عملیات حرارتی آلومینیوم به هر نوع عملیات حرارتی اشاره دارد که به منظور تغییر ویژگی های مکانیکی و ساختار متالوژیکی فلز آلومینیوم انجام می شود. هنگامی که این اصطلاح در آلیاژهای آلومینیوم به کار گرفته می شود استفاده از آن اغلب به عملیات خاصی محدود می شود که برای افزایش استحکام و سختی آلیاژهای ریختگی و کار شده استفاده می شود.
آلیاژهای آلومینیوم در طیف وسیعی از خواص با دو گروه اصلی عرضه می شوند: آلیاژهای غیر قابل عملیات حرارتی – آلیاژهایی که استحکام/خواص مکانیکی آنها با کار سرد (نورد، اکسترود و غیره) به دست می آید. گاهی اوقات آلیاژهای سخت کاری نامیده می شود و با حرف H نشان داده می شود.
آلیاژهای قابل عملیات حرارتی – آلیاژهایی که استحکام/خواص مکانیکی آن ها با عملیات حرارتی و به دنبال آن خنک شدن و پیری طبیعی یا مصنوعی به دست می آید. این نوع آلیاژ ها با حرف T نشان داده می شود.
عملیات حرارتی آلومینیوم و انواع آن
به منظور حصول خواص دلخواه بر روی آلیاژهای کارپذیر و ریختگی پروفیل آلومینیوم عملیات های متفاوتی صورت میگیرد که در زیر به آن ها اشاره می شود.
آنیل Anneal
برای آلیاژهای مورد استفاده در محصولات آلومینیومی و پروفیل آلومینیوم عملیات حرارتی پذیر و همچنین غیر عملیات حرارتی پذیر به منظور حذف تنش داخلی، کار سرد صورت می گیرد.
نسبت نرم سازی آلیاژ وابسته به دما خواهد بود، متناسب با دما، زمان لازم برای آنیل می تواند از چندین ساعت در دمای کم به چندین ثانیه در دماهای زیاد تغییر کند.
آنیل کامل Annealing Full
بیشترین مقدار شکل پذیری و نرمی، بیشترین شرایط کار پذیر در آلیاژهای آلومینیوم عملیات حرارتی پذیر و یا غیر قابل عملیات حرارتی به وسیله ی عملیات حرارتی آنیل کامل بوجود می آید.
در این حالت آلیاژ تحت عملیات تمپر (برگشت) به صورت نرمال کریستال سازی مجدد می شوند.
آنیل تنش زدایی Annealing Relief Stress
برای آلیاژهای کار شده ی قابل عملیات حرارتی، عملیات آنیل فقط به حذف تاثیرات مرتبط به منحنی کشش منجر می شود بنابراین به آنیل تنش زدایی تاکید می شود.
عملیات آنیل تعریف شده برای تنش زدایی آلومینیوم در پروفیل آلومینیوم درجه حرارت های حدود 345 درجه سانتی گراد را به کار می گیرند. البته این امر ممکن است فقط به اصلاح و بهبود کریستال فلزی جزیی و یا کامل نتیجه دهد.
آنیل مربوط به ریخته گری ها Casting of Annealing
عملیات آنیل مربوط به ریخته گری ها عموما برای 2 تا 4 ساعت و در درجه حرارت 513 تا 543 درجه ی سانتی گراد انجام می شود.
عملیات حرارتی آلومسخت سازی رسوبی Hardening Precipitation
از این عملیات برای افزایش استحکام و سختی آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری کار شده با مکانیزم سخت سازی رسوبی استفاده می شود. حروف مختلفی که بعد از نام آلیاژ قرار می گردد به معنای انجام گرفتن عملیاتی خاص بر روی آن می باشد که در زیر به آن ها اشاره می شود.
F: یعنی هیچ فرآیند اضافی برای سخت کاری و بهبود خواص استحکام آلیاژ انجام نشده است.
O: آنیل یا نرم سازی با گرم کردن و سرد کردن به صورت کنترل شده.
H: سخت کاری کرنشی یا کار سخت شده با روش کار سرد.
T: محصول تحت عملیات حرارتی پیر سختی و گاها در عملیات کار سرد قرار گرفته است.
