چرا آلیاژهای آلومینیوم نیاز به عملیات حرارتی دارند؟
مقدمه
آلومینیوم فلزی سبک و نرم است که پس از آهن پرمصرف ترین فلز صنعتی کره خاکی محسوب می شود. اما به دلیل استحکام پایین، در اکثر مواقع این فلز به تنهایی نمی تواند جوابگوی نیازها باشد و باید با عناصر دیگری آلیاژ شود. با توجه به نوع عناصر مورد استفاده، این آلیاژها از منظر قابلیت عملیات حرارتی شرایط مختلفی خواهند داشت که در این مقاله آن ها را مورد بررسی قرار خواهیم داد….
آلیاژسازی آلومینیوم تا حد زیادی باعث افزایش استحکام این فلز می شود. با این حال، آلیاژسازی به تنهایی برای دستیابی به خواص مکانیکی مناسب کافی نیست. بسیاری از قطعات به منظور استفاده در دماها و تنش های بالا نیاز به استحکام بالایی دارند که این استحکام به تنهایی با آلیاژسازی حاصل نمی شود.
گرچه عملیات حرارتی آلومینیوم منحصر به افزایش استحکام آلیاژ نمی شود و در بسیاری از مواقع برای کاهش و یا حذف تنش های باقی مانده در قطعه ریخته گری یا شکل داده شده، افزایش مقاومت به سایش و بالا بردن مقاومت به ضربه آلومینیوم و حتی افزایش مقاومت به خوردگی و جوشکاری آلومینیوم نیاز به عملیات حرارتی داریم. بنابراین هدف از عملیات حرارتی آلومینیوم و آلیاژهای آن را می توان بهبود خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی آلیاژ عنوان کرد.
روش های استحکام بخشی آلیاژهای آلومینیوم
به طور کلی استحکام آلیاژهای آلومینیوم را از طریق دو روش کارسختی و پیرسختی می توان افزایش داد. توجه داشته باشید که در این دسته بندی، هدف افزایش استحکام آلیاژهای آلومینیومی است. بنابراین از صحبت در خصوص استحکام بخشی با تشکیل محلول های جامد صرف نظر می کنیم.
کار سختی (Work Hardening)
کار سختی یعنی افزایش استحکام مکانیکی فلز یا آلیاژ در اثر انجام کار مکانیکی بر روی آن. ممکن است این فرایند را با نام کرنش سختی نیز بشناسید. این عملیات می تواند از طریق فرایندهای کارسرد مثل نورد، اکستروژن، کشش یا پرس انجام گیرد. در طول فرایند تغییر شکل، نرخ تکثیر نابه‌جایی‌ها بسیار سریع تر از نرخ کاهش آن ها در اثر بازیابی دینامیکی خواهد بود. عناصر آلیاژی با روش های مختلف می توانند این نرخ تکثیر را افزایش بدهند. اما دقت داشته باشید که افزایش آن ها باید به میزانی باشد که ترکیبات بین فلزی نامحلول ایجاد کنند. چرا که این خود این روش موثرترین روشی است که برای افزایش استحکام آلیاژهای عملیات حرارتی ناپذیر آلومینیوم (گروه ۳۰۰۰ و ۵۰۰۰) استفاده می شود.
این ترکیبات ترد هستند. مس و منیزیوم موثرترین عناصری هستند که برای این منظور استفاده می شوند.
پیرسختی (Age Hardening)
پیرسختی مکانیزم اصلی افزایش استحکام در آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر (سری ۲۰۰۰، ۶۰۰۰ و ۷۰۰۰) است. این روش، تاثیر زیادی بر افزایش استحکام آلیاژهای آلومینیوم دارد. به طوری که در برخی مواقع می توانند جایگزین فولادهای کربنی شوند!
شرط اصلی برای پیرسختی یک آلیاژ، کاهش حد حلالیت آن با کاهش دما است. این عملیات شامل سه مرحله اصلی می شود:
* مرحله اول شامل حرارت دادن آلیاژ در ناحیه تک فاز تا دمایی بالاتر از یوتکتیک و نگه داشتن در این دما است. به طوری که عناصر آلیاژی در این فاز به طور کامل حل شوند.
*مرحله دوم سرد کردن سریع است که به عملیات کوئنچ معروف است. در این حالت اتم هایی که در ساختار حل شده اند، فرصت خروج از فاز اولیه َα را نمی کنند و محلول جامد فوق اشباع (Super Saturated) تشکیل می شود.
*مرحله سوم به پیرسازی (Aging) معروف است. در این مرحله قطعه در دمایی مشخص (زیر دمای استحاله یوتکتیک) طی مدت زمان مشخصی قرار می گیرد تا عناصر آلیاژی اضافی از فاز اولیه خارج شده و به صورت رسوب در ساختار باقی بمانند. چنان جه این عملیات در دمای اناق انجام شود، به آن پیرسازی طبیعی و چنان چه در دمای بالا انجام شود، به پیرسازی مصنوعی معروف است.
دقت داشته باشید که اگر در دمای بالا آلیاژ بیش از زمان مجاز نگه داشته شود، پدیده ای به نام Over Aging اتفاق می افتد که سختی آلیاژ را کاهش می دهد.
عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم
آلیاژهای آلومینیوم به لحاظ قابلیت عملیات حرارتی به دو دسته عملیات حرارتی پذیر (Heat Treatable) و عملیات حرارتی ناپذیر (Non-Heat Treatable) تقسیم می شوند. وقتی صحبت از عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم می کنیم، منظورمان آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر یا پیر سخت شونده است. گرچه نباید این نکته را فراموش کنیم که عملیات حرارتی آنیل (تابکاری) بر روی هر دو نوع این آلیاژها برای افزایش انعطاف پذیری و چکش خواری آن ها انجام می شود. اما در آلیاژهای کارسختی پذیر، با حرارت دادن، افزایشی در استحکام آلیاژ مشاهده نمی شود.
مهم ترین عملیات حرارتی که برای بر روی آلیاژهای آلومینیوم انجام می شود عبارت است از:
* آنیل (Annealing)
*انحلال (Solutionizing)
*سرد کردن سریع (Quenching)
*پیر سختی (Age Hardening)
