآلیاژهای آن از اهمیت خاص برخوردار است.
* میزان حلالیت هیدروژن در مذاب آلومینیوم به درجه حرارت و فشار خارج (نسبت به فشار داخل) بستگی دارد و همین امر پایه و اساس گاززدایی آلومینیوم را تشکیل می دهد. لذا کنترل درجه حرارت برای اجتناب از جذب گاز که بایستی حداقل ممکن باشد اولین عاملی است که در جریان ذوب مورد توجه قرار می گیرد. معمولاً درجه مذاب را OC720-740 اختیار می کنند تا علاوه بر تحدید حلالیت گاز از سیالیت نسبتاً مناسب و ویسکوزیته کم برخوردار باشد.
هیدروژن:
* 1)در مذاب با افزودن عناصر آلیاژی تغییر می یابد.
* 2) در حین سرد شدن و انجماد آلومینیوم هیدروژن حل شده اضافه بر مقدار به صورت مولکولی در آمده و باعث ایجاد حفرات می شود.
* منابع هیدروژن:
* 1)رطوبت هوا: در سطح مذاب تفکیک شده و هیدروژن در مذاب حل می شود.
* اکسید سطحی آلومینیوم در انحلال هیدروژن با این مکانیزم جلوکیری می کند لذا تلاطم سطح مذاب لایه اکسیدی به تغییر حلالیت هیدروژن تاثیر می گذارد.
* 2)وارد کردن ابزار مرطوب به درون مذاب:
* فلاکس هایی که ممکن است جذب رطوبت کرده باشند و وسایلی که برای اضافه کردن فلاکس استفاده می شود.
* 3)شارژ ذوب: که ممکن است حاوی هیدروزن مذاب باشد. و باید پیشگرم شده باشند. و در ریختگری ماسه واکنش فلز مذاب با رطوبت ماسه و تلاطم و حرکت مذاب درون سیستم راهگاهی
* 4)عناصر آلیاژی :به خصوص منیزیم همچنین ممکن است بر روی جذب هیدروژن به وسیله شکل گیری محصولات واکنش اکسیداسیون که مقاومت به نفوذ هیدروژن را به داخل مذاب کاهش می دهد و همچنین به وسیله تغییر قابلیت انحلال تاثیر گذارد.
* تخلخل هیدروژن :
* این تخلخل ها دو نوع هستند:
* مهمترین ان تخلخل بین دندریتی که در صورت بالا بودن مقادیر هیدروژن حل شده است .
* تخلخل ثانویه : این تخلخل در زمانی که مقادیر هیدروژن پایین باشد و تشکیل حفره ریز میدهد که خطرناک و بحرانی است.
* عوامل کاهش هیدروژن:
* کاهش هیدروژن به وسیله سیاله زنی و روان سازی توسط نیتروژن , آرگون و فریون به صورت خشک وخالص از نظر شیمیایی و نگهداری مذاب بدون تلاطم برای زمان های طولانی تا حدودی سطح مذاب را نگه داری می دارد.
* اندازه گیری هیدروژن :
* توسط دستگاه های میکرو آنالیز های مقدار هیدروژن به صورت دقیق در مذاب تعیین می شود.
* تخلخل هیدروژنی را می توان بوسیله رادیو گرافی نیز تعیین کرد.
* ذوب در خلاء (فشار کم):
* ذوب در خلاء به دلیل وجود گازهای محیطی، علاوه بر تقلیل میزان هیدروژن از شدت اکسیداسیون و امکان وجود سایر ترکیبات غیر فلزی نیز می کاهد. مهمترین اصل در این روش تقلیل فشار خارجی حلالیت هیدروژن را به نسبت زیادی تقلیل می دهد. این روش در صنایع امروز در حال توسعه است.
* گاززدایی با گازهای بی اثر:
* افزودن گازهای بی اثر مانند ازت و آرگون باعث آن می گردد که فشار نسبی داخل مذاب افزایش پیدا کرده و در نتیجه از حلالیت هیدروژن کاسته شود.
* آزمایشات رانسلی (Ransley) نشان می دهد که چنانچه گاز آرگون و یا ازت به مقدار 1cc بر دقیقه به داخل مذاب رانده شود فشار داخلی راندمان استخراج هیدروژن برابر 53٪ است و چنانچه گاز بی اثر برابر دقیقه cc/5 به داخل مذاب دمیده می شود.
بایستی توجه داشت که
که در آن a درصد هیدروژن در مخلوط گازی می باشد و از این رو گازهای بی اثر مانند آرگون، هلیم و ازت (در صورت عدم وجود منیزیم ) می توانند به عنوان مواد دگازر بکار روند.
آلومینیوم مذاب معمولاً توسط آرگون خشک برای تقلیل خارجی (افزایش فشار داخلی)
به نسبت گاززدایی می شود که در نتیجه مقدار هیدروژن را از 34/0 سانتیمتر مکعب بر 100 گرم به 034/0 تقلیل می دهد و معمولاً این عمل در کوره های بوته ای ثابت توسط کپسول های گاز آرگون (مخلوط گازی) انجام می شود.
* ترکیب فلوئور مضاعف سدیم سیلیسیم (Na2SiF6) نیز که در درجه حرارت مذاب تجزیه می شود و گاز {F4Si} را که نسبت به مذاب آلومینیوم بی اثر است، تولید می کند نیز با همان نتایج گازهای ازت و آرگون روبرو است جز آنکه سدیم حاصل نمی تواند در آلیاژهای منیزیم دار بکار رود.
* گاززدایی با کلر و ترکیبات قابل تبخیر آن:
* بهترین روش موثر در هیدروژن زدایی از آلومینیوم مذاب استفاده از کلر می باشد.
* (298 تا 2100 درجه کلوین)
* در K 1000 که معمولاً درجه حرارت گاززدایی است، انرژی فعل و انفعال عبارتست از:
* و چون PH=PC1 می باشد
* که همزمان ترکیبات CaCl2 , MnCl2 , AlCl3 , NaCl2 , MgCl2 نیز تشکیل می شوند که هر یک به نوبه خود در درجه حرارت مذاب قابل تبخیر بوده و به صورت گاز بی اثر و یا فعل و انفعال با هیدروژن باعث تقلیل مقدار آن در مذاب خواهند شد. نکته قابل توجه در آنست که برای انجام عمل دگازین و خروج ترکیبات غیر فلزی کلروره از مذاب بر اساس رابطه استوک، 5 دقیقه اختلاف بین زمان زیختن و عمل گاززدایی الزامیست. بدیهی است که در کوره های بزرگ این زمان تا 15 دقیقه نیز افزایش می یابد. بجای استفاده از گاز کلر،اغلب ترکیبات قابل تبخیر آن و بخصوص هگزاکلروتان C2Cl6 استفاده می شود.
* مقدار کمی از C به صورت پراکنده در مذاب باقی می ماند که در صورت وجود تیتانیم با یک سری فعل و انفعالات متعدد به مواد ترکیبی تبدیل می شود.
و در همان زمان نیز
TiC حاصل همان گونه که در قسمت های دیگر این بخش اشاره خواهد شد خاصیت ریز کردن شبکه های آلومینیوم را دارا می باشد.
در بسیاری موارد تتراکلرور کربن CCl4 مخلوط با ازت نیز به عنوان مواد گازدار به کار می رود.همچنین به دلیل مسموم بودن گاز کلر در کارخانجات امروز از مخلوط 3 به 1 گاز ازت و کلر استفاده می کنند.
بایستی توجه داشت که عمل گاززدایی هنگامی کامل صورت می گیرد که ویسکوزیته آلیاژ مذاب در اثر حذف اکسیدها و سرباره ها به طرق مختلف کاهش یافته باشد.
* آلومینیوم با چگالی کم خود از ابتدا به منزله ی فلزی برای ساخت آلیاژ های مهندسی جذابیت یافت.
* گرچه استحکام این آلیاژ ها به اندازه ی استحکام قابل حصول در فولاد ها نیست ولی نسبت استحکام به وزن این آلیاژ ها بسیار مناسب است و به دلیل تعداد بسیاری از آلیاژهای تجارتی آلومینیوم ساخته می شوند
* استحکام اغلب این آلیاژها بر اثر رسوب سختی افزایش می یابد.
* در شرایط بهینه ذوب و نگهداری آلومینیوم در برابر 3 مشکل اساسی قرار دارد.
* 1)با گذشت زمان در دمای بالا هیدروژن جذب شده افزایش می یابد.
* 2)اکسیداسیون مذاب
* 3)عناصر ناپایدار AL مانند منیزیم کلسیم و استرانسیم که خواص مکانیکی آلومینیوم بطور مستقیم و غیر مستقیم به آنها بستگی دارد.
در دمای بالا ناپایدار شده و کاهش می یابد تلاطم و به هم زدن و زمان نگهداری به طرز قابل توجهی آلیاژ های آلومینیوم افزایش هیدروژن اکسیداسیون و اتلاف عناصر آلیاژی کاهش یافته و به شدت تحت تاثیر تخلخل های هیدروژنی و آخال های غیر فلزی قرار می گیرد.
اکسیداسیون:
* در حالت جامد و مذاب اکسید می شود و یک لایه خود محافظ عناصر فعال موجود در آلومینیوم مثل منیزیم , استرانسیم , سدیم , کلسیم ,برلیم ,تیتانیوم می باشند .
* لایه خود محافظ از نفوذ هیدروژن جلوگیری می کند جدا کردن و حذف اکسید های های مذاب توسط عملیات کیفی انجام میگیرد.و معمولا از فلاکس های جامد یا گازی که از نظر شیمیایی فعال هستند و حاوی کلر، فلویور، کلرید هاست انجام می گیرد.
این آلیاژ را می توان به دو صورت مورد مطالعه قرار گیرد.
1. نورد.
2.ریختگی
این آلیاژ دارای عناصر آلیاژی به صورت زیر می باشد. AL.CU.ZN.FE.SI.CR که دراین آْلیاژ عناصر zn-cu-mg به عنوان عناصر اصلی آلیاژی و عناصر fe-si به عنوان عناصر درجه دوم برای دستیابی به یکسری از خصوصیات استحکامی مورد استفاده قرار می گ یرند. Cr علاوه بر خصوصیات استحکامی که ایجاد می کند .به عنوان عناصر جوانه زا هم عمل می کند .ترکیبات بین فلزی و کمپلکسی که دراین آلیاژ چه به صورت ریختگی ـ نوردی می تواند به وجود بیاید. آلیاژ ریخته گی:fe,cr)AL3-(fe.cr)siAL12-mg2si-crAL7)آالیاژ نوردی:(fe,cr)3siAL12-fecu2AL7-mg2si-cumgAL2-cr2mg3AL18 به طور کلی عناصرZN-MG-CU دارای حلالیت حالت جامد قابل ملاحضه ای در ALد می باشد. عناصر cr-si-fe دارای حلالیت حات جامد محدودی درAL بوده و وقتی از مقادیر بیش ازانحلال وجودداشته باشد.باعث ایجاد ترکیبات بین فلزی وکمپلکسی می شوند.
کاربرد:
این آلیاژ و آلیاژهایی از این نوع که عناصر آلیاژی اصلی آنها cu-zn-mg باشد .به علت استحکام بسیار زیاد که از عملیات حرارتی بوجود می آید. فقط در ساختمان هواپیما کاربرد دارد.
