عملیات حرارتی
عملیات حرارتی (Heat Treatment) فرایندیست گرمایی ، که جهت تغییر خواص فیزیکی و گاهی شیمیایی مواد به منظور حصول خواص دلخواه بر روی آلیاژهای کارپذیرو ریختگی پروفیل آلومینیوم صورت می گیرد. از عملیات حرارتی برای ساخت مواد غیرفلزی مانند شیشهها و شیشه-سرامیکها نیز استفاده میشود. در عملیات حرارتی معمولاً از گرمایش یا سرمایش تا دماهای ویژه ای، برای رسیدن به خواص موردنظر برای مثال سخت کاری یا نرم کردن ماده استفاده میشود. تکنیکهای عملیات حرارتی شامل این موارد میشود: بازپخت، سختکاری پوسته (Case Hardening)، پیرسختکاری، برگشت دادن، کربن دهی (Carburizing)، نرمال سازی و کوئنچ کردن. با اینکه از عبارت «عملیات حرارتی» به صورت خاص برای گرمایش و سرمایشهای هدفمند استفاده میشود، فرایندهایی مانند شکل دهی فلزات و جوشکاری نیز باعث گرمایش و سرمایش مواد و در نتیجه تغییر خواص آنها میشود.
مواد فلزی از ساختارهای بسیار ریزی به نام «دانه» (grain) یا «کریستالیت» ساخته شدهاند. طبیعت این دانهها (یعنی اندازه و ترکیب آنها) مهمترین عاملی است که خواص مکانیکی یک فلز را تعیین میکند. عملیات حرارتی کمک میکند که خواص فلز را با کنترل کردن نرخ واپخش (Diffiusion) در میکروساختار تغییر داد. عملیات حرارتی در فلزات معمولاً کمک میکند که خواص مکانیکی از قبیل سختی، استحکام، چقرمگی، شکلپذیری و الاستیسته را تغییر داد.
آلوتروپهای آهن، که تفاوت در ساختار شبکه ای را بین Alpha-Iron و Gamma-Iron را نشان میدهد. Alpha-Iron فضایی برای حرکت اتمهای کربن ندارد در حالیکه Gamma-Iron فضای کافی برای حرارت آزاد اتمهای کربن دارد.
دو مکانیزم در عملیات حرارتی آلیاژها باعث تغییر خواص مکانیکی میشود: شکلگیری مارتنزیت باعث میشود که کریستالها به صورت ذاتی تغییر شکل دهند، و مکانیزم واپخش (یا دیفیوژن) باعث تغییر در همگن بودن ماده میشود.
ساختار بلوری متشکل از اتمهایی است که در یک ترتیب بسیار خاص دستهبندی شدهاند، که یک شبکه نامیده میشود. در بیشتر عناصر، این چینش بسته به شرایطی مانند درجه حرارت و فشار به خودی خود تغییر خواهد کرد. این تغییر چینش، که آلوتروپی یا پلی مورفیسم نامیده میشود، برای یک فلز خاص ممکن است در دماهای مختلف چندین بار رخ دهد. در آلیاژها، این تغییر چینش ممکن است باعث شود یک عنصر که در حالت عادی قابل حل در فلز پایه نیست بهطور ناگهانی در فلز انحلال پذیر شود، در حالیکه معکوس شدن آلوتروپی باعث خواهد شد این عناصر به صورت جزئی یا کامل غیرقابل انحلال شوند
ترکیب شیمیایی دقیق یک آلیاژ در نتیجه عملیات حرارتی بسیار تأثیر گذار است. اگر درصد اجزای تشکیل دهنده دقیقاً به اندازه باشد، آلیاژ در هنگام خنک شدن یک ریزساختار کاملاً پیوسته و یکسان تشکیل خواهد داد. به چنین مخلوطی اصطلاحاً یوتکتوید (eutectoid) گفته میشود. اما اگر درصد حل شوندهها با مخلوط یوتکتوید تفاوت داشته باشد، معمولاً دو یا تعداد بیشتری ریزساختار به صورت همزمان شکل خواهند گرفت. اگر میزان حل شوندهها کمتر از مخلوط یوتکتوید باشد به آن "هیپویوتکتوید" و اگر میزان حل شوندهها بیشتر از مخلوط یوتکتوید باشد به آن "هایپریوتکتوید" گفته میشود.
آلیاژهای یوتکتوید
رفتار یک آلیاژ یوتکتوید مشابه رفتار آلیاژ یوتکتیک است. آلیاژ یوتکتیک آلیاژی است که نقطه ذوب یگانه دارد. این دمای ذوب کمتر از دمای ذوب هر کدام از مواد تشکیل دهنده است، و هیچ تغییری در درصد مواد تشکیل دهنده نمیتواند آن را بیشتر از این کاهش دهد. زمانی که یک سیستم یوتکتیک مذاب خنک شود، همه مواد تشکیل دهنده در دمایی یکسان به فاز مرتبط با خود کریستالیزه خواهند شد.
آلیاژهای هیپویوتکتوید
یک آلیاژ هیپویوتکتوید دارای «دو نقطه ذوب جداگانه» است. هر دو بالاتر از نقطه ذوب یوتکتیک برای سیستم هستند، اما در زیر نقاط ذوب هر جزء تشکیل دهنده سیستم هستند. بین این دو نقطه ذوب، آلیاژ به صورت بخشی مایع و بخشی جامد وجود خواهد داشت. ابتدا ماده سازنده با نقطه ذوب پایینتر جامد میشود. معمولاً یک آلیاژ هیپویوتکیتیک زمانی که کاملاً جامد شد در حالت محلول جامد خواهد بود.