علایم اختصاری عملیات حرارتی آلومینیم
T1 : به طور طبیعی پیر سازی می شود. محصول از دمای بالا شکل دهی سرد می شود و پس از یک حالت اساسا پایدار به طور طبیعی پیر سازی می شود.
T2 : سرد شده از یک فرآیند شکل دهی با دمای بالا + کار سرد + پیرسازی طبیعی در یک شرایط اساسا پایدار
T3 : عملیات حرارتی انحلال + کار سرد + پیرسازی طبیعی در یک شرایط اساسا پایدار
T4 : عملیات حرارتی انحلال + پیرسازی طبیعی در یک شرایط اساسا پایدار
T5 : سرد شده از یک فرآیند شکل دهی با دمای بالا + پیرسازی مصنوعی
T6 : عملیات حرارتی انحلال + پیرسازی مصنوعی
T7 : عملیات حرارتی انحلال + پایدار سازی
T8 : عملیات حرارتی انحلال + کار سرد + پیرسازی مصنوعی
T9 : عملیات حرارتی انحالل+ پیرسازی مصنوعی + کار سرد
T11 : سرد شده از یک فرآیند شکل دهی با دمای باال + کار سرد + پیرسازی مصنوعی
عناصر و تاثیر آن ها در آلیاژهای آلومینیوم در عملیات حرارتی پروفیل آلومینیوم
به طور کلی لغت آلیاژ به معنی افزودن یک یا چند عنصر یا ترکیبی از آنها به فلز پایه برای دستیابی به یک سری خواص خاص می باشد. تغییر خواص ناشی از افزودن این عناصر بسته به نوع عنصر پایه و عناصر آلیاژی اضافه شده می تواند منحصرا وابسته به یک عنصر یا ترکیبی از عناصر اضافه شده باشد. از آن جا که استحکام و سختی فلز خالص همیشه کمتر از آلیاژهای آن فلز می باشد عموما از فلزات به صورت آلیاژی استفاده می شود و از فلز خالص معمولا در کاربردهای ویژه استفاده می شود.
آلومینیوم با دارا بودن آلیاژهای مختلف با ترکیب و خواص متفاوت در محدوده کاربردی فراوانی توانسته است ایفای نقش کند. به همین دلیل امروزه پروفیل آلومینیوم یکی از پر کاربردترین ابزار آلات در صنایع مختلف هستند. معمولا هرچه فلز خالص تر باشد استحکام آن کمتر ولی نرمی و پایداری شیمیایی آن زیادتر است. اگرچه آلیاژهای آلومینیوم دارای استحکامی بیشتر از آلومینیوم خالص هستند. اما این استحکام برای کاربردهایی که تحت تنش های بالا هستند کافی نیست لذا این آلیاژها نیز نیاز به افزایش استحکام بیشتری دارند. به همین دلیل از روش های مختلف استحکام آنرا افزایش میدهند.
روش های مختلف افزایش استحکام آلومینیوم
کرنش سختی (کار سختی)
کار سختی اصطالحی است که برای مفهوم سخت شدن و افزایش استحکام فلز دراثر فرایندهای کار سرد مثل: نورد،کشش،پرس و … عنوان میگردد.
عملیات حرارتی انحلال-پیر سختی
یک نوع عملیات حرارتی است که بر روی آلیاژهای آلومینیوم انجام میپذیرد و باعث افزایش استحکام و سختی قطعه میشود. هریک از این روش ها از طریق مکانیزم خاص خود استحکام فلز را افزایش می دهند.
ترکیبی از عملیات حرارتی پیر سختی و آلیاژسازی توانسته است استحکام آلومینیوم را به حدی برساند که در برخی موارد جایگزین فولاد شود. قبل از بررسی مشخصات آلیاژهای آلومینیوم لازم است تا تاثیر هر عنصر به صورت منفرد بر خواص فلز پایه آلومینیوم بررسی گردد.