خصوصیات آلیاژ:
1.داری خواص ماشینکاری خوب
2.جزالیاژهای عملیات حرارتی پذیرهستند
3.باافزایش دما استحکام تسلیم این الیاژ کم میشود
4. می توان پس از شکل دادن اولیه برای حصول حداکثر استحکام عملیات حرارتی انحلال و پیرسختی را انجام داد.
این نوع آلیاژ با داشتن مقادیرCU که باعث کاهش مقاومت به خوردگی تنشی می شود که با افزودن crبه این الیاژ باعث افزایش مقاومت به خوردگی می شود .کرم با تشکیل هسته هایی برای ایجاد رسوب هایی با پخش یکنواخت درداخل و در مرز دانه ها به عنوان عامل پایدار کننده عمل می کند.
آلیاژهای AL-ZN-MG-CU پس از عملیات حرارتی انحلال وسریع سرد شدن در مقایسه با حلتی که به آهستگی سرد شوند دارای مقاومت به خوردگی تنشی بهتری می شود.
مقاومت به خوردگی الیاژ 7075در محیطهای شرح شرح کار:
ابتدا مدلهای مربوطه را قالبگیری کرده وآنرا کاملا خشک میکنیم سپس بوته را تمیز کرده وپیشگرم میکنیم بعد آلیاژ مورد نظر (آلومینیم روی(5%) مس4%)را به مقدار لازم درون بوته قرار داده سپس به کوره انتقال میدهیم .کوره را روشن کرده بعد از مدت زمان تقریبا 10 الی15 دقیقه وبا یک فوق ذوب مناسب کوره را خاموش وبوته را بیرون آورده وبه درون کمچه انتقال میدهیم درجه ها را جفت کرده وذوب ریزی راانجام میدهیم.بعد از سرد شدن درجه ها قطعات را تمیز کرده ونمونه های لازم را از قسمت راهگاه جدا نمودیم وآنرا برای متالوگرافی آماده کردیم.
محلول
غلظت
کاربرد
روش اچ
reynold
5ml اسید استیک
1ml hno3
H2o 94ml
آلیا‍‍ژعملیات حرارتی شده
30 ثانیه در دمای C ْ71
تجزیه و تحلیل:
در عملیات حرارتی به خاطر وجود کم عنصر منیزیم هیچ گونه تغییری در ساختار بوجود نیامده است.
AL-cu4.5%-mg1.5%
مقدمه:
گروه آلیاژی Al-Cu با 3-4.5 % مس قابلیت عملیات حرارتی رسوب سختی می باشد که دارای چند سیکل کاری است به گونه ای که گفته می شود باید بهضی از عوامل موثر شناسایی و بررسی گردد .
نمایی از نمودار دوتا یی Al-Cu را در شکل مشاهده می نمایید و منطقه عملیات حرارتی را می توان با مسائل و نکات مربوط به عملیات رسوب سختی مشخص نمود که این نکات عبارت است از:1 -کاهش انحلال یکی از الیلژها با کاهش درجه حرارت 2- وجود یک ترکیب سخت در ساختار
در این آلیاژ ترکیب سخت موجود ترکیب بین فلزی CuAl2 می باشد .
تئوری:
4-2 آلیاِژهای الومینیوم – مس – منیزیم
در سیستم دوتایی الومینیوم – محلول جامد نهایی غنی از الومینیوم با ترکیب بین فلزی تتا ، با فرمول تقریبی cuAl2 در تعادل است ؛ گرچه مقداری هم در حلالیت در حالت جامد وجود دارد (شکل 8-3) . افزودن منیزیم به این سیستم امکان تشکیل ترکیبات بین فلزی دیگری را فراهم می کند، که این مطلب در شکل 9-4 با مقطع همدما در 430 درجه برای سیستم سه تایی نشان داده شده است . چئن الیازهای مورد نظر از نوع پر الومینیوم اند ؛ بنابراین فقط فازهای درحال تعادل با الفا مد نظرند و چهار امکان وجود دارد . گرچه این نکته با فرمول ترکیبها نشان داده شده است ولی در حقیقیت مقداری حلالیت درحالت جامد نیز دیده می شود
.
همدماهای خط گداز ، خط انجماد و حد انحلال ، در شکل 10-4 نشان داده شده اند برای نشان دادن عملیات گرمایی این الیاژها ی حاوی 4٪ مس و1٪ منیزیم را در نظر می گیریم این ترکیب به صورت دایره در هر یک از تصاویر همدما نشان داده شده است . همدماهای درون یابی شده از این نتقطه در شکلها نشان داده شده اند . برای تجسم رابطه ی این ترکیب با همدماها ؛ در شکل 11-4 رابطه ی خط گداز ، خط انجماد ، و حد انحلال تصویر شده بر روی نمودار فازی سه تایی سه بعدی نشان داده
شده است مشاهده می شود که با این ترکیب، الیاژ در دماهای بالاتر از 650 درجه (نقطه ی a ) مذاب و در 570 درجه تا 650 درجه (نقطه b ) در منطقه دوفازی مذاب -جامد و در دماهای 500 تا رابطه ی سه فاز در شکل 11-4 نشان داده نشده است
ولی در شکل 4-12 این رابطه به صورت همدمای 430 درجه نشان داده شده است ، مشاهده می شود که در این دمای الیاژ مورد نظردارای الفا در تعادل با cuAl2 و cum gAl2 است برای رسوب سخت کردن این الیاژ اولین مرحله در عملیات گرمایی متعادل کردن الیاژ در منطقه ی الفا است یعنی انجام عملیات گرمایی محلولی روی الیاژ . برای همگن کردن ساختار الیاژ باید ان را به مدت کافی در دمای 500تا 570 درجه سانیگراد گرما داد ( اما برای از بین بردن جانشن شاخه وار مغز دار بودن ساختار ریخته گری اولیه و حل کردن ذرات فاز دوم ممکن است تا 100 ساعت زمان لازم باشد )
پس از انجام عملیات گرمایی محلولی الیاژ باید با اهنگ کافی برای جلو گیری از رسوب گذاری تا 20درجه سرد شود مثلا قطعه ای از ورق به ضخامت 0.5 اینچ یا کمتر را می توان در اب سرد به سرعت سرد کرد فرایند رسو
پس از انجام عملیات گرمایی محلولی الیاژ باید اهنگ کافی برای جلوگیری از رسوب گذاری تا 20درجه سرد شود مثلا قطعه ای از ورق به ضخامت 0.5 اینچ را می توان در اب به سرعت سرد کرد فرایند رسوب گذاری بلا فاصله اغاز می شود و اهنگ ان بستگی به دمات دارد که الیاژ پس از سرد شدن از دمای عملیات گرمایی محلولی در ان نگه داشته می شود در این الیاژ Al-Cu-Mg اهنگ رسوب گذاری در 20 درجه برای تغییر خواص مکانیکی به صورتی که در شکل 3-14 نشان داده شده کافی است ( رسوب سختی در دمای محیط را پیر سختی یا سخت شدن طبیعی می نامند ) توجه کنید که استحکام تسلیم از مقدار 12000 Psi در حالت عملیات گرمایی محلولی شده پس از گذشت 2 سال به حدود 38000 Psi میرسد . در پایان دوسال زیاد پیر شدن اتفاق نیفتاده است لذا حصول تعادل به زمان خیلی بیش از 2 سال نیاز دارد .
در 430 درجه سانتیگراد الیاژ حاوی مقداری تعادلی حدود 3 ٪ CuAl2 و 5٪ CumgAl2 است . با فرض اینکه درحالت تعادل در 20 درجه سانتیگراد مقدار مس و منیزیم فاز الفا قابل صرف نظر کردن است مقداری CuAl2 نیز حدود 4٪ و مقدار CumgAl2 حدود 4٪ است . در دمای 430 درجه سانتیگراد این مقادی همچنین تغییر نمی کند بنابراین محاسبه مقدار فاز موجود در تعادل 430درجه سانتیگراد را می توان به صورت تقریبی از این مقدار در0 2 در جه سانتیگراد به کار برد . بررسی شکل 12-4 نشان می ردهد که با افزایش مقدار منیزیم تا 1.5 ٪ و ثابت نگه داشتن مس در 4٪ مقدار CuAl2 کمتر از 1.5 ٪ کاهش پیدا می کند و مقدار CumgAl2 به 8٪ افزایش پیدا می کند . بنا براین با کاهش نسبت منیزیم بر مس تشکیل CuMgAl2 در تعیین فرایند رسوب سختی اهمیت بیشتری پیدا می کند . توجه شود که مقدار منجر به تشکیل این فاز در مقایسه با تشکیل CuAl2 در رسوب سختی موثر ترند . این مطلب در شکل 13-4 نشان داده شده است . اگر چه الیاژ دوتایی فقط حاوی Cu2Al است به خوبی سخت می شود اضافه کردن منیزیم سختی بسیار زیادی را ایجاد می کند .
این الیاژ سه تایی مکانیزیم رسوب گذاری شبیه مکانیسمی است برای الیاژ الیاژ مس و الو مینیوم می باشد .
اولین مرحله رسوب گذاری تشکیل مناطق GP است پس یک فاز گذاری همدوس تشکیل می شود . سرانجام فاز تعادلی CUMgAL2 تشکیل می شود و سپس رشد می کند . اگر نسبت CUبه Mg بالا باشد CuAl2 تشکیل می شود و مکانیسم تشکیل ان باید به همان ترتیب باشد که برای الیاژ دوتایی Al-Cu می باشد .
اگر نسبت مس به منیزیم به اندازه ای باشد که تشکیل مقادیری قابل مقایسه ای از هر دو فاز ممکن شود مکانیسم عمل می تواند تشکبیل هر دو فاز به صورت مواز ی و با مکانیسمهای جدگانه و تشکیل فقط یک منطقه GP همراه با تشکیل فاز جداگانه ای که یکی یس از دیگری ایجاد می شود باشد .
انواع الیاژهای 2024 (دور الومین):
یکی از پر مصرفترین الیاژهای تجارتی در سیستم سه تایی Al-Cu-Mg الیاژ 2024 است که عملیات گرمایی ان به تفضیل مطالعه می شود . ترکیب شیمیایی این الیاژ در گستره ی زیر است:
4.9-3.8٪ Cu-1.8-1.2٪ Mg 0.9 – 0.4 Mn حداکثر 0.50Si حداکثر 0.50 Fe حداکثر 0.10٪ Cr حداکثر 0.25٪ Zn.
