سوپر آلیاژ پایه کبالت

سوپرآلياژهاي كارپذير پايه كبالت برخلاف ساير سوپرآلياژها مكانيزم استحكام بخشي متقاوتي دارند و خواص حرارتي خوبي در دماي حدود 1000 درجه سانتيگراد خواهند داشت.

سوپرآلياژهاي پايه كبالت حاوي كرم، مقاومت به خوردگي و اكسيداسيون خوبي داشته و هم چنين قابليت جوشكاري و مقاومت به خستگي حرارتي آنها نسبت به آلياژهاي پايه نيكل بالاتر ميباشد. از طرف ديگر امكان ذوب و ريختهگري اين آلياژ، در هوا با اتمسفر آرگون مزيت ديگري نسبت به ساير سوپرآلياژها كه نياز به خلاء دارند ميباشد.

 سه گروه اصلي آلياژهاي پايه كبالت را ميتوان به صورت ذيل در نظر گرفت

– آلياژهايي كه در دماهاي بالا در محدودة 650 تا 1150 درجه سانتيگراد مورد استفاده قرار ميگيرند كه شامل

آلياژهايS-816، 25HAYNES، 188 25HAYNES، 55625HAYNES، 50UMCO ميباشند.

– آلياژهايي كه تا حدود 650 درجه سانتيگراد به كار ميروند نظيرTN3MP، 159 MP

– آلياژ مقاوم به سايش B 6 Stellite

آلياژ 2525HAYNES بيشترين كاربرد را در ميان آلياژهاي كارپذير پايه كبالت داشته اشت و در ساخت قطعات گرمكار نظير توربينهاي گازي، اجزاء راكتورهاي هستهاي، ايمپلنتهاي جراحي و غيره مورد استفاده قرار گرفتهاند. آلياژهاي گروه پايه كبالت كه شامل كرم- تنگستن- كربن ميباشند معروف به آلياژهاي Satellite بوده كه به شدت مقاوم به سايش ميباشند.

اين گروه معمولاً در مواردي كه مقاومت سايشي در درجه حرارتهاي بالا مورد نياز باشد به كار ميروند. در واقع سختي اين مواد در دماي بالا حفظ شده و در مواقعي كه نميتوان در حين كار روغنكاري انجام داد به خوبي مورد استفاده قرار ميگيرند.

آلیاژهای پایه کبالت و سوپر آلیاژهای آن

خواص فیزیکی فلز کبالت

1495 C نقطه ذوب کبالت

2870C  نقطه جوش

دانسیته 8.9

شعاع اتمی 1.67

0.745  A شعاع یونی

کبالت در دماهای بالاترC427 بصورت FCC و در دمای پایین‌تر از آن به صورت HCPاست.

اکسایش آلیاژهای کبالت

همانند ابرآلیاژهای نیکل مهمترین عنصری که برای بهبود مقاومت کبالت در برابر اکسایش به آن اضافه می‌شود کروم است شکل زیر نشان می‌دهد که مقدار بحرانی کروم بین 20 تا 30٪ است. که در آن ثابت پوسته شدن برای اکسایش در مقایسه با کبالت خالص کاهش می‌یابد.

آلیاژCr%30 _COاساس بسیاری از آلیاژهای مورد استفاده در ساخت ابزارهای جراحی ودندانپزشکی است این آلیاژ در برابر خوردگی در C250بسیار مقاوم است تاثیر عناصر دیگر بر اکسایش و مقاومت  در برابر خوردگی را باید بررسی کرد. آلیاژهای دو تایی iS5%_ CO و IA10%_COمقاومت خوبی در برابر اکسایش نشان می دهند و آلیاژ AI_COخواصی بهتری از آلیاژCr_CO دارد. درهر حال آلیاژهای دوتاییAI_CO در دمای بالا استحکام کافی ندارند تا بتوان آنها را پایه ای برای  ساخت آلیاژهای کبالت در نظر گرفت.