تاثیر عناصر آلیاژی در عملیات حرارتی
هر یک از عناصر آلیاژی به تنهایی یا در حضور سایر عناصر خواص ویژه ای را به آلومینیوم می دهد. تاثیر هر یک از عناصردرحالتی که به تنهایی به فلز پایه آلومینیوم افزوده گردد را به صورت زیر میتوان دسته بندی کرد:
(CU) مس : بیشترین مقدار مس که در آلیاژهای آلومینیوم مورد استفاده قرار گرفته است حدود 4 تا 1۱ درصد میباشد. مس باعث بهبود استحکام و سختی در حالت ریختگی و عملیات حرارتی شده می گردد.آلیاژهای دارای 4 تا ۶ درصد مس،بسیار عملیات حرارتی پذیرند.مس عموما مقاومت به خوردگی و در برخی ترکیبات شیمیایی حساسیت به خوردگی ناشی از تنش را کاهش می دهد. افزودن مس مقاومت به ترک گرم و قابلیت ریخته گری را کاهش می دهد.
(Si) سیلیسیم : سیلیسیم باعث بهبود شرایط ریخته گری میشود و شدیدا سیالیت،مقاومت به ترک گرم و خاصیت مذاب رسانی آلومینیوم را بهبود میبخشد. خانواده آلیاژهای آلومینیوم-سیلیسیوم کاربرد بسیار زیادی در صنعت دارد و به صورت یو تکتیک و هیپو یوتکتیک و هایپر یوتکتیک تا 23 درصد سیلیسیم مصرف می شوند. به طور کلی مطلوب ترین مقدار سیلیسیم برای قطعات ریختگی در فرایندهای توام با سرعت سرد شدن آهسته نظیر ریخته گری در ماسه ، ریخته گری دقیق و نیز ریخته گری گچی بین 3-۷ درصد،بین قالب های دائمی بین ۷-۹ درصد و در ریخته گری تزریقی بین ۸-12 درصد میباشد.
(mg) منیزیم : این عنصر اساس بهبود استحکام و سختی در آلیاژهای آلومینیوم-سیلیسیم عملیات حرارتی پذیر میباشد و عموما در آلیاژهای آلومینیوم – سیلیسیم به همراه سایر عناصر نظیر مس و نیکل به همین منظور مورد استفاده قرار میگیرد. آلیاژآلومینیوم-سیلیسیم دارای منیزیمی بین ۱٫۱۷ تا ۱٫4 درصد هستند.آلیاژهای 2 تایی آلومینیوم منیزیم به طور گسترده در کاربرد هایی که نیاز به سطح تمام شده روشن و مقاومت خوردگی و همچنین ترکیبی از استحکام و شکل پذیری دارند مورد استفاده قرار میگیرد.
(zn) روی : روی به تنهایی اثر چندان مفیدی بر آلومینیوم ندارد.ولی همراه با مس و یا منیزیم باعث ایجاد خواص جالب عملیات حرارتی و پیر سختی طبیعی میگردد.روی بیشتر در ترکیبات شیمیایی آلیاژهایی که از طریق دایکست و ریخته گری ثقلی تهیه میشوند، یافت میشود.
(sn) قلع : این عنصر به طور موثر خاصیت ضد اصطکاکی را بهبود میبخشد و بنابراین برای کاربردهای یاتاقانی مفید میباشد. آلیاژهای ریختگی ممکن است تا 23 درصد قلع داشته باشند.افزایش قلع همچنین باعث بهبود خاصیت ماشینکاری می شود.قلع ممکن است در بعضی آلیاژها عمل رسوب سختی را تحت تاثیر قرار دهد.
(pb) سرب : وجود سرب در آلیاژهای ریختگی آلومینیوم در مقادیر بیش از ۱٫1 درصد باعث بهبود خاصیت ماشین کاری می شود.
(Fe) آهن : این عنصر مقاومت به ترک گرم را بهبود داده و چسبیدن قطعه به قالب یا به عبارتی جوش خوردن قطعه به قالب در ریخته گری تزریقی را کاهش میدهد.افزایش زیاد آهن باعث کاهش فرم پذیری میشود.آهن با سایر عناصر در مذاب واکنش داده و باعث ایجاد ترکیبات بین فلزی و یا فازهای غیر محلول در مذاب آلومینیوم میشود که وجود این فازها استحکام در دماهای کاربردی باال را بهبود میبخشند.افزایش آهن که باعث فازهای غیر محلولی میگردد موجب کاهش خاصیت سیالیت و مذاب رسانی میشود. آهن همراه با سایر عناصر نظیر منگنز و کروم ترکیبات بین فلزی پیچیده و یا لجن تولید می کند.