ابتدا فرض می کنیم الیاژ حاوی فقط Al و Cu و Mg با ترکیب میانگین 4.5٪ 1.5٪Mg باشد برای چنین الیاژ سه تایی در شکل 10-4 خط انجمادی در حدود 560درجه سانتیگراد و حد انحلالی در حدود 520درجه سانتیگراد نشان داده شده است برای عملیات گرمایی الیاژ 2024 گستره ی دمایی 499-488 توصیه می شود این گستره دمایی تا حدودی پایین به نظر می رسد ولی در تعیین گستره دمای عملیت گرمایی باید گستره ترکیب شیمیای را در نظر گرفت شکل 14-4 گستره مقادیر Cu و Mg را برای خط انجماد و حد انحلال نشان می دهد
توجه کنید که اگر Cu و Mg هر دو در قسمت پایین قرار گیرند خط انجماد در حدود 560 درجه سانتیگراد و حد انحلال در حدود 500 درجه سانتیگراد خواد بود در هر حال اگر هم Cu و هم Mg هر دو در قسمت بالا قرار گیرند وضعیت متفاوت خواهد بود برای نشان دادن این موضوع شکل 15-4 را بررسی می کنیم قسمت غنی از الو مینیوم این نمودار فازی در 510 درجه سانتیگراد نشان داده شده است و در ان محدوده ترکیب شیمیایی Mg و Cu در مبع مشخص شده است توجه کنید که برای Cu و Mg زیاد ؛ همراه با مقداری مذاب و نیز فاز جامد CuMGAl2 معادل 508 درجه سانتیگراد است نمودار برای دمای 508 درجه سانتیگراد که در شکل 15-4 ب نشان داده شده است از نمودار مربوز به 508 درجه سانتیگراد در شکل 15-4 الف به دست امده است توجه کنید که منطقه ی مذاب به نتقطه ای که نشان دهنده ی اوتکتیک سه تایی است تبدیل شده است اگر دما به کمتر از 508 درجه سانتیگراد افت پیدا کند این فاز مذاب ناپدید می شود بنابراین در 508 درجه سانتیگراد در گستره کلی ترکیب شیمیایی خط انجماد و حد انحلال یکی می
برای مقادیر زیاد Cu و Mg در 508 درجه الیاژ در منطقه ی فازی حاوی الفا ؛ CuMgAl2 و CuMgAl2 و مذاب قرار می گیرند.
از این تحلیل در مورد الیاژ 2024 دو نکته ی مهم حاصل می شود اول اینکه برای پرهیز از احتمال ذوب موضعی الیاژ ، اگر Cu وMg در قسمت بالای گستره ترکیب شیمیای باشند دمای عملیات گرمایی محلول کمتر از 508 درجه است و اگر مقادیر Cu و Mg در قسمت بالای گستره مجاز باشد در ان صورت الیاژ در منطقه تک فاز نبوده بلکه در منطقه ی چند فازی خواد بود .برای به تصویر کشیدن این مطلب نمودار همدما در 430 درجه درشکل 16-4 را بررسی می کنیم مشاده می شود که اگر مقادیر Cuو Mg بالاباشد الیاژ بسته به ترکیب شیمیایی ان در منطقه CuAl2 – الفا یا منطقه CuMgAl2 -CuAl2 -الفا خواهد بود بنابراین عملیت گرمایی محلولی الیاژ در گستره ی 430 درجه و 508 درجه موجب وجود برخی فاز های جامد عمراه با الفا خواهدبود یعنی در نتیجه ی عملیات گرمایی محلولی ممکن است مقداری CuAl2 یا CuMgAl2 همراه با الفا تشکیل شود (د رحالت پیر شده نیز مکن است هر دو این فازهای جامد تشکیل شوند)
دمای انحلال پایینتر (488درجه) که برای الیاژ 2024 توصیه شده است بر بالاترین دما مبتنی است و با به حداقل رسانیدن امکان ذوب و نیز حصول به حداکثر انحلال متناظر است در گستره توصیه شده ، عدم قطعیت در کنترل دما و شیب دمای موجود ردکوره های تجارتی عملیت گرمایی نیز در نظر گرفته می شود .
اکنون تاثیر سیلسیم و منگنز و اهن را باید در نظر گرفت شکل 17 -4 تصویر گوشه غنی از الومینیوم نمودار فاز یسیلسیم منیزیم مس الومینیوم در گستره دمایی که فقط فازهای جامد وجود دارد را نشان می دهد افزایش سیلسیم به تشکیل ترکیب 4 تایی Al4 – Cu2Mg8Si5 کمک می کند شکل 18-4 مقطعی از نمودار 4 تایی را در دمای 502 برای مقدار ثابت 4٪ مس نشان میدهد گستره ی تغییرات مجاز Mg و Si نشان داده شده است و ملاحظه می شود که بسته به مقدار منیزیم و سیلسیم فاز الفا نی تواند در تعادل با Mg2Si،CuMgAl2 ،Cu2Mg8Si5Al4 باشد بنابراین افزودن سیلسیم تشکیل دو فاز جامد دیگکر را که در سیستم سه تایی الومینیوم مس منیزیم وجود ندارند یعنی Mg2Si و CU2Mg8Si5Al4 ممکن میکند حضود Mn و Fe نی زتشکیل ترکیبهای بین فلزی اضافی را ممکن میکند شکل 19-4 الف و ب تصاویر گوشه غنی از الومینیوم نمودارهای فازی Al- Cu-Mg-Fe و Al-Cu-Mg-Mn را در گستره جامد نشان می دهد
افزایش Mn به تشکیل Cu3Mn2Al20 کمک می کند در افزایش Cu2FeAl7 می شود در شکل 19-4 ج نمودار Al-CU-Mn-Fe نشان داده است افزایش منگنز و اهن به تشکیل فازی کمک می کند که محلول جامدی مبتنی بر Al6 و MnAl6 است این فاز را به صورت Al6 (Cu ، FeMn ) مشخص میکند
.
بنابراین مشاهده می شود د رالیاژ تجارتی 2024 ممکن است تعدادای فاز بین فلزی وجود داشته باشد که به ترکیب شیمیای در عملیات گرمایی الیاژ بستگی داشته باشد همچنین این امر به جگونگی ریخته گری الیاژ به شدت بستگر دارد زیرا اهنگ سرد کردن از حالیت مایع بر فاز هایی که در واکنسش اوتکتیک تشکیل می شوند تاثیر می گذارد برای تعین کران بالای دمای عمالیت گرمایی محلولی احتمال واکنش اوتکتیک بین الفا و برخی دیگر از فازها باید در نظر گرفته شود در حال مشخص شده است که پایین ترین دما ی اوتکتیک 505 درجه سانتیگراد است که فازهای CuAl2 و CuMgAl2 و Cu2FeAl7 و الفا در ان شرکت دارند و بنابراین کران بالای دما عملیات گرمایی یعنی 499 هنوز قابل استفاده است ساختار میکرو سکوپی الیاژ2024 تابکاری شده در شکل 20 -4 نشان داده شده است .
ذارات درشت سیاه رنگ CuMgAl2 است که در دمای عملیات گرمایی محلولی وجود دارد در این حالت ذرات درشت خاکستری Al6 نیز که ناشی از وجود اهن و منگنز است دیده می شود اما قسمت اعظم ذرات CuMgAl2 است ذرات ریز سیاه رنگ نیز CuMgAl2 است ولی این ذرات در خلال سرد شدن اهسته از دمای عملیات گرمایی محلولی تولید شده است .
ساختار میکروسکوپی در شرایط عملیت گرمایی محلولی شده در شکل 21-4 نشاه داده شده است .
محلول حکاکی شده مورد استفاده در این حالت علاوه بر مرزدانه های الفا برخی ذارات موجو در دمای عملیات گرمایی
محلولی را نیز مشخص کرده است.
این ذرات CUMgAl2 با مقدار Al20 Cu2Mg3 همراهند . توجه کنید که دانه های کشیده شده اند و از لحاظ ظاهری شبیه دانه های ساختار کار سرد شده اند . علت این امر توزیع نایکنواخت فازهای حل نشده ای است که در دمای انحلال و در خلال تابکاری الیاژ کار سرد شده دیده می شوند . پس از تکمیل تبلور مجدد دانه ها شروع به رشد میکنند ولی حرکت مرز دانه ها توسط ذرات موجود متوقف می شود وچون این ذارت به صورت یکنواخت توزیع می شوند اذا ساختار دانه ای تابکاری شده هنوز هم به صورت کشیده دیده می شود .
ساختار نمونه در خلال رسوب گذاری خیلی ریز بوده و با میکروسکوپ نوری قابل تشخیص نیست . میکروسکوپ الکترونی نشان میدهد . فرایند رسوب گذاری شبیه فرایند AL-CU است. در هر حال جزئیات این فرایند بستگی به ترکیب شیمیایی دقیق الیاژ دارد همه موارد مناطق GP و فازهای واسطه تشکیل می شوند که عامل سخت شدن الیاژاند . سرانجام نیز فازهای تعادلی ظاهر می شود .
تاثیر فرایند رسوب گذاری بر خواص مکانیکی الیاژ 2024 در شکلهای 24-4 23-4 نمایش داده شده است پیر کردن در دمای پایین باعث سخت شدن الیاژ می شود . رسوب گذاری در دمای زیاد در سخت سازی ایمن الیاژ بسیار موثر است . داده های شکل 23-24 نشان می دهد که استحکام در اثر پیر کردن در 200 درجه سانتیگراد به مدت چند ساعت از 40000 Psi به حدود 55000Psi می رسد برای الیاژ 2024 عملیات پیر سازی توصیه شده عبارتست از گرم کردن به مدت 11-13 ساعت درگستره دمایی 185 -196- درجه سانتیگراد می باشد که شکل 23-4 نشان میدهداین گستره دمایی بالاترین استحکام را در الیاژ به وجود می اورد .
خط نشان دهنده ترکیب که از لفا تا ترکیب Cu2FeAl7 کشیده شده مشخص میکند که مقدار مس موجود در الفا برابر 2.2 % است بنا براین گرچه الیاژ حاوی 4.5 % مس است ولی ترکیب Cu2FeAl7 تقریبا نصف مس را از محلول بیرون میکشد .
در اثر سرد شدن سریع تا 20درجه سانتیگراد الیاژ حاوی ذرات این ترکیب در زمینه الفا است ولی الفا فقط 2.2 % مس دارد بر اثر پیر کردنالیاژ مقدار اندکی Cu2FeAl7 اضافه تشکیل می شود زیرا حلالت ان در الفا در 500 درجه بسیاندک است .مرزهای فازی در جهت رسوب گذاری CuAl2 که در الیاژ دوتایی AL-Cu تشکیل می شود تغییر مکان میابد اما اگر چه الیاژ سه تایی حاوی 4.5 % مس است بر اثر پیر کردن مانند الیاژ دوتایی حاوی 2.2 % مس عمل میکند . این دلیل پیر سختی الیاژ حاوی اهن نشان داده است .
نتیجه گیری:
با توجه به آزمایشات صورت گرفته روی این آلیاژ در شکلهای زیر می توان چنین نتیجه گرفت که مدت زمان عملیات محلولی یکی از ارکان اصلی این عملیان می باشد .