آهن و نیکل بی‌تاثیرند ولی منگنز تمایل به پوسته شدن را افزایش می دهد. در برخی موارد مولیبدن، وانادیم و تنگستن مضرند. کروم در این آلیاژها نیز مانند آلیاژهای نیکل عنصر اصلی است.

استحاله آلوتروپیک در کبالت

واکنش تبدیل فاز αبه فازε اترمال بوده و درسیکل گرمایش دارای طبیعت برگشت پذیری است . در حین سرد کردن استحاله در 390درجه حرارت درجه سلسیوس اتفاق میافتد و با گرم کردن مجدد استحاله معکوس   درجه حرارت 430درجه سلسیوس به وقوع میپیوندد . عوامل متالورژیکی از قبیل اندازه دانه اولیه و خلوص مواد بر مقدار فازHCP تشکیل شده موثر بوده ، به طوریکه اگر دانه ها ریز و میزان ناخالصی ها زیاد باشد ، مقدار فازHCPتشکیل شده کمتر خواهد بود. از طرفی انجام کار سرد موجب افزایش مقدار فاز HCPمیشود .

ساختار فازی آلیاژهای دو تایی پایه کبالت

سیستم دو تایی کبالت – کرم

کرم عنصر آلیاژی اصلی در آلیاژ کبالت – کرم میباشد . ساختمان کریستالی کرم مکعبی مرکز دارBCC میباشد که حلالیت آنرا در کبالت FCCوHCPمحدود مینماید . طبق دیاگرام فاز دوتایی Cr_CO ارائه شده . حلالیت کرم در فازهایα و εدر دمای 700 درجه سلسیوس به ترتیب برابر 20 و 10 درصد وزنی میباشد . با افزایش دما حلالیت کرم افزایش یافته و در دمای 991 درجه سلسیوس به 35.1 درصد در فاز αمی رسد  . حداکثر حلالیت کرم در فازα در دمای 1312 درجه سلسیوس بدست می آید که معادل حدود 39 درصد میباشد .

سیستم دوتایی کبالت – مولیبدن  

مولیبدن اثرات مشابهی بر ساختمان کبالت داشته و همانند کرم دامنه پایداری فاز  αرا باگسترده نمودن منطقه فازε کاهش میدهد حلالیت مولیبدن نیز به علت داشتن یک ساختمان کریستالیBCC در کبالت محدود میباشد . ولی حلالیت آن با دما افزایش یافته و در دمای 1335 درجه سلسیوس به حداکثر مقدار خود یعنی 28 درصد وزنی میرسد. فاز εحلالیت کمتری برای برای مولیبدن نشان داده که در دمای پریتکتوید 50 ± 700 درجه سلسیوس به میزان حداکثر خود یعنی 14 درصد وزنی میرسد

سیستم دو تایی کبالت – کربن

قسمتی از نمودار فاز دوتایی C_COدر شکل (4) نشان داده شده است . درجه حرارت ذوب با افزایش مقدار کربن کاهش یافته و در دمای 1321 درجه سلسیوس طی یک واکنش اتکتیک فاز αرا که حداکثر یک درصد وزنی کربن به صورت محلول جامد بین نشینی در خود حفظ نموده ، بوجود میاورد . حلالیت کربن در فازα با کاهش دما افت نموده و در دمای  1000 درجه سلسیوس به 35/0 درصد وزنی می رسد .

پوسته پمپ

استحکام بخشی آلیاژهای کبالت

1)  استحکام بخشی محلول جامد

WوTaوoMعناصر مناسبی در استحکام بخشی محلول جامد هستند. شکل زیر تاثیر شدید استحکام بخشی این عناصر را بر آلیاژهای سه تاییx_rC_Coنشان می‌دهد.

رسوبگذاری : پریمg اکنون امکان رسوب سختی آلیاژها کبالت را بررسی میکنیم باتوجه به استحکام بخشی شدید آلیاژهای نیکل ازطریق رسوبAI_3Niدر آلیاژهای کبالت نیز عامل رسوب سختی رسوب AI3OCوiT3oC می باشد در آلیاژهایiT_Cr_oCعامل رسوب سختی, رسوبهای از نوع((iT¸rC) 3oC) با مساحت (γ پریم)می باشد در ضمن استحکام در این مورد به اندازه استحکام آلیاژهای γپریم نیکل که در آنها رسوب می کند نیست.

