انواع عملیات حرارتی آلومینیوم

انواع عملیات حرارتی آلومینیوم : عملیات حرارتی به فرایند گرم و سرد کردن فلزات جامد جهت دستیابی به خواص مکانیکی مطلوب اطلاق می شود.

عملیات حرارتی با سه هدف متفاوت ایجاد می شود:

• افزایش استحکام و سختی آلیاژهای آلومینیوم
• افزایش قابلیت شکل پذیری و نرم شدن آلیاژهای آلومینیوم
• حذف تغییرات ایجاد شده هنگام فرایند جوشکاری، ماشین کاری، نورد کاری و....

روش های عملیات حرارتی مختلف فلزات

انواع عملیات حرارتی آلومینیوم

به منظور حصول خواص دلخواه بر روی آلیاژهای کارپذیر و ریختگی آلومینیوم عملیات ها متفاوتی صورت می گیرد که در زیر به صورت جزیی به آن ها اشاره می شود.

آنیل (Anneal): برای آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر و همچنین غیر عملیات حرارتی پذیر به منظور حذف تاثیرات ویژه ی 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  (Full Annealing): بیشترین مقدار شکل پذیری و نرمی، بیشترین شرایط کارپذیری در آلیاژهای آلومینیوم عملیات حرارتی پذیر و یا غیر قابل عملیات حرارتی به وسیله  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 (Stress Relief Annealing) : برای آلیاژهای کار شده قابل عملیات حرارتی، عملیات آنیل صرف فقط به حذف تاثیرات مرتبط به منحنی کشش منحر می شود، بنابراین به آنیل تنش زدایی تاکید می شود. عملیات آنیل تعریف شده برای تنش زدایی آلومینیوم درجه حرارت های حدود 345 درجه سانتی گراد را به کار می گیرند و البته این امر ممکن است فقط به اصلاح و بهبود کریستال سازنده جزیی و یا کامل نتیجه دهد.

آنیل مربوط به ریخته گری ها (Annealing of Casting): عملیات آنیل مربوط به ریخته گری ها عموما برای 2 تا 4 ساعت و در درجه حرارت 315 تا 345 درجه ی سانتی گراد انجام می شود.

رسوب سختی  (Precipitation Hardening) : از این عملیات برای افزایش استحکام و سختی آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری و 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.

علائم اختصاري عمليات حرارتي آلومينيم :

T1 : به طور طبیعی پیرسختی می شود. محصول از دمای بالای شکل دهی سرد می شود و پس از یک جالت اساسا پایدار به طور طبیعی پیرسازی 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 انحلال + پیرسازی مصنوعی + کار سرد

T10 : سرد شده از یک فرآیند شکل دهی با دمای بالا + کار سرد + پیرسازی مصنوعی

عملیات حرارتی آلیاژهای 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 (Heat treatable)  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 ­تمایز­قایل ­شدن ­با آلیاژهای­ قبلی، این­ آلیاژها ­را ­عملیات­ حرارتی ناپذیر (None-heat treatable) 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-Si , Al-Mn  خواص مکانیکی بعد از عملیات حرارتی افزایش نمی یابد با این وجود رسوبات قابل توجهی تشکیل می شود.

رابطه دما – انحلال برای سیستم های رسوب سختی آلیاژ آلومینیوم - مس  توضیح داده می شود. قابلیت انحلال مس در آلومینیوم با افزایش دما افزایش می یابد. (0.25 درصد در دمای 250 درجه سانتی گراد به حداکثر 5.65 درصد در 548  درجه سانتی گراد  دمای یوتکیتیک) در آلیاژهای Al-Cu  که دارای 0.2-5.6 درصد  مس هستند،دو حالت تعادلی مجزا وجود دارند.در دماهای بالای منحنی solvus مس کاملا حل می شود و اگر در این دما نگه داشته شود و با فرض کافی بودن زمان ، مس کاملا 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 (Ө (Al2Cu . اگر چنین آلیاژی که در دمای بالای solvus  کاملا بصورت محلول جامد است تا دمای زیر این دما سرد شود محلول جامد فوق اشباعی تشکیل می گردد که 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 (3xxx ) و آلیاژهای آلومینیوم-منیزیم (5xxx) قابلیت انجام عملیات حرارتی را ندارند. 

آلیاژهای آلومینیم – منگنز :

حلالیت منگنز در آلومینیم 1.82 درصد است ولی مقدار منگنز در آلیاژ های آلومینیوم برابر با 1.25 درصد است. علت این اختلاف حضور آهن به عنوان ناخالصی است که باعث کاهش حلالیت می گردد. تنها آلیاژ پر مصرف آلومینیم – منگنز، آلیاژ 3003 است. افزودن منگنز به آلومینیوم از طریق تشکیل محلول جامد و توزیع ظریف رسوب های نامحلول، استحکام آن را بالا می برد. افزدون یک درصد منیزیم منجر به افزایش بیشتر استحکام می شود. آلیاژ های گروه 3xxx دارای استحکام متوسط، انعطاف پذیری بالا 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 شیمیایی تشکیل محلول جامد می دهند و آلیاژ های کارپذیری تولید می کنند که حاوی 0.8 الی 5 درصد منیزیم است. مستحکم ترین آلیاژ این گروه 5456 است که استحکام کششی آن برابر با 310 مگا پاسکال است. اگر در این آلیاژها مقدار منیزیم بیش از 4 -3 درصد باشد، فاز β یا Mg₅Al₈  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. ضافه کردن کروم و منگنز می تواند از این مساله جلوگیری کند. این آلیاژ ها در بدنه کامیون ها، مخازن بزرگ حمل بنزین، شیر و دانه های غلات، مخازن تحت فشار (به خصوص در دما های پایین) ، بدنه قایق های کوچک و کشتی های اقیانوس پیما مورد استفاده قرار می گیرند.

ابزار و تجهیزات مورد استفاده جهت عملیات حرارتی