(Mn) منگنز : عنصر منگنز در مقادیر کم برای کنترل اثر تخریبی آهن به صورت فازهای شکننده و ترد به کار میرود.مقدار منگنز در حدود نصف درصد آهن می باشد. منگنز به عنوان عنصر آلیاژی در ترکیبات آلیاژهای کار پذیر به کار میرود.
(Cr) کروم : افزودن کروم باعث ایجاد ترکیبات بین فلزی و چونCrAl۷ میشود. این ترکیبات حلالیت بسیار کمی در حالت جامد دارند و از رشد دانه جلوگیری می کنند. کروم در برخی از آلیاژها مقاومت به خوردگی را بهبود داده و در موارد دیگر حساسیت به سریع سرد شدن را افزایش می دهد.
(Ni) نیکل : این عنصر همراه با مس مقاومت در درجه حرارت باال را افزایش داده و همچنین ضریب انبساط حرارتی را کاهش می دهد.
(p) فسفر : فسفر به صورت 5AlP باعث جوانه زنی و ریز شدن فاز سیلیسیم اولیه در آلیاژهای هایپر یوتکتیک آلومینیوم-سیلیسیم می شود. فسفر اثر اصلاح سازی سدیم و استرانسیم را از بین میبرد.
(Ti) تیتانیم : این عنصر برای ریز کردن ساختار در آلیاژهای ریختگی آلومینیوم به کار می رود و معموال همراه با مقادیر کمی از بور استفاده می شود.
آنتیموان (Sb) و سدیم (Na) : هردوی این عناصر در مقادیر کم در حدود ۱٫۱3 درصد جهت اصالح و بهسازی سیلیسیم در آلیاژهای آلومینیوم-سیلیسیم بکار میرود.
عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم برای پروفیل های آلومینیوم
در آلیاژهای آلومینیوم ، عملیات حرارتی برای آلیاژهای معینی بکار می رود که که می توان با آن استحکام و سختی را افزایش داد. این آلیاژها را عملیات حرارتی پذیر treatable Heat می گویند. در برابر این آلیاژهایی وجود دارند که با سیکل های حرارتی و سرد کردن نمی توان استحکام آنها را افزایش داد. برای مشخص کردن و تمییز قائل شدن با آلیاژهای قبلی، این آلیاژهای راعملیات حرارتی ناپذیر (reatable heat-None) می نامند.
تنها روش استحکام این آلیاژها، انجام کار سرد است. حرارت دادن هر دو نوع آلیاژ تا دمای مشخص برای افزایش داکتیلیتی و کاهش استحکام (آنیل) متداول بوده و با توجه به درجه نرم شدن ، واکنش های متالورژیکی مختلفی در ریزساختار رخ می دهند خاصیت بسیار مهم در سیستم های آلیاژی رسوب سختی شونده ، وابستگی قابلیت انحلالی تعادلی به دما است که با افزایش درجه حرارت ، قابلیت انحلالی نیز افزایش می یابد. این رفتار در اکثر سیستم های دوتایی آلومینیوم مشاهده می شود هرچند که در برخی از آلیاژهای آن رسوب سختی کمتری دیده می شوند که همان آلیاژهای عملیات حرارتی ناپذیر را تشکیل می دهند. به عنوان مثال، در آلیاژهای با سیستم دوتایی-Al Mn-Al,Si ،خواص مکانیکی بعد از عملیات حرارتی افزایش نمی یابد با این وجود رسوبات قابل توجهی تشکیل می شود.