آلیاژ هیپویوتکتوید همچنین دارای "دو دمای بحرانی" است، که اصطلاحاً به آن "Arrest" یا "بازداشت" میگویند. بین این دو دما، آلیاژ به صورت جزئی مایع و جزئی به صورت یک فاز کریستالی جداگانه به نام "فاز پرویوتکتوید" وجود خواهد داشت. این دو دما به ترتیب دمای تبدیل بالا (A3) و دمای تبدیل پایین (A1) نامیده میشوند. با خنک شدن محلول از دمای تبدیل بالا به سمت یک حالت غیرقابل انحلال، فلز پایه اضافی مجبور به تبلور و تبدیل به پرویوتکتوید میشود. این روند تا زمانی که غلظت باقیمانده املاح به سطح یوتکتوید برسد ادامه خواهد داشت، که بعداً به عنوان یک ریزساختار جداگانه متبلور میشود.
آلیاژهای هایپریوتکیود
آلیاژ هایپریوتکتیک (hypereutectic) نیز دارای نقاط ذوب مختلفی است. اما بین این نقاط، جز تشکیل دهنده ای که بالاترین دمای ذوب را دارد به صورت جامد وجود خواهد شد. به همین شکل، آلیاژ هایپریوتکتوید نیز دارای دو دمای بحرانی است. هنگام خنک کردن یک آلیاژ هایپریوتکتوید از دمای تبدیل بالا، معمولاً ابتدا اجزای حل شونده اضافی کریستاله خواهند شد، و پرویوتکتوید ایجاد خواهند کرد. این روند تا زمانی که غلظت در آلیاژ باقیمانده یوتکتوئید شود ادامه مییابد، که سپس در یک ساختار جداگانه متبلور میشود.
عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم
در مورد آلیاژهای آلومینیوم، زمانیکه از کلمه «عملیات حرارتی» استفاده میشود، اغلب فرایندهایی منظور است که باعث افزایش استحکام و سختی آلیاژهای رسوب-سخت شونده و ریختهگری شده میگردد. به این آلیاژها معمولاً «عملیات حرارتی شونده» میگویند تا بتوان بین آنها و آلیاژهایی که قابل عملیات حرارتی و افزایش استحکام نیستند تفاوت قائل شد. در این آلیاژها که معمولاً آلیاژهای «غیرقابل عملیات حرارتی» خوانده میشوند برای افزایش استحکام معمولاً از عملیات سرد استفاده میشود. از گرم کردن برای کاهش استحکام و افزایش چکش خواری (بازپخت) در مورد هر دو نوع آلیاژ استفاده میشود.
آلیاژهای آلومینیوم تجاری قابل عملیات حرارتی
آلیاژهای موجود در بازار که قابل افزایش استحکام و سختی از طریق عملیات حرارتی هستند شامل آلیاژهای Wrought سری 2 و 6 و 7 (به جز ۷۰۷۲) و آلیاژهای ریختهگری سری 0XX.2 و 0XX.3 و 0XX.7 هستند. بعضی از این آلیاژها تنها دارای عنصر آلیاژی تقویتکننده استحکام مس یا مس و سیلیکون هستند. اما اکثر آلیاژهای «قابل عملیات حرارتی» دارای عنصر منیزیم به اضافه عناصری از قبیل مس، روی و سیلیکون هستند.[۱۱]
افزایش استحکام
عملیات حرارتی افزایش استحکام آلیاژهای آلومینیوم شامل سه بخش است:
عملیات حرارتی محلول: تجزیه فازهای قابل انحلال - برای عملیات پیرسخت کاری ابتدا باید یک محلول جامد ایجاد کرد. فرایندی که باعث تولید این محلول جامد میشود، عملیات حرارتی محلول نامیده میشود. هدف آن آوردن ماکزیمم مقدار عناصر آلیاژی حل شده قابل رسوب به داخل محلول جامد میباشد.
کوئنچ: شکلگیری محلول فوق اشباع - مهمترین مرحله در عملیات حرارتی میباشد. هدف آن حفظ شکل محلول جامد شکل گرفته در دمای عملیات حرارتی میباشد که این کار با سرد کردن سریع آن انجام میشود.
افزایش سختی عمری: رسوب اتمهای حل شده در دمای اتاق (افزایش عمر طبیعی)، یا در دماهای بالا (افزایش عمر مصنوعی یا عملیات پیرسخت کاری) - این عمل پس از مراحل عملیات حرارتی محلول و کوئنچ کردن انجام میشود. در بعضی آلیاژها سخت کاری عمری پس از گذشت چند روز در دمای اتاق - برای شکل گرفتن محصولات پایدار - اتفاق میافتد.
انواع عملیات حرارتی آلومینیوم
آنیلAnneal
برای آلیاژهای مورد استفاده در محصولات آلومینیومی و پروفیل آلومینیوم 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 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 زداییAnnealing 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 ۵۴۳ 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 ۲ تا ۴ ساعت و در درجه حرارت ۵۱۳ تا ۵۴۳ درجه ی سانتی گراد انجام می شود.
پیر سازی رسوبی Hardening Precipitation
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.
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