2) عیوب چیدن صفحه‌های اتمی

عیب در چیدن صفحه‌های اتمی در استحکام بخشی محلول جامد اهمیت دارد هر چه انرژی عیب در چیدن صفحه‌های اتمی بالاتر باشد آلیاژ مستحکم‌تر است.  در کبالت خالص Fccمقدار زیادی عیب در چدن صفحه‌های اتمی مشاهده می‌شود حلالیت کروم در هر دو فاز Fccو Hcpزیاد است و عیوب چیدن صفحه‌های اتمی در آلیاژهای rC_ oC به آسانی ایجاد می‌شوند. اضافه کردن عناصر آلیاژی به شدت بر انرژی عیب چیدن صفحه‌های اتمی تأثیر می‌گذارد مثلا نیکلccF ، ساختارFcc را پایدار می‌کند و انرژی عیب چیدن صفحه‌های اتمی را افزایش می‌دهد بطوری که مقدار نابجایی ها کمتر می‌شود.

ولی عناصرBcc مانندWوoM انرژی عیب چیدن صفحه‌های اتمی را کاهش می‌دهند. از نظر  تاثیر افزایش عناصر آلیاژیNiوFe اهمیت زیادی دارند زیرا حلالیت آنها در کبالت کاملا بالاست Feنیز ساختار Fccرا پایدار می‌کند.

3)  تشکیل کاربید

در آلیاژهای کبالت بسته به ترتیب آلیاژ انواع مختلف کاربید تشکیل می‌شود. مقدار عناصر آلیاژی برای تشکیل و توزیع مناسب کاربید  و پایدار کردن آنها که بهترین خواص مخصوصا خواص خزشی دما بالا ایجاد می‌کند چون مقدار Crدر این آلیاژها معمولاً زیاد است یعنی بیشتر از 20٪ است،3C7M و 2C3Mبه ندرت دیده می‌شود ولی وجود rCبه تشکیل کاربید نوع 6C23Mکمک می‌کند. این کاربید مهمترین نوع کاربید است.

توزیع مطلوب کاربیدها چنان توزیعی است که به حد کافی ظریف باشد تا باعث استحکام آلیاژ شود ولی مقدار کاربیدها آن قدر زیاد نباشد که داکتیل بودن را کاهش دهد ( معمولاً مقدار  کاربید را با محدود کردن مقدار کربن کنترل می‌ کنند) معمولا سعی می شود که از تشکیل لایه‌های پیوسته یا نیم پیوسته کاربید جلوگیری شود. ضمنا در این آلیاژها  حضور منگنز به عنوان عنصر آلیاژی باوجود گوگرد منجر به بروز Mnsمی‌شود که بصورت آخال نمایان می‌گردد.

سوپر آلیاژهای پایه کبالت

بیشتر خواص فیزیکی کبالت شبیه به نیکل است مانند اندازه اتمی، نقطه ذوب و چگالی. با آلیاژ کردن کبالت با کروم، نیکل و تنگستن، کربن و سایر عناصر بتدریج سوپر آلیاژهای پیچیده توسعه پیداکرد.

ترکیب شیمیایی و کاربردهای خاص

سوپر آلیاژهای پایه کبالت ازنظرشیمیایی نسبت به آلیاژهای پایه نیکل پیچیدگی کمتری دارند.سوپرآلیاژهای پایه کبالت ریخته‌ شده دارای ترکیب حدودC 0.1-1%وW 5-10%وCr20-30%وCo50-60%می‌باشند. و سوپر آلیاژهای پایه کبالت کار شده دارای حدود Co 40% و مقدار بیشتری نیکل(حدود 20٪) برای کار پذیری می‌باشند همچنین سایر عناصر آلیاژی به آنها افزوده می شود.