با افزایش مدت زمان از 5 ساعت به 8 ساعت در ساختار به دست امده دوباره عملیات محلولی به درستی انجام نگرفت که این عمل نشان گر وجود آهی در ترکیب مذاب می باشد و طبق تئوری گفته شده می تواند از حلالیت مس بکاهد
ساختر محلول شده ساختار بعد از ریخته گری
ساختار رسوب سختی شده
متاسفنه این ازمایش به علت عدم رعایت سرایط ریخته گری مناسب و سهل انگاری در عملیات حرارتی وعدم توجه به شرایط به درستی صورت نگرفت چراکه با انجام سختیسنجی بر روی این الیاژ که سختی نهایی ان به95 برینل می رسید این امر را اثبات می نمود و وجود لکه های سیاه رنگ کشیده Cu2FeAl7 در زمینه می باشد
به طور کلی علت این پدیده به صورت زیر است:
1. وجود آهن در مذاب این آلیاژ
2. کافی نبودن مدت زمان عملیات محلولی
آلیاژآلومینیوم ـ منیزیم
عملیات کیفی مذاب آلومینیوم
الف. کنترل ترکیب شیمیایی
ب . گاز زدایی
ج . اکسیژن زدایی
د. تصفیه
و. تلقیح و جوانه زایی
از آن جایی که مواد شارژ در ذوب شامل قراضه ها و برگشتی ها می باشند به همین دلیل پس از تهیه مذاب آلومینیم بایستی درصد عناصر در آلومینیم مشخص شود برای انجام این عملیات ابتدا مذاب را داخل قالب پولکی ریخته و نمونه برداری می کنند سپس توسط دستگاه آنالیز در صد عناصر مشخص می شود پس از مشخص شدن درصد عناصر میزان کمبود و یا ازدیاد عناصر آلیاژی را مشخص می کنند . و در درجه حرارت را تصحیح می کنیم .
عمده ناخالصی های موجود در مذاب آلومینیم شامل سدیم کلسیم آهن – سیلیسیم – منیزیم و تیتانیم است
نکته : منیزیم -سیلیسیم -آهن سه عنصر اصلی با درصد بالا در آلومینیم هستند
جهت حذف منیزیم از مذاب آلومینیم از دو روش استفاده می شود:
الف.افزایش درجه حرارت مذاب و نگهداری مذاب در درجه حرارت های بالا به جهت آن که منیزیم در این درجه حرارت تبخیر شود
که این روش امروزه به علت افزایش تلفات آلومینیم در سرباره کمتر استفاده می شود
ب.اضافه کردن ترکیبات کلر مانند نمک و یا دمش گاز کلر که نمک های استفاده شده در این روش شامل Na Cl یا نمک طعام و CaCl2 می باشد
نکته : جهت حذف سیلیسیم و آهن از روش الکترولیز استفاده می شود و همچنین جهت حذف عناصری چون کادمیوم ، بیسموت ، سرب نیز با اضافه کردن سدیم و کلیسیم این عناصر وارد سرباره شده و از مذاب حذف می شود
گاز زدایی :ب
آلومینیم قابلیت انحلال گاز هیدروژن می باشد و قابلیت انحلال اکسیژن در آلومینیم نیز وجوددارد و مجموعا این گاز ها موجب افزایش مک و حفرات گازی در قطعات آلومینیمی می شوند
نکته : درصد انحلال هیدروژن در آلومینیم بیشتراز اکسیژن در آلومینیم می باشند .
روش های گاز زدایی
ذوب در خلا :1
در این روش فشار اتمسفر را در روی سطح مذاب کاهش داده که این امر باعث می شود که گاز های حل شده در مذاب به علت اختلاف فشار بین سطوح بیرونی مذاب و داخلی مذاب از مذاب خارج شوند که در صنعت ریخته گری این روش بهترین روش برای گاززدایی به شمار می رود اما به علت نیاز به تجهیزات گران قیمت کمتر استفاده می شود و عموما بیشتر از دگازور ها و گاززدا ها استفاده می شود .
استفاده از دگازور: 2
که این مواد شامل ترکیبات کلر بوده که این ترکیبات می توانند هیدروژن را از محیط مذاب خارج کنند که معمولا ترکیبات مانند هگزاکلر متان C2Cl6
3H2+C2Cl6 —- 6HCl(gaz)+2C
نکته : تیتانیم معمولا به صورت ناخالصی در آلومینیم وجود دارد .
Ti+C— TiC (rosob)
هگزاکلر متان با هیدروژن واکنش ایجاد کرده و ایجاد گاز HCl می نماید که این گاز به علت سبکی خود را به سمت بالامی کشد و از مذاب آلومینیم خارج می شود . با توجه به فرمول بالا کربن باقی مانده با تیتانیم موجود در مذاب ایجاد کاربید تیتانیم TiC می نماید که این ترکیب جهت جوانه زایی مذاب آلومینیم استفاده می شود .
استفاده از دمش گاز خنثی. 3
در این روش با افزایش فشار در داخل مذاب و ایجاد اختلاف فشار بین مذاب و محیط بیرون موجب خروج گاز های مضر از مذاب می شود .که گاز های خنثی برای مذاب آلومینیم شامل نیتروژن و آرگون می شود .
مزیت های روش گاززدایی به صورت گاز خنثی :
در این روش گاز هیدروژن پس از دمیده شدن در پایین پاتیل مذاب آلومینیم گاز خود را به سمت بالا کشیده و در حین بالا آمدن گازهایی چون هیدروژن را جذب خود می نماید و همچنین ناخالصی های موجود در مذاب را جذب خود کرده و وارد سرباره می نماید
خواص آلومینیوم
آلومینیم به دلیل خواص ضعیف مکانیکی کمتر در صنعت به صورت خالص مورد استفاده قرار میگیرد از طرف دیگر این عنصر با عناصر فلزی وغیر فلزی مانند مس ومنیزیم وسیلیسیم و…حدود 200 نوع آلیاژ مختلف نوردی وریخته گری تولید میکند که اغلب آنها با انجام یک سری عملیات حرارتی خاص دارای خواص مکانیکی ومهندسی نزدیک به فولاد میگردند که چنانچه نسبت به وزن مخصوص آلیاژهای این عنصر سنجیده شود قبول نیروهای مکانیکی ویا انتقال الکتریکی آنان بیش از فولادها وآلیاژهای مس میباشد.
اغلب عناصر قابلیت انحلال کمی در آلومینیم جامد دارند واز این رو هاردنرهای آن مورد استفاده قرار میگیرند .وجود فازهای دوم وترکیبات بین فلزی متعدد در این آلیاژ انجام عملیات حرارتی رامقدور میسازد.
همچنین در ساخت آلیاژهای این عنصر به دلیل نقطه ذوب پایین اغلب هاردنرهای آن مورد استفاده قرار میگیرند .
نمودار تعادل آلومینیم- منیزیم
همانطور که د رنمودار تعادل مشاهده می شود حد حلالیت منیزیم در آلومینیم در دمای بوتکتیک معادل 9/14 است با کاهش دما حلالیت نیز کاهش یافته و در دمای محیط به 9/1 درصد می رسد منیزیم مازاد به حلالیت در محدوده کاربردی و پی فاز سخت را تشکیل می دهد . در سیستم آلومینیم – منیزیم دویوتکتیک یکی در 5/35 درصد منیزیم و دیگری در 5/67 درصد منیزیم وجود دارد .
فازB(فاز میانی)وآلیاژهای آن (بیشتر از 3درصد منیزیم) عملیات حرارتی رامی پذیرند.
خواص مکانیکی و شیمیایی
آلومینیم با منیزیم تشکیل ترکیبات متعددی می دهد که مهمترین آنها
است که پس از اچ شیمیایی در محلول هیدروکسید سدیم از زمینه آلومنیوم قابل تفکیک است باید ذکر گردد که به علت سرعت زیاد سرد شدن در ریخته گریهای معمول و غیر تعادلی اینگونه ترکیبات حتی در آلیاژهای حاوی 3 تا 4 درصد منیزیم نیز دیده می شود .
از مهمترین ناخالصی های موجود در این آلیاژها (گروه نوردی) عناصر سیلسیم و آهن است که بیشتر بصورت ظاهر می شوند ترکیبات نیز در شرایط ذوب آلیاژ امکان تشکیل دارد. که هر یک به نحوی خواص مکانیکی آلیاژ را تقلیل می دهد. آلیاژهای آلومنیم و منیزیم به دلیل شدت اکسیداسیون و جذب گاز در عملیات ذوب احتیاج به محافظت بیشتری دارد. و انواع فلاکسها و دگازورها حاوی سدیم نمی توانند در آلیاژ به کار می روند.
میزان منیزیم درآلیاژ معمولا کمتر از 5/3 درصد است چنانچه میزان منیزیم به 8 تا 12 درصد برسد بدلیل مقاومت کافی در مقابل به خوردگی املاح دریایی و صنایع کشتی سازی مورد استفاده قرار میگیرد نوع دیگر آلیاژ حاوی 1 تا 7 درصد منیزیم در ساخت بدنه اتومبیل بکار می رود. ولی رنج (محدوده ) کاری آلیاژها بیشتر بین 1 تا 5 درصد منیزیم است . چون حضور منیزیم بیشتر ، آلیاژ را نسبت به خوردگی تحت تنش حساس می کند .
انتخاب شارژ وکوره
مواد مختلفی در ریخته گری آلیاژهای آلومینیم بکار میروند که بر اساس نوع ترکیب خواسته شده وشرایط ترمودینامیکی عبارتنداز : شمش های اولیه وشمش های دوباره ذوب وقراضه ها وبرگشتی ها وآلیاژسازها.
قراضه ها وبرگشتیها باید به دقت از نظر ترکیب شیمیایی کنترل ودسته بندی شوند استفاده مستقیم از قراضه ها وقطعات کوچک به دلیل افزایش سطح تماس وشدت اکسیداسیون عملا نا مطلوب است برای همین ابتدا آنها را ذوب وپس از کنترل وآنا لیز کیفی استفاده میشوند.
کوره های ذوی در صنایع آلومینیم به3 دسته تقسیم میشوند:
3. کوره های ذوب باحرارت غیر مستقیم یا بوته ای(سوخت گازی ومایع):به دلیل عدم تماس مستقیم سوخت وشعله با مذاب بسیاری از فعل وانفعالات ناشی از چنین تماسی انجام نمیشود وعیوب ناشی از آن کاهش می یابد .
4. کوره های با حرارت مستقیم (سوخت گازی ومایع): تماس بین محصول احتراق وشارژ مستقیم است. راندمان حرارتی زیادی دارند ودر مقابل شدت اکسیداسیون و فعل وانفعالات مذاب وگازهای حاصل از احتراق درصد اتلافات مذاب وکنترل ترکیب مطلوبی ندارند.
5. کوره های الکتریکی : این کوره ها در مقادیر بالا وبرای اجتناب از اکسیداسیون مذاب وجلوگیری ازورود گارهای ناشی از احتراق وافزایش کیفیت مذاب مناسب هستند.
تولید آلیاژ
آلیاژهای منیزیم تا 3 درصد می توانند مستقیما با افزایش منیزیم خالص مذاب تولید شوند . بدیهی است اتلافات در جریان ذوب این عنصر همواره زیاد است . از این رو اغلب ازهاردنر آلومینیم با 10 درصد منیزیم استفاده می کنند . اکسیژن زدایی این آلیاژها توسط بریلم انجام می شود . سیالیت آلیاژهای حاوی منیزیم کم است . بنابراین سیستم راهگاهی باید کمی بزرگتر از اندازه های معمول طراحی شود .
این آلیاژ بهترین خواص مکانیکی را در ریخته گری تحت فشار دارد . با اینکه در هنگام ریخته گری اشکالات زیادی هم موجود می آید . در آلیاژهای نوردی آلومینمی – منیزیم ، مس به عنوان عنصر نامطلوب است و بایستی کنترل گردد زیرا وجود ترکیب در حضور مس اجتناب ناپذیر است . و خواص کششی قطعه را شدیدا کاهش می دهد .
مواردی که باید رعایت شوند:
– ذوب باید در بوته های گرافیتی یا بوته هایی که ورود آهن و سیلیسیم را به مذاب به حداقل می رسانند انجام شود .