رابطه دما – انحالل
رابطه دما – انحالل برای سیستم های رسوب سختی Cu-Al توضیح داده می شود.قابلیت انحلال مس در آلومینیوم با افزایش دما افزایش می یابد.(۱223 ۵ در دمای 23۱ C به حداکثر 32۶3 ۵ در 34۸ C دمای یوتکیتیک) در آلیاژهای Cu-Al که دارای ۱22-32۶ ۵ مس هستند، دو حالت تعادلی مجزا وجود دارند. در دماهای بالای منحنی solvus مس کامال حل می شود و اگر در این دما نگه داشته شود و با فرض کافی بودن زمان ، مس کامال وارد محلول جامد می شود. و در دماهای کمتر از solvus حالت تعادلی از دو فاز تشکیل می شود.محلول جامد α و فاز ترکیب بین فلزی (Al2Cu(Ө اگر چنین آلیاژی که در دمای بالای solvus کامال بصورت محلول جامد است تا مای زیر این دما سرد شود محلول جامد فوق اشباعی
تشکیل می شود .در این حالت آلیاژ شرایط تعادلی دو فازی را دنبال می کند و فاز دوم تمایل دارد که با رسوب در حالت جامد تشکیل شود.
آلیاژهای غیر قابل عملیات حرارتی آلومینیوم :
در میان آلیاژهای کار پذیر آلومینیوم، آلیاژهای آلومینیم -منگنز (xxx 5)و آلیاژهای آلومینیوم-منیزیم
(xxx 3 )قابلیت انجام عملیات حرارتی را ندارند.
آلیاژهای آلومینیم –منگنز :
حلالیت منگنز در آلومینیم 12۸2 درصد است ولی مقدار منگنز در آلیاژ های آلومینیوم برابر با 1223 درصد
است. علت این اختالف حضور آهن به عنوان ناخالصی است که باعث کاهش حاللیت می شود.
تنها آلیاژ پر مصرف آلومینیم – منگنز، آلیاژ 5۱۱5 است. افزودن منگنز به آلومینیوم از طریق تشکیل محلول جامد و
توزیع ظریف رسوب های نامحلول، استحکام آن را افزایش می دهد. افزدون یک درصد منیزیم منجر به
افزایش بیشتر استحکام می شود. آلیاژ های گروه 5xxxدارای استحکام متوسط، انعطاف پذیری باال و
مقاومت خوردگی مطلوبی هستند. این آلیاژ ها برای ساخت قوطی های نوشابه، وسایل آشپزخانه و پخت و پز
به کار می روند .
آلیاژهای آلومینیم-منیزیم :
آلومینیم و منیزیم در محدوده وسیعی از ترکیب شیمایی تشکیل محلول جامد می دهند و آلیاژ های
کارپذیری تولید می کنند
که حاوی ۱2۸ الی 3 درصد منیزیم است. مستحکم ترین آلیاژ این گروه 343۶
است که استحکام کششی آن برابر با 51۱ مگا پاسکال است.
اگر در این آلیاژها مقدار منیزیم بیش از 4-5 درصد باشد، فاز βیا Mg3Al۸ روی مرز دانه ها و نوارهای لغزشی رسوب می کند
.
و همین موضوع منجر به خوردگی بین دانه ای و ایجاد ترک در اثر خوردگی تنشی می شود.
افزودن کروم و منگنز می تواند از این مسئله جلوگیری کند.
این آلیاژ ها در بدنه کامیون ها، مخازن بزرگ حمل بنزین، شیر و دانه های غالت،
مخازن تحت فشار (به خصوص در دما های پایین) ، بدنه قایق های کوچک و کشتی های اقیانوس پیما مورد
استفاده قرار می گیرند.
آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر آلومینیوم :
در میان آلیاژهای کار شده آلومینیم، آلیاژهای سری xxx2 ،۶xxx ،۷xxx قابلیت انجام عملیات حرارتی
را دارند.
آلیاژهای آلومینیم-مس و آلومینیم-مس-منیزیم در عملیات حرارتی :
تغییراتی که در حین پیر کردن آلیاژهای آلومینیوم – مس رخ می دهد، بسیار بیشتر از سایر آلیاژ ها مورد
توجه قرار گرفته است، اما تنها چند آلیاژ تجاری بر پایه این سیستم وجود دارد.
آلیاژ 2۱11 قابلیت ماشین کاری خوبی دارد ولی امروزه آلیاژ 221۹ به علت خواص مناسب تر، جای آلیاژ 2۱11 را گرفته است.
آلیاژ 221۹ دارای خواص کششی باال، استحکام خزشی خوب و چقرمگی زیادی است.