سوپر آلیاژهای پایه کبالت در برخی از قسمتهای توربین های صنعتی بکار می‌روند ، زیرا کمتر از آلیاژهای پایه نیکل در معرض خوردگی قرار می‌گیرند، اگرچه مقاومت اکسایشی آنها خوب نیست. همچنین از این آلیاژها در برخی موتورهای هواپیما استفاده می‌شود.

زمینه استنیتی

زمینه استنیتی بیشتر سوپر آلیاژهای کبالت تقریبا شامل Co 50 %وCr25% است و بقیه آن نیکل و عناصر دیرگداز مثل تنگستن، تانتالیم، آهن و یا مولیبدن می باشند. آستینت سوپر آلیاژهای پایه کبالت ساختار Fccدارد.

کاربیدها

درصد کربن آلیاژهای پایه کبالت نسبتاً بالاست( یعنی 1/0 تا 1٪) به طور کلی سه نوع اساسی کاربید در سوپر آلیاژهای پایه کبالت وجود دارد:

کاربیدهای 6 C 23M

کاربیدهای MC

کاربیدهای C6M

کاربیدهای سوپر آلیاژهای پایه کبالت را به روش‌های مختلف استحکام می‌بخشند.

اول : آنها( اساسا  6 C 23M )در هر دو آلیاژ ریخته شده و کار شده در مرز دانه‌ها رسوب می‌کنند.

دوم : برخی از این ذرات کاربیدی در خطاهای چیدن رسوب می‌کنند.

چنین سدهایی از حرکت نابجایی ها شدیداً جلوگیری می‌کنند و بنابراین استحکام آلیاژ افزایش می‌یابد. اما این رسوبها می توانند منجر به کاهش چشمگیر شکل پذیری ‌شوند.

اثر عملیات گرمایی بر ریز ساختار

پیر کردن به مدت 24 ساعت دردمای925 درجه سانتی گراد باعث رسوب ذرات 6 C 23M می شود. MC هم رسوب می‌کند.

استحکام تنش –  گسیختگی در دمای بالا

اصولاً آلیاژهای پایه کبالت در قطعاتی به کار می روند که در تنش پایین و دمای بالا طول عمر زیادی دارند مانند پروانه‌های توربین صنعتی.

نتیجه گیری

آلیاژهای کبالت می‌توانند با آلیاژهای نیکل رقابت کنند ایجاد استحکام کافی در دمای بالا در این آلیاژها بر اساس استحکام بخشی محلول جامد و تشکیل ساختار کار بیدی پخش شده استوار است پخش مناسب کار بیدها از طریق افزایش کافی کربن مثلاً (3/0٪) وعناصر کاربیدزا مانند Tiو Zrو از طریق انتخاب عملیات گرمایی مناسب انجام می‌شود. آلیاژهای کبالت هم به صورت کار شده و هم ریختگی قابل استفاده اند.

سوپر آلیاژ پایه نیکل

سوپر آلیاژها، آلیاژهای مقاوم به گرما در دمای بالا هستندو قادرند که استحکام خود را در دماهای بالا حفظ نمایند. سوپر آلیاژها همچنین مقاومت خوبی به خوردگی و اکسایش و مقاومت زیادی به خزش و شکست در دمای بالا دارند. بطور کلی سه دسته اساسی سوپر آلیاژ وجود دارد:1-پایه نیکل   2-پایه نیکل/ آهن    3-پایه کبالت

اولین آلیاژ پایه نیکل قابل رسوب سختی Nimonic80 در سال 1941در بریتانیای کبیر توسعه یافت. این آلیاژ محلول جامد 20%Cr,2.25%Ti,1%Al,Niکه عمدتا دارای رسوبات با ترکیب Ni3(Ti,Al) میباشد.وسیعترین کاربرد سوپر آلیاژها مربوط به صنایع هواپیما و توربینهای گازی است،ماشینهای فضایی، موتورموشک ،هواپیمای آزمایشی رآکتورهای هسته ای، زیردریائیها،دیگهای بخار،تجهیزات پتروشیمی و….