-حتی المقدور از درجه حرارت فوق ذوب بالا بدلیل تقلیل اکسیداسیون اجتناب شود – از استفاده مستقیم برگشتی ها برای ذوب مجدد خودداری می گردد .
-از دگازورها و فلاکسهای حاوی سدیم اجتناب شود .
-استفاده از تیتانیوم برای ریز کردن دانه ها .
-طراحی سیستم راهگاهی بزرگتروتغذیه گذاری برای اجتناب از ایجاد تنش های انجماد .
و تقلیل خواص رطوبتی ماسه با استفاده از مواد مختلف مانند گوگرد و اسید بوریک از جمله مواردی است که باید رعایت شود .
آلیاژهای دیگر آلومینیم مانند آلیاژهای روی ومنگنزو… نیز در صنعت موارد استعمال فراوان دارند ولی بطور کلی میتوان چنین استنباط نمود که قطعات ریختگی در طرق مختلف تولیدی هرگز نمیتوانند مشخصات کامل نمونه های آزمایشی راکه درشرایط ایده آل حاصل میشوند راایجاد کنند و از این رو در شرایط تولیدی به نکاتی توجه میشود که ارزش تمام شده کالای تولیدی را به میزان متنابهی افزایش ندهد ودر این حال چگونگی وکیفیت شارژ وعملیات کیفی مذاب وروشهای مختلف قالبگیری وچگونگی ذوب واستفاده از عناصر مختلف از اهم مطالبی است که در مراحل ذوب مورد توجه قرار میگیرد تا بتوان خواص مطلوب وبهبود یافته شده را در قطعه ریختگی ایجاد کرد .
نحوه آزمایش
هدف:بررسی ساختار متالوگرافی آلیاژ آلومینیوم _ منیزیم:
پس از آماده سازی ذوب و نمونه گیری نمونه متالوگرافی شده و عکس های آن در زیر نمایش داده می شود.
آلیاژهای آلومینیوم ـــ مس
4%
مقدمه:
نامگذاری آلیاژهای آلومینیوم:
آلیاژهای کارپذیر:
در شناسایی این مواد از سیستم نمایش چهار رقمی استفاده میشود :
5xxx + Mg
آلومینیوم 99% به بالا 1xxx
6xxx + Si,Mg
2xxx + Cu
7xxx + Zn
3xxx + Mn
عناصر دیگر آلیاژی + 8xxx
4xxx + Si
در این سیستم رقم دوم معمولا صفر است که تغییر و تبدیل آلیاژ را بیان میکندیعنی ارقام غیر صفر ، بعضی تغییرات آلیاژ پایه را نشان میدهد . دو رقم آخر ، آلیاژ را درون خانواده نشان میدهد . مثلا آلیاژ2024 آلیاژ 24 در گروه آلیاژی CuـــAl را نشان میدهد. برای سری 1xxx سه رقم آخر بیانگر میزان خلوص آلیاژ میباشند .
وضع آلیاژ توسط پسوند حرفی رقمی مشخص میشود بعنوان مثال:F : بدون انجام عملیات بعدی ، H :سخت کردن کرنشی O : تابکاری T : انجام عملیات حرارتی T6 : عملیات حرارتی همراه با حل کردن وکهنه کردن مصنوعی ( رسوب سختی) میباشد .
آلیاژهای ریختگی :
در شناسایی این آلیاژ ها مطابق سیستم علامت گذاری انجمن آلومینیوم (A.A) از شناسه های زیر استفاده میشود
5xx.x + Mg
آلومینیوم 99% به بالا 1xx.x
7xx.x + Zn
2xx.x + Cu
Sn + 8xx.x
3xx.x + Si ,Cu or Mg
عناصر دیگر آلیاژی + 9xx.x
4xx.x + Si
در این سیستم اولین رقم بیانگر گروه آلیاژی ، ارقام دوم وسوم مشخص کننده یک آلیاژ به خصوص و درجه خلوص Al و رقم آخر که به وسیله ممیز جداشده بیانگرشکل محصول( مثلاَ شمش یا ریختگی)
مشخصه اصلاح آلیاژ اولیه به صورت حرف و قبل از ارقام دیگر نوشته میشود .
آلیاژهای CuــAl :
مس یکی از عناصر مهم آلیاژی در آلومینیوم است این عنصر در درجه حرارت 548 درجه سانتیگراد به مقدار نسبتا زیاد در آلومینیوم جامد محلول است (65/5درصد) .
اغلب آلیاژ های آلومینیوم ـــ مس قبل عملیات حرارتی بوده و از این نظر تاثیر مس درآنها حائز اهمیت است .
قسمت مهم نمودار تعادلی (تا نسبتی که در متالورژی آلومینیوم مهم است ) در شکل زیر نشان داده شده است ، در حالی که قسمت پر آلومینیوم نمودار در زیر نموداراول نشان داده شده است . حلالیت در حالت جامد مس در آلومینیوم در درجات حرارت مختلف در جدول زیر آورده شده است .
حد حلالیت جامد مس در آلومینیوم
حلالیت مس در آلومینیوم
درجه حرارت سانتی گراد
5.65
5
4.65
4
2.80
1.30
0.50
0.10
0.10
548
525
515
500
450
400
300
250
50
تقسیم بندی آلیاژ های ریختگی آلومینیوم :
گروه های عمومی آلیاژ های ریختگی آلومینیوم آلیاژ های میباشند . برخی از اینها در حالت ریختگی استفاده میشوند و تحت عنوان عملیات حرارتی ناپذیر نامیده میشوند ، در حالی که سایر آلیاژها عملیات حرارتی پذیر واستحکام آنها در اثر عملیات حرارتی افزایش می یابد
خوردگی آلیاژ های و:
بطور کلی مس تاثیر منفی بر روی مقاومت خوردگی آلومینیوم میگذارد . اضافه کردن 0.1 درصد مس به آلومینیوم 99.99 درصد باعث افزایش تا 1600برابرشدن سرعت خوردگی آلومینیوم میگردد .
آلیاژ های حاوی 4 درصد مس ممکن است مستعد خوردگی بین دانه ای یا ترک برداشن ناشی از خوردگی بین دانه ای باشد . مقاومت خوردگی آلیاژ های را میتوان با کنترل عملیات حرارتی تا حدی کنترل نمود . معمولا سرد کردن درآب سرد سرعت کافی برای این آلیاژ را تولید میکند .
مقاومت خوردگی آلیاژهای شدیدا تحت تاثیر عملیات پیر کردن قرار میگیرد . پیر کردن طبیعی باعث مقاومت خودگی بهتر میگردد زیرا درآلیاژهای بطور طبیعی پیر شده در مقایسه با آلیاژهای مصنوعی پیر شده ذراتبصورت ریزتر و یکنواخت تری پخش مس گردند . مقاومت خوردگی آلیاژهای بیشتر به وسیله مقدار مس و وضعیت ریز ساختاری آن تعیین میگردد .سیلیسیم تاثیر زیادی بر روی مقاومت خوردگی این آلیاژها ندارد .
ماشینکاری آلیاژ های آلومینیوم :
یکی از خواص مشخصه و قابل ملاحظه آلیاژ های آلومینیوم سهولت و سرعتی است که میتوان آنها را ماشینکاری نمود . درهر حال در ماشینکاری ، روغنکاری و ترکیبات مورد استفاده در برش دارای اهمیت است . برخی از آلیاژ های آلومینیوم نسبت به سایر آلیاژ ها دارای قابلیت ماشینکاری بهتری هستند . منظور از قابلیت ماشینکاری سهولت نسبی ماشینکاری فلز است . قابلیت ماشینکاری رابا توجه به نیروهای برش ، سرعت برش ، عمر ابزار برش ، قابلیت تشکیل براده و کیفیت سطح تمام شده تعیین می نماید . آلیاژ های آلومینیوم را از نظر قابلیت ماشینکاری میتوان به گروههای زیر تقسیم نمود .
گروه 1 . با بهترین قابلیت ماشینکاری
2011─T3
2011─T8
2014─T4
2014─T6
2017─T4
2024─T3
7075─T6
7079─T6
7178─T6
گروه 2 . با قابلیت ماشینکاری متوسط
2004─H38
5052─ H38
5154─ H38
5357─ H38
6061─T6
6062─T6
6063─T6
گروه 3. با قابلیت ماشینکاری کم
EC─H19
1100─H38
3003─H18
5050─H38
5052─H43
5083─H113
5086─H112
5154─H34
6053─T6
6061─T4
6062─T4
6063─T4
کاربرد آلیاژ های Al – Cu :
آلیاژ های عملیات حرارتی پذیر :
آلیاژ های: این آلیاژ ها با مقاومت زیاد مثلا آلیاژ های 2014 ، 2024 بیشتر در مصارف ساختمانی صنعتی در هواپیما ، ترن، و وسایل دیگر حمل و نقل استفاده میشود .آلیاژ 2014 بیشتر برای قطعات پتک کاری شده و فشار کاری شده مورد استفاده قرار میگیرد زیرا این آلیاژ دارای استحکام بالا همراه با خواص کار گرم پذیری خوبی است . آلیاژ 2024 بیشتر به شکل ورق ، صفحه و فشار کاری شده استفاده می شود
آلیاژ های ریختگی:
آلومینیوم ــ مس:
در این گروه از آلیاژهای شامل گروه می باشد .
حرارت تشکیل
380
حرارت تشکیل
42.5
حرارت تشکیل
38.5
مس سیالیت آلیاژ را به مقدار کمی کاهش میدهد ، اغلب آلیاژهای آلومینیوم ــ مس کمتر از 10% مس دارند و آلیاژهای صنعتی آنها حدود 2% تا 5% مس دارند . مس همچنین شدت اکسیداسیون مذاب و همچنین درصد حلالیت هیدروژن را کاهش میدهد .
مس به دلیل نقطه ذوب بالا (1083درجه سانتیگراد)به صورت خالص به آلیاژ اضافه نمی شود و بیشتر از آمیژان 50 ــ50 و آمیزان یوتکتیک 33 ــ 67 استفاده میشود. برای ساخت آمیژانها ابتدا مس را ذوب کرده و از فوق ذوب جلوگیری میکنند و آلومینیوم را در قطعات کوچک و به دفعات 4 تا 5 مرتبه به آن می افزایند . کلیه عملیات کیفی مذاب بعد از افزایش آمیژان مس همراه به شارژ به بوته داده میشود .
تاثیر عناصر آلیاژی بر آلیاژ آلومینیوم ــ مس:
1. Si :باعث افزایش سیالیت در ریختگری ونیز افزیش خواص ماشین کاری میشود
2. Ag : در آلیاژهای برای بهبود رسوب سختی و مقاومت در برابر خوردگی و تنش به میزان 1% تا 0.5% استفاده میشود
3. Cd : موجب افزایش سرعت پیر سختی و افزایش مقاومت به خوردگی میشود .
4. Mn , Mg :کاهش شکل پذیری آلیاژ و نیز کاهش داکتیلیته حداکثر تا 1%
5. Ni :افزایش سختی و استحکام دمای بالا و کاهش ضریب انبساط را باعث میشود
6. Sn : تا 0.05% باعث افزایش پیر سختی مصنوعی در آلیاژ وباعث افزایش استحکام و مقاومت به خوردگی میشود . زیادی قلع باعث افزایش حساسیت آلیاژ به ترک گرم میشود .
