با توجه به اینکه اساس موضوع پروژه بر پایه عملیات حرارتی رسوب سختی1 می باشد لازم است برای درک آسان مطالب توسط مخاطب، مقدماتی راجع به این عملیات بیان شود. توضیح بیشتر در مورد این عملیات حرارتی در ادامة مباحث آورده خواهد شد.
برای افزایش استحکام و سختی یک آلیاژ، تنها دو روش اصلی وجود دارد: کارسرد یا عملیات حرارتی. مهمترین فرآیند عملیات حرارتی برای آلیاژهای غیر آهنی پیر سختی یا رسوب سختی است. برای استفاده از این روش، باید دیاگرام تعادلی دارای حلالیت جزئی در حالت جامد باشد و شیب خط انحلال بصورتی باشد که قابلیت انحلال در درجه حرارتهای بالاتر بیشتر از قابلیت انحلال در درجه حرارتهای پایین تر باشد.
پیر سختی یکی از روش های استحکام بخشی به مواد فلزی با اضافه کردن ذره های سخت و کاملاً پراکنده به آن است. با انتخاب مناسب عناصر آلیاژی اضافه شونده و عملیات گرمایی، می توان توزیع مناسبی از رسوب حالت جامد فاز دوم را در زمینه ای که آن رسوبات را درخود حل کرده است پدید آورد. اگر با این عمل فلز استحکام یافت آن را رسوب سختی می نامند که روشی قابل استفاده در سطحی وسیع برای استحکام بخشی مواد فلزی است.
بطور کلی در عملیات حرارتی پیر سختی (رسوب سختی) سه مرحله وجود دارد:
1)عملیات حرارتی انحلالی1 (محلول سازی) در دمای نسبتاً بالا در ناحیه تک فازی به منظور حل شدن عناصر آلیاژی
2)کوانچ(آبدهی)2 تا دمای محیط برای بدست آوردن محلول جامد فوق اشباع از این عناصر در آلومینیوم
3)پیر سازی3 (تجزیه کنترل شدة محلول جامد فوق اشباع برای تشکیل رسوبات ریز و پراکنده در زمینه فلز)
آلیاژ پس از اینکه در یک مدت مشخص تا یک دمای مشخص در منطقة تکفازی حرارت داده شد، در آب سریع سرد می شود. حال آلیاژ کوانچ شده، یک محلول جامد فوق اشباع است و بنابراین در یک حالت ناپایدار قرار دارد، بطوری که اتم محلول اضافی، تمایل دارد که از محلول خارج شود. منظور از انجام عملیات حرارتی محلول سازی، حصول انحلال کامل عناصر آلیاژی است. در مرحلة سوم از عملیات حرارتی پیر سختی، به تجزیة کنترل شدة محلول جامد فوق اشباع عناصر آلیاژی اصلی در آلومینیوم برای تشکیل رسوبات ریز و پراکنده در زمینه آلومینیوم پرداخته می شود . به عبارتی مرحلة پیر سازی، اجازه دادن به فاز استحکام دهنده جهت رسوب از محلول جامد فوق اشباع می باشد اگر این عملیات در دمای محیط و در حالت خود به خودی و به عبارتی بدون عملیات گرمایی انجام شود به آن عملیات پیرسازی طبیعی[1] گفته می شود اما اگر این عملیات با حرارت دادن قطعه در دماهای پایین انجام شود به آن عملیات حرارتی پیرسازی مصنوعی[2] نسبت داده می شود.
در واژگان تخصصی عملیات حرارتی ، T6 و T4 به ترتیب به آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر پیر سخت شدة مصنوعی و طبیعی آلومینیوم اطلاق می شود.
آلومینیوم:
آلومینیوم به عنوان یک فلز استراتژیک در پیشرفت و توسعه کشورهای مختلف جهان نقش موثری را ایفا نموده است. آلومینیوم سومین عنصر از لحاظ فراوانی (%8 ) در پوسته زمین بعد از اکسیژن(%47) و سیلیس (%28) می باشد. این عنصر در طبیعت بصورت خالص یافت نشده و اغلب بصورت ترکیبات سیلیکاته و مخلوط با سایر اکسیدها می باشد که اولین بار در سال 1808 توسطSir Humphry Davy بصورت خالص بدست آمد و لذا فلز جوانی محسوب می گردد. آلومینیوم و آلیاژهای آن دارای قدرت نسبتاً کوتاهی به عنوان یک ماد ه صنعتی می باشند. با این حال به علت انواع خواص مورد نیاز صنعت مدرن که در آلومینیوم یافت می شود مصرف و تولید آن هر سال در حال افزایش است و آینده وسیع و پیشرفته ای برای آن پیش بینی می گردد. تا قبل از جنگ جهانی دوم آلومینیوم بیشتر به عنوان وسائل و ظروف آشپزخانه معرفی شده و مصرف آن در کابل های انتقال الکتریسته با ولتاژ زیاد نیز توسعه یافته بود، ولی در خلال جنگ نیاز به طرح های جدید هواپیما و آلیاژهای پر استحکام، توسعه و مصارف جدید آلومینیوم را سرعت بخشید. پس از جنگ نیز مصارف شهری- صنعتی آلومینیوم گسترده گشت و امروزه این فلز به عنوان یک ماده اولیه مهم صنعتی محسوب شده و در بازار جهان مانند فولاد و در واقع پس از فولاد مهمترین ماده مصرفی می باشد.