تقسیم بندی سوپر آلیاژهای پایه نیکل:

1 )    تقسیم بندی سوپر آلیاژ نیکل بر اساس ذوب

الف( آلیاژهای اولیه ذو ب شونده در هوا

ب( آلیاژهای جدید ذو بشونده در هوا

ج ( آلیاژهای اولیه ذوب در خلا

د ( آلیاژهای ذوب شونده در خلا با استحکام بالا

2)    تقسیم بندی سوپر آلیاژهای نیکل بر حسب ترکیب شیمیایی

1) آلیاژهای با Moبالا

2) آلیاژها با Ni-Cr(75-15)

3) آلیاژها باNi-Cr(75-20)

(4 آلیاژها باNi(35-60),Cr-Co(20-20)

(5آلیاژها با درصد مختلف از Ni,Cr,Co,Mo

(6 آلیاژهای اصلاح شده گروه پنج با کبالت کمتر

7) آلیاژهای اصلاح شده گروه پنج با آهن بیشتر و کبالت کمتر

8) آلیاژهای اصلاح شده گروه یک با آهن زیاد و مولیبدن کم

گروه یک سوپر آلیاژ نیکل

بیشتر از 15%Mo داشته .دارای مقاومت خوبی در برابر اسیدها می باشند.مثلا:HastelloyB آلیاژی بود که برای ساخت پره های تولید شده از طریق فورج در موتور توربین I-16 بکار رفت.

گروه دو سوپر آلیاژ نیکل

دارای 75%Ni,15%Cr,10% عناصر دیگر می باشد.قابل رسوب سختی می باشند. بعضی از آلیاژهای این گروه در دو مرحله پیر سختی می شوند.

کار سرد میتواند سبب افزایش استحکام در کاربردهای با دمای پائین تر گرددکه در این حالت مواد می توانند به سادگی تنش زدایی شوند.تولیدات کار سرد و کشش سرد در حدود 1800f آنیل می شوند.

گروه سوم سوپر آلیاژ نیکل

این آلیاژها در انگلستان توسعه یافته و بر مبنای آلیاژ نیکروم(80Ni-20Cr) که به میزان زیادی برای ساخت المنتهای کوره های الکتریکی بکار می رود ، طراحی گردیدند.

گروه چهارم سوپر آلیاژ نیکل

مشابه گروه دو و سه بوده بجز آنکه با کاهش Niحدود 20%Co افزوده گردیده. نسبت به گروههای قبلی استحکام خزش-گسیختگی بیشتری دارد.

گروه پنجم سوپر آلیاژ نیکل

با چهار گروه قبلی متفاوتند. دارای حدود 3% یا بیشتر Mo می باشند. به منظور ساخت اجزاء توربین گازی، نظیر پره های توربین،دیسکها،پره های هدایت کننده، محفظه احتراق، پس سوزو… استفاده می شوند.برای ساخت اجزائی که در دمای بالا بکار رفته و نیازمند استحکام بالا در دماهای بالا می باشند مناسب اند.

گروه ششم سوپر آلیاژ نیکل

بسیار شبیه گروه پنج بوده با مقدار کبالت بسیار کم و درصد Ni بالاتر مانند ترکیب گروه های 2,3 با بیش از 4%Mo یاW می باشند.درنتیجه استحکام خزش-گسیختگی بیشتری نسبت به گروه دو و سه دارند.

گروه هفتم سوپر آلیاژ نیکل

افزایش مقدار آهن بیش از 15% و کاهش کبالت و کاهش میزان نیکل برای ساخت قطعات پیچیده از طریق جوشکاری و ورقها که نیاز به ترکیبی از قابلیت ساخت عالی ، استحکام در دماهای بالا و مقاومت اکسیداسیون دارند مناسب اند.

گروه هشتم سوپر آلیاژ نیکل

(17-20)% FeوMo کمتر از 10% داشته

استحکام خزش-گسیختگی این گروه باندازه سایر گروهها نمی باشد اما مزیتهای آن قیمت پائین تر و ساخت آسانتر می باشد. برخی از کاربرد های این آلیاژ در دماهای بالا،قطعات کوره ها و کاربرد در اجزاء موتور هواپیما نظیر پس سوز، پره های توربین،پره های هدایت کننده و…می باشند. معمولا از HastelloyF بخاطر مقاومت خوردگی خوب آن استفاده می شود.آلیاژ HastelloyX برای بویلرها و مخازن تحت فشار بکار میرود.