آلیاژهای با 5% تا 4% مس با ناخالصی های Fe ,Si , Mg قابل عملیات حرارتی هستند و میتوانند به استحکام و داکتیلیته کاملا بالایی دست یابند .
کاربرد آلیاژ های ریختگی:
آلیاژ های عملیات حرارتی ناپذیر:
آلیاژ هایاز آلیاژ های قابل ریختگری در قالب دائمی و قالب ماسه ایست برای یاتاقانهای ترنسمیشن ، صفحات پوشش و لوله های چند راهی مورد استفاده قرار میگیرد .
آلیاژ هایآلیاژ های این گروه اغلب از نوع آلیاژ های قابل ریختگری در قالب ماسه ای، دائمی و تحت فشار می باشند . قطعات ساخته شده از این آلیاژ ها شامل لوله های چند راهه (مثلا اتصال چهار گانه اگزوز به موتور ) و بدنه شیر (آلیاژ 108) می باشد .
آلیاژ های عملیات حرارتی پذیر:
آلیاژ های در جایی که استحکام مورد نیاز باشد مصرف میشود برخی ازموارد مصرف آنها عبارتند از: چرخ ، جعبه دنده و اتصالات هواپیما .
آلیاژ هایدر قطعات دستگاههای اندازه گیری دقیق ، مخازن بنزین ونفت ، سر سیلندر .
عملیات حرارتی رسوب سختی :
فرآیند رسوب سختی (پیر سختی)درسال1906بوسیلهآلمانی کشف گردید.دکتر یک آلیاژ 4% مس و0.5 درصد منیزیم را حرارت داده وو پس از آن به سرعت آن را سرد کرد وسپس سختی آلیاژ را اندازه گیری کرد . او متوجه شد که با گذشت زمان به مدت چند روز در درجه حرارت محیط سختی نمونه ها به مقدار قابل ملاحظه ای افزایش یافت .
در سال 1911 نتایج خود را منتشر نمود ولی نتوانست توضیحی برای این سخت شدن بدهد زیرا از نظر میکروسکوپی هیچگونه تفاوتی بین نمونه های سخت شده و نمونه های نرم مشاهده نکرده بود . از زمان تا کنون دانشمندان ومهندسین متعددی فرآیند رسوب سختی را مطالعه ومطالب مختلف و متعددی را در مورد آن یافته اند ،ولی هنوز هم مکانیزم دقیق آن مورد مطالعه قرار می گیرد .
اصول رسوب سختی :
برای سخت کردن یک آلیاژ از طریق فرآیند رسوب سختی ابتدا به فلز یک عمل حرارتی حل کردن داده می شود . در این عمل حرارتی آلیاژ را به درجه حرارتی که به قدر کافی زیاد است تا عناصر آلیاژی را داخل محلول جامد بنماید حرارت میدهند . درجه حرارت مورد استفاده بستگی به ترکیب شیمیایی آلیاژ دارد . پس از حرارت دادن به درجه حرارت انحلال و نگهداشتن آن به مدت لازم آلیاژ به درجه حرارت پایین تری سریعاسرد میشود تا این عناصر را درمحلول جامد فوق اشباع شده نگه دارد.
قسمت دوم فرآیند رسوب سختی ، پیر کردن است که در خلال آن رسوبات تشکیل میگردد . اگر رسوب گیری که باعث سختی آلیاژ می شود خود به خود در درجه حرارت محیط انجام گیرد گفته میشود آلیاژ به صورت طبیعی پیر شده است در هر حال اگر لازم باشد آلیاژ را حرارت داد (معمولا در 260 ــ93 درجه سانتیگراد به مدت چندین ساعت ) تا رسوب گیری انجام شود در آن صورت آن را پیر سختی مصنوعی می نامند .آلیاژ های آلومینیوم که قابل سخت شدن از طریق رسوب سختی هستند را بنا به تعریف " آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر" می نامند .
فرآیند رسوب سختی آلیاژ های الومینیوم را میتوان به صورت زیر خلاصه کرد :
1. گرم کردن تا رسیدن به درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال ( حل کردن ) :
درجه حرارت عملیات حرارتی طوری انتخاب میگردد که بالاتر از منحنی حلالیت جامد باشد ولی خطر ذوب اجزای یوتکتیکی با نقطه ذوب پایین وجود نداشته باشد و حدود دقت 5.5 درجه سانتیگراد نگه داشته میشود و آلیاژ هایی که بیشتر از حد معین حرارت داده میشود بطور جزیی ذوب شده و درآن صورت فلز مربوطه را باید به دلیل ازدست دادن خواص مکانیکی به صورت قراضه وضایعات درآورد .
2. حرارت دادن در آن درجه حرارت برای مدت زمان کافی :
زمان لازم برای عملیات حرارتی به آلیاژ و نوع محصول بستگی دارد بطور کلی قطعات کار شده احتیاج به زمان کمتری نسبت به قطعات ریختگی داشته و قطعات کار سرد شده زمان کمتری نسبت به قطعات کار گرم شده دارند . قطعات ریختگی در ماسه به علت درشت بودن اجزای ساختمانی آنها زمان بیشتری نسبت به قطعات ریختگی در قالب دائمی دارند .
3. سریع سرد کردن به درجه حرارت نسبتا پایین :
معمولی ترین محیط های سرد کردن آلیاژ های آلومینیوم آب داغ (برای قطعات پتکاری شده و ریختگی که مقاومت به خوردگی درآنها مهم نیست بکار میرود و دمای آن بین 66 تا 88 درجه سانتیگراد است)و آب سرد (برای مواد نازک مانند ورق ، قطعات فشار کاری شده ، لوله وقطعات پتکاری شده کوچک به کار میرود و دمای آن 29 درجه سانتیگراد است ،سرد شدن ناگهانی حد اکثر مقاومت در برابر خوردگی را به آلیاژ میدهد ولی ممکن است موجب اعوجاج گردد . ماده ای که سرد میگردد باید تا حد امکان سریع از کوره خارج و به مخزن سرد کننده انتقال یابد . برای ورق ساخته شده از آلیاژ های 2017 و 2024 زمان انتقال نباید از 10 ثانیه تجاوزکند در غیر این صورت این آلیاژ ها ممکن است آمادگی برای خوردگی بین دانه ای را پیدا کنند .
4. پیر کردن برای رسوب سختی از طریق :
الف- پیر کردن طبیعی در درجه حرارت محیط ( پیر کردن طبیعی )
ب- پیرکردن مصنوعی به وسیله حرارت دادن در یک درجه حرارت پایین 93ــ 260 درجه سانتیگراد به مدت لازم .
به عنوان مثال عملیات حرارتی یک آلیاژ را درنظر بگیرید . ابتدا آلیاژ به 504 درجه سانتیگراد حرارت داده میشود تا تمام مس وارد محلول جامد گردد سپس آلیاژ در آب سرد سریعا سرد میشود تا به درجه حرارت محیط برسد . اگر آلیاژ به درجه حرارت 171 درجه به مدت ده ساعت حرارت داده شود از طریق پیر کردن مصنوعی سخت میگردد . البته اگر این آلیاژ حاوی 0.5 درصد منیزیم باشد میتواند در درجه حرارت محیط بصورت طبیعی پیر سخت شود .
رسوب سختی آلیاژ های ریختگی :
ترکیبات آلیاژ های ریختگی آلومینیوم از بتدا طوری طراحی می گردیده که علاوه بر داشتن خواص مکانیکی مورد نظر دارای خواص یختگی خوب باشد . فازهای رسوبی لازم برای سخت کردن آلیاژهای ریختگی مشابه آلیاژهای کارپذیر است .رسوبهای مهم برای سیستم های آلیاژی مهم ریختگی به قرار زیر است:
سیستم
رسوب
سه حالت از حالات تولید شده در رسوب سختی آلیاژهای ریختگی آلومینیوم میباشد .اگر حد اکثر خواص مکانیکی مورد نیاز باشد قطعه ریختگی به حالت ساخته میشود .اگر نیاز به تولید قطعات با تنشهای داخلی کم و پایداری ابعادی خوبی باشد از از عملیات حرارتی بیش از حد پیر شدن (پر پیری ) استفاده میشود . حالت را از طریق پیر کردن قطعات ریختگی در درجه حرارت 204 ــ 343 درجه سانتیگراد تهیه مینمایند . ریختگری آلیاژهای آلومینیوم اغلب از طریق پیرکردن بدون عملیات حرارتی انحلال و سرد کردن به حالت درآورده می شوند . چون اغلب عناصر سخت کننده در اثر سریع سرد شدن فلز در خلال عملیات تولیدی در محلول جامد باقی میمانند بنابر این عملیات انجام پذیر است.در هر حال استحکام قطعات ریختگی حالت به حد حالت نیست .جدول زیر ترکیب شیمیایی وعملیات حرارتی برخی از آلیاژهای ریختگی مهم آلومینیوم را نشان میدهد .
آلیاژهای و در درجات حرارت 516 ــ510 درجه سانتیگراد عملیات حرارتی انحلال شده وسپس در آب داغ 100 ــ 66 درجه سانتیگراد سریعا سرد میگردند . اغلب آلیاژهای ریختگی آلومینیوم به این روش سرد میشوند تا تنشها واعوجاج ناشی از سرد کردن به حد اقل برسد .
متالوگرافی:
مطالعه درشت ساختاری:
ساده ترین نوع مطالعه درشت ساختاری مشاهده ظاهری سطوح شکسته بدون هیچگونه عملیات آماده سازی و یا حک شیمیایی است . اختلاف در ساختمان دانه بندی خلل وفرج و انواع مجموعه نا خالصی های .متمرکز را می توان با درجات مختلف به این طریق مشاهده نمود . از آنجاییکه این نوع مطالعه کاملا طبیعی و خام و بدون جزییات بیشتر مورد نیاز است .
اگر قصد ، فقط خلل و فرج باشد یک برش نسبتا صاف و نرم ممکن است برای منظور کافی باشد . با این حال تراش دادن سطح قطعه و حک شیمیایی آنها نیز اغلب انجام میشود . در برخی موارد سنگ زدن پرداخت کردن با کاغذ سنباده نیز مورد نیاز است . پس از اینکه سطح مورد نظر آماده گردید باید آن را تمیز و عاری از کثافات و چربی نمود .نوع محلول حک مورد استفاده برای مطالعات ماکروسکوپی بستگی به این دارد که که چه چزی باید مورد مطالعه قرار گیرد و نیز بستگی به نوع آلیاژ دارد.جدول زیربرخی از محلولهای شیمیایی حک مورد استفاده برای آلیاژهای آلومینیوم رانشان میدهد.