روش های تولید آلومینیوم:
1)روش الکترولیز کلرید آلومینیوم:
ابتدا وهلر آلومینیوم خالص را به وسیله الکترولیز کلرید آلومینیوم در مجاورت پتانسیل تولید نمود (سال 1829 م). دویل سدیم را جانشین پتاسیم نمود که نتیجه آن ساخت اولین کارخانه تولید آلومینیوم با ظرفیت بسیار پایین بود. این دو روش بسیار پر هزینه بودند و همین امر باعث شده بود که آلومینیوم همانند طلا و نقره ارزش پیداکند.
2)روش الکتروترمیک:
در این روش اکسید آلومینیوم توسط کربن در دمای بالاتری از نقطة ذوب 3 O2 AL احیا می شود. آلومینیومی که بدین روش تولید می شود، حاوی مقداری کربن می باشد. این عملیات معمولاً در کورة قوسی صورت می گیرد.
AL 2 +CO 3 C 3 + 3 O2 AL
3)روش هال-هرولت:
در سال 1886 میلادی پال هرولت و چارلز هال بطور مستقل فرآیندی را که طی آن آلومینا در کریولیت مذاب حل و به طور الکترو شیمیایی تجزیه شده و در نتیجه آلومینیوم مذاب تولید می گردد را ارائه نمود. تا کنون هیچ راه مناسبتری نتوانسته جایگزین این فرآیند گردد و امروزه این روش تنها روش تولید آلومینیوم می باشد.
جدا از این سه روش روش ذکر شده قدم اول در تولیدآلومینیوم ، ذوب مجدد است. ابتدا کوره ها را با آلومینیوم مذابی که مستقیماً از سلول های احیا می آید و یا با شمشی که باید ذوب شود پر می کنند. عناصر آلیاژی اصلی شمش و قراضه افزوده می شود. فلز مذاب در کورة ذوب مجدد با برداشت سرباره تمیز میشود. همچنین مذاب به منظور حذف هیدروژن گازی حل شده، با گاز کلر گاز زدایی می شود. پس از گاز زدایی و تمیز کردن فلز، با گذاشتن توری سیمی ریخته گری انجام می شود. انواع شمش ها مثل شمش ورق و شمشال آهنگری معمولاً از طریق ریخته گری مستقیم در قالب فلزی ریخته می شود و در این فرآیند، فلز مذاب را در قالبی که با آب سرد می شود می ریزند. بلافاصله بعد از اینکه انجماد فلز شروع شد انتهای قالب را پایین می آورند به طوری که فلز به صورت مداوم در شمش هایی با حدود 14 فوت طول ریخته شود.
تولید آلیاژ کارپذیر آلومینیوم از طریق ریخته گری در فرآیند تبرید مستقیم (DC)1:
معمولاً شمش ها را از طریق فرآیند عمودی، که در آن آلیاژ مذاب بداخل یک تا چند قالب ثابت آب سرد شونده که دارای مقاطع چهار گوش هستند ریخته می شوند، تولید می کنند فرآیند انجماد در دو مرحله انجام می شود. تشکیل فلز جامد در دیواره سرد شده قالب و انجماد باقی مانده مقطع بیلت از طریق جذب حرارت توسط سرد کننده های پا ششی. مقطع شمش تولیدی مورد نیاز برای نورد یا آهنگری بعدی ممکن است بصورت چهار گوش و برای اکتروژن بشکل گرد باشد و در هر دو مورد ممکن است وزن آن ها به چند تن برسد.
همگن کردن شمش ها:
قبل از تبدیل شمش های DC به محصولات و شکل های واسطه ای، لازم است این شمش ها را در دماهای بالا همگن کرد تا جدایش را کاهش داد و مقدار یوتکتیک های غیر تعادلی نقطة ذوب پایین را که ممکن است باعث ترک خوردن شمش درخلال عملیات بعدی شود کم کرد. در این ارتباط مشخص شده است که مدت زمان همگن کردن در هر دمای معین نسبت عکس با مجذور فاصله شاخه های دندریتی در شمش دارد. عمل همگن کردن مخصوصاً در مورد آلیاژهای پر استحکام اهمیت زیادی دارد . زیرا این فرآیند به عنوان عمل رسوب گذاری و توزیع مجدد ترکیبات بین فلزی بسیار ریز فلزات واسطه ای مانند نیز محسوب می شود. این فلزات واسطه در خلال سریع سرد شدن شمش ریختگی DC ممکن است در آلومینیوم بصورت فوق اشباع در آیند که در آن صورت لازم است بصورت ترکیبات ریزی که یکنواخت توزیع شده اند در آیند تا ساختار دانه ای را کنترل کنند. به علاوه امروزه مشخص شده است که این ذرات ممکن است از طریق تاثیر بر روی عکس العمل آلیاژ به عملیات پیر کردن و نیز تاثیر بر روی ریز ساختار نابجاییهای تشکیل شده در خلال تغییر شکل تاثیر قابل توجهی بر انواع خواص مکانیکی بگذارد.
دانلود پروژه عملیات حرارتی رسوب سختی