آلیاژهای آلومینیم – مس – منیزیم در سال 1۹۱۶ ،به طور اتفاقی در برلین ساخته شدند و تحقیقات انجام
شده روی این آلیاژ منجر به پیدایش آلیاژ دورآلومین شد.
معمولا این آلیاژ ها و سایر آلیاژ های گروه 2xxx به وسیله روش نوردی با آلومینیم یا آلیاژ آلومینیم – روی پوشش داده می شوند تا مقاومت به خوردگی
مطلوبی را ایجاد کنند. در یک استحکام کششی برابر، آلیاژهای گروه 2xxx از آلیاژ های گروه ۷xxx
چقرمگی شکست پایین تری را نشان می دهند.
دلیل این مسئله، اندازه بزرگ ترکیبات بین فلزی در آلیاژ
های 2xxx است. با کاهش مقادیر آهن، سیلیسم و مس، چقرمگی شکست و انعطاف پذیری بهبود می یابد.
این آلیاژ ها در هواپیما و صنایع اتومبیل سازی به کار می روند.
آلیاژهای آلومینیم-منیزیم-سیلیسیم در عملیات حرارتی :
آلیاژهای آلومینیم – منیزیم – سیلیسیم به عنوان آلیاژ های ساختمانی به کار می روند. این آلیاژ ها دارای
خواص جوش پذیری، مقاومت در برابر خوردگی و خوردگی تنشی هستند. این آلیاژ ها بیشتر به صورت
اکسترود شده به کار می روند.
آلیاژ های این گروه به سه دسته تقسیم بندی می شوند:
1 -آلیاژهایی با مقدار منیزیم و سیلیسیم بین ۱2۸ تا 122 درصد که به آسانی اکسترود می شوند. محصول
خروجی از اکستروژن قابلیت کوئنچ دارد و نیاز به عملیات محلول سازی جداگانه نیست.
2 -آلیاژهای دو دسته دیگر حاوی مقادیر منیزیم و سیلیسم بیش از 124 درصد هستند. این آلیاژ ها پس از
اکسترود شدن به عملیات محلول سازی و کوئنچ نیاز دارند.
5 -آلیاژهای دسته سوم دارای مقدار سیلیسمی بیش از مقدار مورد نیاز برای تشکیل Mg2Si هستند.
افزایش
مقدار سیلیسم منجر به ریز شدن اندازه ذرات Mg2Si و رسوب سیلیسم می شود و به پیرسختی کمک
زیادی می کند.
آلیاژهای آلومینیم-روی-منیزیم و آلومینیم-روی-منیزیم-مس :
آلیاژهای آلومینیم – روی – منیزیم در میان کلیه آلیاژ های آلومینیم بیشترین پتانسیل پیرسختی را دارند.
در آلیاژ های پر استحکام این گروه از مس به مقدار کمتر از ۱25 درصد، برای افزایش مقاومت به خوردگی
تنشی استفاده می شود. آلیاژ هایی که فاقد مس یا دارای مقادیر اندکی مس هستند، به آسانی جوشکاری
می شوند. این آلیاژ ها در دمای محیط به طور قابل مالحظه ای پیرسخت شده و محدوده وسیع دمایی برای
عملیات محلول سازی آن ها وجود دارد. بنابراین در هنگام جوشکاری، استحکام آلیاژ بازیابی می شود و نیاز
به عملیات حرارتی دیگری نیست.
آلیاژهای آلومینیم – روی – منیزیم در ابتدا برای ساخت پل های نظامی سبک مورد استفاده قرار گرفتند.
امروزه برای کنترل ساختار این آلیاژها از عناصر کروم، منگنز و زیرکونیوم استفاده می شود.
آلیاژهای آلومینیم – روی – منیزیم – مس بیشترین میزان پیرسختی را از خود نشان می دهند.
نیاز صنایع نظامی به استفاده از آلیاژ های هواپیمایی که نسبت استحکام به وزن آن ها باال باشد، در
نهایت منجر به تولید آلیاژهای گروه Cu-Mg-Zn-Al شد. آلیاژ ۷۱۷3 شناخته شده ترین آلیاژ این گروه
است.