محلول
غلظت
موارد مصرف خاص
هیدروکسید سدیم در 71 درجه سانتیگراد
برای تمیز کردن سطحی جهت مطالعه کیفیت و صافی سطحی ، ترک و عیوب کلی
محلول
برای مطالعه ساختمان دانه بندی آلیاژهای ریختگی و کارپذیر 3002، 6061
مخلوط اسیدی
محلول حک برای مصارف عمومی برای مطالعه دانه بندی
محلول حک
برای مطالعه ساختمان ریختگی و ساختمان های فورج شده
محلول حک
ساختمان دانه بندی آلیاژهای 2024 و2014
هیدروفلوریک اسید
برای آلیاژهای ریختگی و فرج شده پر سیلیس
مطالعه ریز ساختاری:
اغلب اجزای سازنده آلیاژها که در واقع عامل اصلی و کنترل کننده انواع مختلف خو.اص آلیاژها میباشد مثل رسوبات و غیره بقدری کوچک هستند که برای مطالعه آنها نیاز به بزرگنمایی های زیادی است . بنابراین جهت انجام چنین مطالعاتی نیاز به استفاده از میکروسکوپ میباشد .
نمونه سازی:
مراحل زیر برای نمونه سازی باید انجام گیرد :
1. انتخاب نمونه
2. سنگ زدن نمونه
3. پرداخت کردن نمونه برای حذف خراشها : برای پرداخت کردن ابتدا باید با سرعت 1100 دور در دقیقه انجام شود و بتدریج تا پایین عمل به 200 دور در دقیقه برسد . پرداخت کردن نمونه ها نباید طولانی شود چون امکان خوردگی و کدر شدن سطح میشود .
محلولهای حک برای مطالعه ریز ساختاری:
درخلال پرداخت نمونه دقت لازم انجام میشود تا تا از ایجاد فلز تغییر فرم یافته ممانعت گردد ولی با این حال مقداری فلز تغییر یافته وجود دارد . حک شیمیایی سطح نمونه با استفاده از محلول مناسب میتواند این لایه نازک تغییر شکل یافته را از سطح نمونه بر دارد و به علت تاثیر متفاوت محلول حک بر روی اجزای ساختمانی و زمینه نمونه میتوان اجزای ساختمانی را از هم تشخیص داد . حتی ممکن است تغییر رنگ اجزای ساختمانی در اثر حک شیمیایی ایجاد شود .
گزارش کار:
در این تحقیق نظر به این که آلیاژ حاوی 4% مس از نظر کاربرد صنعتی قابلیت عملیات حرارتی کار برد وسیعی دارند . ما آلیاژی با ترکیب 4% مس را ریختگری کردیم که این آلیاژ به صورت دوگانه کاربردی ندارد ولی این ترکیب آلیاژی پایه بسیاری از آلیاژهای سه گانه و چهار گانه میباشد
برای تولید آلیاژ باید ابتدا آلومینیوم خالص را که به صورت پروفیل های آلومینیومی بوده ذوب کرده و سپس مس را به صورت آمیژان 50 ــ50 به مذاب آلومینیوم اضافه میکنیم و پس از هم زدن کافی آلیاژ را ریختگری میکنیم .
مقدار کل آلیاژ تولید شده 5 کیلو گرم میباشد که محاسبات مربوط به آن در زیر آورده شده است .
X 4.5
4 100
که مقدار مس مورد نظر برای تولید آلیاژ 225 گرم شد .
0.225 50
X 100
که مقدار آمیژان مورد نیاز 450 گرم بدست آمد .
متالوگرافی:
پس از اینکه نمونه ها را برش داده و سطوح آنها را صاف کردیم مرحله سمباده زنی را شروع کرده واز سمباده درشت تا ریز سنباده زنی را ادامه دادیم شماره های سنباده های استفاده شده به قرار زیر است :
120 ، 180 ، 220 ، 320 ، 400 ، 600 ، 800 ، 1200
سپس به مرحله پولیش رفته و سطح نمونه ها را پولیش کردیم . ولی با توجه به مدت زمان مناسب و دقت لازم در مرحله پولیش کاری باز هم مقداری خش بر روی سطح باقی ماند.
پس از شستشو و خشک نمودن نمونه آن را متالوگرافی کرده و از سطح نمونه ها عکس گرفته و در زیر ضمیمه شده کردیم .
بعد از اچ قبل از اچ 200x
نمونه بعد از عملیات محلولی
نمونه بعد ا زعملیات پیر سختی
نتیجه گیری:
بر اثر عملیات حرارتی محلولی باعث ایجاد محلول جامد اشباع شده و حذف فاز تتا می شود ودر اثر عملیات حرارتی رسوب سختی باعث افزایش سختی وخواص مکانیکی می شود.
آلیاژهای Al-Si:
آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیم، مهمترین آلیاژهای ریختگی آلومینیوم محسوب می شوند.
این امرعموماً به خاطر سیالیت بالای این آلیاژها در اثر وجود حجم نسبتاً زیاد یوتکتیک Al-Si می باشد.
سایر مزایای این آلیاژها مقاومت برخوردگی بالا و قابلیت جوشکاری خوب را می توان نام برد، به علاوه حضور فاز Si در آلیاژ باعث کاهش انقباض در حین انجماد و ضریب انسانی حرارتی محصول ریختگی می گردد.
اما وجود ذرات ریز و سخت سیلیسیم در ساختار منجر به بروز مشکل ماشین کاری در این آلیاژ می گردد.
Al-Si بدلیل سیالیت ریخته گری بالایی که دارد مورد استفاده قرار می گیرد، ولی ترد و شکننده است، ولی به دلیل اینکه حد الاستیک آن بالا می باشد، کمتر کاربرد دارد.
ولی اگر حد الاستیک آن بالا بود. می توانست جای Al-Cu را بگیرد. سیلیسیم باعث می شود که سیالیت مذاب بالا برود.
انجماد آهسته آلیاژ خالص Al-Si منجر به ریز ساختار بسیار درشت که در آن یوتکتیک شامل تیغه ها یا سوزن های درشت سیلیسیم در زمینه آلومینیوم است خواهد شد.
یوتکتیک به تنهایی متشکل از سلولهای مجزا می باشد که در میان آنها ذرات سیلیسیم قرار گرفته اند.
خواص مکانیکی اساساً به واسطه ی ریز شدن(ظریف شدن) ساختار و همچنین فصل مشترک به حالت صفحه ای در ضمن انجماد که تخلخل در قطعه ریختگی را به حداقل می رساند، بهبود می یابد. کاهش چقرمگی شکست نیز به طور محسوس افزایش پیدا می کند.
بهسازی آلیاژهای Al-Si معمولاً بوسیله ی افزودن نمک های سدیم یا مقادیر کمی سدیم، فلزی به مذاب صورت می گیرد.
اگرچه مقدار واقعی سدیم موردنیاز ممکن است. سدیم دمای یوتکتیک را تقریباً به اندازه C ْ12 کاهش می دهد و لذا انتظار می رود که ساختار ظریفتر به دلیل سرعت جوانه زنی در شرایط فوق تبریدیی به وجود آید.
کاهش دمای یوتکتیک دلیل بر آن دارد که سدیم موجب کاهش قابلیت ایجاد محل های جوانه زنی برای فازهای یوتکتیک بویژه سیلیسیم می گردد.
محاسبات شارژ Al-Si:
از آنجائی که Si در Al قابل حل نیست، از این دو عنصر، مخلوط مکانیکی می سازیم، یعنی در هر نقطه از آلیاژ Al بصورت خالص و Si بصورت خالص وجود دارد.
gr Al=90% Si=12%
Si 2%=درصد اتلاف
ریخته گری آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیم:
ابتدا Al را ذوب می کنند و دمای ذوب را بالا می برند و سیلیسیم را به دفعات به مذاب می افزایند و در نهایت استرانیسم یا سدیم به مذاب می افزایند.
بعد از مدت 10 دقیقه مذاب را در کوره نگه می دارند. این کار برای این می باشد که برای اینکه دانه ها سیلیسی را از حالت تیغه ای به گرد و کروی تبدیل کرد.
حلالیت Si در Al در دمای محیط ناچیز است (05/0%) اما در دمای 6/11=577 است.
اثر تیغه:
1-سختی و استحکام افزایش یابد.
2-سیالیت افزایش یابد
3-باعث سادگی انجماد پوسته ای می شود.
آزمایش تعیین سختی به روش برینل:
وسای مورد نیاز:
1-دستگاه سختی سنج برنیل
2-نمونه
3-میکروسکوپ میکرومتردار
در روش برنیل یک ساچمه از کاربید تنگستن یا فولاد به قطر(D) روی جسم با نیروی (P) به مدت ثابتی(10 ثانیه برای آلیاژهای آهنی و 30 تا 60 ثانیه برای آلیاژهای غیرآهنی) توسط ماشین مربوط فشار ایجاد می کند.
از تقسیم نیروی وارد بر سطح ایجاد شده(سطح عرقچین کروی) عدد سختی در این روش بدست می آید.
سختی برنیل را به اختصار با B.H.N نمایش می دهند. مقدار این سختی از رابطه ی زیر بدست می آید:
که در آن P عبارت است از نیروی وارد بر ساچمه(بار) و A سطح عرقچین کروی ایجاد شده روی فلز یا آلیاژ مورد آزمایش است.
متالوگرافی:
بررسی و مطالعه ساختار درونی فلزات و آلیاژها به منظور پی بردن به نحوه ی انجماد، ریزی و درشتی دانه ها، فازها و ساختارها و تشخیص حفره های انقباض و گازی و ترک ها در سطح قطعات می باشد.
مطالعه ی قطعات به دو صورت می باشد:
1-مطالعه ماکروسکوپی.
2-مطالعه ی میکروسکوپی
محلول های پولیش:
اکسید آلومینیوم( (Al2 O3برای فلزات آهنی؛
اکسیدمنیزیم((Mgoبرای فلزات غیرآهنی؛
اچ کردن:
این عمل باعث ایجاد یک خوردگی ضعیف توسط اسیدهای آلی- غیرآلی که با الکل معمولاً ترکیب شده اند به وجود می آید که به مدت 10 الی 15 ثانیه انجام می گیرد.
محلول های اچ برای آلومینیوم و آلیاژهای آن:
اسید نیتریک 20% + اسید کلریدریک20% +اسیدفلوریدریک10% + آب50%
آماده سازی نمونه:
ابتدا نمونه موردنظر را بریده و سپس سوهان می زنیم تا سطح آن صاف شود و بعد از آن بوسیله سمباده که از 240 تا 1200 شماره گذاری شده آنرا سمباده می زنیم تا سطح آن کاملاً صاف و صیقلی شود.
پولیش کردن:
حساسترین و مهمترین مراحل آماده سازی برای آزمایش متالوگرافی، پولیش کردن است. عمل پولیش کردن توسط دستگاه پولیش که دارای یک صفحه ی صاف و گرد می باشد و توسط الکترو موتور چرخه ی آن انجام می شود، روی صفحه ی گردان آن پارچه ی ماهوت کشیده شده است.
عمل پولیش با مواد ساینده که اکسید منیزیم برای آلومینیوم است. استفاده می کنیم.
تعداد دور صفحه ی دوار معمولاً بین 300 تا 500 دور بر دقیقه است.
در هنگام پولیش کردن حتماً آب باید از بالا به مقدار مناسب به وسط صفحه ی پولیش ریخته شود تا براده های ایجاد شده را با خود ببرد.
فشار قطعه برروی صفحه ی پولیش باید مناسب باشد. اگر فشار زیاد باشد، صفحه ی پولیش باعث خط انداختن روی قطعه می گردد.
مشاهدات آلیاژهای آلومینیوم پس از اچ کردن(متالوگرافی):
قبل از گاززدایی(قبل از اچ کردن)
بعد از گاززدایی (قبل از اچ کردن)
بعد از اچ(بدون گاززدایی)
بعد از اچ(گاززدایی شده)
بررسی انجماد جهت دار آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیوم:
انجماد:
هدف اصلی در ریخته گری، انجماد فلز یا آلیاژ در داخل قالب است. در حالی که زمان انجماد نسبت به دیگر بخش های اصلی در ریخته گری نسبتاً کوتاه است، ولی مهم ترین پدیده ای است که می تواند ساختار درونی و خواص فیزیکی و مکانیکی قطعه را با توجه به مجموعه عملیات کیفی مذاب تعیین کند. انجماد به اختصار استحاله و تغییر ساختار مایع به جامد تعریف شده است و از این رو نوعی تبدیل و یا تحویل ساختاری محسوب می شود که بر اساس کلیه تغییرات فیزیکی، ترمودینامیکی و متالورژیکی مستلزم نگرشی همه جانبه بر سه بخش است.
الف- تبلور: جوانه زنی یا تشکیل هسته جامد از فلز مایع که عبارتست از تحول ساختاری مجموعه یا مجموعه هایی از اتم های مایع به جامد.;.
ب- رشد: که عبارتست از افزایش تدریجی اتم ها از حالت مایع بر روی سطوح بلوری موجود.
پ- شرایط : که در هر صورت مستلزم مطالعه شرایط تعادلی و غیر تعادلی و تاثیر شرایط غیر تعادلی در چگونگی انجماد و قسمت های تبلور و رشد است.
هر یک از بخش های سه گانه فوق (که عملاً تفکیک بین آنها توجیه پذیر نیست) بر ساختار دانه ای، ساختار ترکیبی و فازی و به طور کلی بر ساختار ریختگی "as cast structure" که شامل ناهمگنی های دیگر نظیر مک های گازی، انقباضی و آخال نیز می باشد تاثیر کرده، خواص نهایی قطعه را تعیین می نماید. از طرف دیگر بر اساس مطالعات متعدد و متنوع تاثیر ساختار ریختگی بر عملیات بعدی قطعات نظیر ساختار حرارتی "as heat treated structure" و یا ساختار نوردی "as wrought structure" قابل ملاحظه می باشد. با توجه به مطالب فوق، مطالعه و بررسی انجماد که دامنه وسیعی از علوم را در بر می گیرد. به عنوان ضرورت اولیه در ریخته گری مطرح می شود تا با تکیه بر مبانی علمی و با توجه به مشخصات فیزیکی و گرمایی آلیاژ مذاب، مجموعه عملیات کیفی، مشخصات گرمایی، شیمیایی و مکانیکی قالب، بتوان روند انجماد و خواص نهایی محصول را پیش بینی نمود و آن را بهبود بخشید.
برای انجماد تعاریف متفاوتی به عمل آمده است که دو تعریف زیر را می توان به عنوان سرآغازی برای ورود در مبحث انجماد، انتخاب و توجیه نمود.
1- انجماد عبارتست از تشکیل هسته های یکنواخت و طبیعی از ساختار مایع و رشد تدریجی آنها که در هر حال شرایط غیر تعادلی نیز بر آن حاکم است.
در تعریف فوق، موضوع تبلور و تشکیل هسته های یکنواخت و طبیعی از مایع، با آنکه تحقیقات وسیعی را به خود اختصاص داده است، هنوز به طور جامع و همه جانبه مورد اتفاق نظر قرار نگرفته است.
2- انجماد عبارتست از رشد تدریجی بلورها با افزایش اتم از حالت مایع بر روی سطوح آنها که در زمانی معین بر آن افزوده شده و یا آنرا ترک می کنند و در هر حال تحت تاثیر شرایط غیر تعادلی نیز قرار می گیرند.
در این تعریف با توجه به پذیرش هسته های جامد، توضیح و تشریح انجماد با سهولت بیشتری انجام می شود، زیرا در اولین لحظه ای که سیستم در آغاز تغییر حالت واقع شود، فصل مشترکی پایدار بین دو مجموعه اتمی ایجاد خواهد شد که می توان انجماد را با افزایش و حرکت تدریجی اتم های مایع از سطوح انرژی بالاتر به سطح انرژی پایین تر توجیه و تعریف نمود. در مباحث مربوط به ریخته گری و در شرایط صنعتی، به دلیل وجود هسته های جامد، موضوع تبلور و جوانه زنی از اهمیت کمتری برخوردار شده و تعریف دوم با نگرشی بر فعال شدن هسته ها (هسته های غیر یکنواخت "Heterogenous nucleation" وسعت عملی بیشتری پیدا می نماید. در حالی که از نظر علمی تبلور و تشکیل هسته های یکنواخت از مایع (هسته های یکنواخت "Homogenous nucleation")، مشمول نظریه های گوناگون بوده و توجیه ترمودینامیکی آن مستلزم مطالعات مقدماتی وسیع و توضیحات کیفی و علمی است. با این وجود و با توجه به تاثیر تبلور در ساختار قطعات ریختگی در هر دو مورد باید اطلاعات کافی به عمل آید.
مکانیسم انجماد در ابتدا توسط "Tammann" بیان گردید: "که انجماد فقط یک تغییر شکل فازی است". در هنگام سرد شدن، فلز مایع مقداری انرژی از دست می دهد که در نتیجه نسبت به حالت جامد در مجموعه ناپایدارتر قرار می گیرد، در چنین حالتی، کاهش فاصله بین اتمی، کاهش ارتعاشات اتمی و افزایش نیروهای بین اتمی، موجب می شود که سرعت حرکت مستقل دو اتم همسایه نسبت به هم کاهش یافته و در نتیجه حالت پایداری با نام ساختار جامد تشکیل شود. نظریه های دیگر مبنی بر کاهش انرژی داخلی (به دلیل آزاد شدن گرمای نهان گداز) و هم چنین کاهش انتروپی و درجه حرارت است، که مجموعاً انرژی آزاد در سیستم مایع را با کاهش درجه حرارت، افزایش داده و در نتیجه تغییر حالت آنها از نظم کم دامنه به نظم پر دامنه را ایجاب می نماید. نظریه های مربوط به محاسبات تغییرات انرژی آزاد و اندازه های هسته، عموماً یکی از مشخصات تغییر حالت مایع به جامد بیان را کرده است. در هر کدام از مجموع نظریه های ابراز شده، موضوع وجود یا عدم وجود فصل مشترک، موجب تناقضات مختلف در بیان تبلور می شود. زیرا اگر نوعی تحول (تشکیل ساختار جامد) و یا تبدیل تدریجهی (رشد) در انجماد اتفاق افتد، ناگزیر باید فصل مشترک کافی برای انجام چنان تبدیل یا تحولی موجود باشد، از طرف دیگر قبول فصل مشترک به مفهوم پذیرش وجود هسته های اولیه است که توجیه تبلور و جوانه زنی را به مطالعات و بررسی های دیگر نیازمند می نماید. اولین مشکل در بیان فوق آن است که اگر فصل مشترکی وجود ندارد، لذا هیچ منطقه ای با سطح انرژی متفاوت وجود نداشته در نتیجه تغییر حالت از مایع به ساختار دیگر، مفهوم نخواهد داشت. می دانیم که در هر مجموعه اتمی، تعدادی اتم وجود دارد در سطح انرژی بالاتری نسبت به میانگین انرژی سیستم قرار دارند:
که در آن "N" تعداد دفعاتی است که در یک ثانیه یک اتم مشمول انرژی مازاد می گردد و "NQ" نیز تعداد اتم با انرژی مازاد است. با کاهش درجه حرارت، اتم های با سطح انرژی بالاتر دارای سرعت کمتری شده و تعدادی از آنها در کنار هم قرار گرفته و نوعی خوشه "Cluster" در میان مجموعه مذاب تشکیل می دهند، با کاهش بیشتر درجه حرارت، اندازه هر خوشه بزرگتر شده و در یک اندازه معین در حالتی قرار می گیرد که می تواند نوعی فصل مشترک حرارتی ناپایدار با مذاب ایجاد نماید. اتم هایی که در چنین حالتی قرار می گیرند به تدریج از درجه پایداری بیشتری برخوردار شده و تخمک "embryo" نامیده می شوند. تخمک ها حالتی شبه بلور داشته و درجه نظم پر دامنه تری نسبت به مایع دارند، با بزرگ شدن تخمک ها و افزایش انرژی آزاد درون آنها، ناگزیر اتم ها در درون خود به حالتی که سطح انرژی را کاهش دهد، استحاله می یابند که در این حال آنرا جوانه و یا هسته "nuclei" می نامند. چنین تغییر حالتی با وجود فصل مشترک حرارتی توجیه شده و در نهایت به فصل مشترک هندسی (که خود نیز نوعی فصل مشترک حرارتی است) تبدیل می شود. بدیهی است اندازه تخمک و تعداد آن در هر شرایطی، اندازه و تعداد هسته های اولیه را، تعیین می کند و از این رو در کتاب های مختلف، موضوع انجماد از طریق اندازه تخمک و یا اندازه هسته مورد مطالعه قرار گرفته است که در هر دو صورت توجیهی برای تبلور از مایع و اندازه هسته و در نهایت اندازه دانه محسوب می شود.
مادون انجماد:
هر روشی که برای توجیه و بیان تبلور از فاز مایع به کار رود، مستلزم تشریح دقیق پایداری مجازی مایع در دماهای زیر نقطه ذوب می باشد که مباحق مربوط به مادون انجماد "فوق تبرید" را در بر می گیرد. هر فلز دارای نقطه ذوبی است ["Tg" یا "Tm"] که جامد و مایع با هم در حال تعادل بوده و بالاتر و یا پایین تر از آن نقطه به ترتیب جامد یا مایع پایدار نیستند. با تجربه ثابت شده است که یک مایع را می توان در دماهای بسیار پایین تر از نقطه ذوب تعادلی خود پایدار نگاه داشت، به طور مثال نیکل و یا آلومینیم را می توان در تحت شرایط مناسب تا 250 و 150 درجه سانتی گراد پائین تر از نقطه ذوب آنها برای زمان نامحدود به صورت مذاب نگهداری نمود. بدیهی است در چنین شرایطی ذرات جامد در مذاب حضور نداشته و مذاب در شرایط پایداری مجازی "metastabe" قرار دارد. پایداری مجازی مذاب در دماهای زیر نقطه ذوب در تحت شرایط مادون انجماد "supper cooling = undrcooling" انجام می گیرد.
در هر درجه حرارت پائین تر از دمای ذوب، انرژی آزاد سیستم جامد کمتر از مایع است، که از نظر ترمودینامیکی تعریف و اثبات شده و از این رو تغییر و تبدیل مایع به جامد در دماهای پائین تر از دمای تعادلی، تغییراتی طبیعی است. ولی سوال اصلی این است که چرا چنین تغییراتی به صورت حقیقی انجام نمی گیرد. به آن گونه که قبلاً توضیح داده شد، انجماد وقتی حاصل می شود که شرایط رشد بلورهای جامد فراهم شود، و لذا تبدیل ساختار مایع به جامد، بدواً باید در شرایط تشکیل بلورهای بسیار کوچک بررسی گردد. هرگاه هسته جامد کروی و به شعاع "r" فرض شود، تغییرات "dr" (بزرگ شدن هسته). مستلزم اعمال فشار "dp" است.
55