فازهای موجود در سوپر آلیاژهای پایه نیکل

در ساختار میکروسکوپی سوپر آلیاژهای پایه نیکل چند نوع فاز دیده می شود که مهمترین آنها عبارتند از فازУوỳو کاربیدها، بعلاوه ممکن است فازهایی مانند ỳمرز دانه ای و بوریدها نیز تشکیل گردد. همانطور که میدانید عوامل موثر بر حلالیت 1-تشابه ساختار کریستالی 2-تشابه ظرفیت اتمی 3- پائین بودن اختلاف اندازه اتمی میباشد که اختلاف اندازه اتمی عنصر حل شونده با عنصر زمینه نباید از 15% تجاوز نماید .

عناصری که در فاز Уحل می شوند معمولا این اختلاف زیر 15% است .هر چه اندازه اختلاف بیشتر باشد استحکام ناشی از حل شدن در محلول جامد بیشتر می گردد در نتیجه عناصری که اختلاف اندازه اتمی بیشتری با Ni دارند حلالیت کمتری داشته اما استحکام محلول جامد را بیشتر افزایش می دهند مثلا:کربن یک عنصر حل شونده در فاز Уاست که 27% اختلاف اندازه اتمی با نیکل داردپس به مقدار کمی در نیکل حل شده اما استحکام آن را به مقدار زیادی افزایش می دهد.(Ni,Co,Fe,Re,W,V,Cr,Hf)

پوسته پمپ

عناصری که در رسوب Уقرار می گیرند و معمولا دارای فرمولNi3X می باشند.(Ta,Ti,Al,Nb)

عناصری که تمایل به جدایش در مرز دانه ها دارند(Zr,Cr,B)

عناصر کاربید زا و عناصری که پوسته اکسیدی تشکیل می دهند (عناصرMo,Cr,Ta موجب تشکیل کاربید میگردند و عناصر Al,Cr باعث ایجاد پوسته اکسیدی می گردند.)

Hf می تواند در فازهای مختلف Уوỳقرار گیرد.

فاز : y

این فاز محلول جامدی از Уبا شبکهfcc است که عناصری مانند Cr,Co,Fe,Mo,W,V,… با حل شدن در آن باعث افزایش استحکام می گردند .

عناصری مانند Mo,W بعلت دارا بودن ضریب نفوذ پائین باعث کاهش خزش می گردند. و Co نیز با کاهش انرژی نقص در چیده شدن بین نا بجایی ها، پدیده لغزش را مشکل ساخته و لذا باعث افزایش مقاومت خزشی این آلیاژها می گردد.

فازỳ: این فاز که در حین عملیات رسوب سختی سوپر آلیاژها بصورت ذرات ریز و پراکنده در زمینه yراسب گردیده اند که دارای ساختار کریستالی fccو ترکیبNi3X بوده وعامل سخت کنندگی رسوبی در سوپر آلیاژهای پایه نیکل است.

Xمیتواند عناصر الکتروپوزیتیو مثل (Al, Ti,Cb) باشد و عناصر الکترونگاتیو مانند (Fe,Co) می توانند جانشین نیکل شوند. مهمترین ترکیب این فازهاNi3Al ویاNi3(Al,Ti) می باشد.

ỳ: مورفولوژی(ریخت شناسی) ذرات ỳبستگی به عدم انطباق پارامتر شبکه دارد .معمولا عدم انطباق پارامترشبکه یک درصد می باشد.این عدم انطباق باعث ایجاد کرنش های الاستیک گردیده که بعنوان موانعی در برابر حرکت نابجایی ها عمل می کنند.

افزایش درصد حجمی ỳموجب افزایش استحکام در دمای بالا می گردد.

فازهای کاربیدی

میزان انحلال کربن در زمینه کم میباشد لذا مقدار اضافی بصورت ترکیبات کاربیدی راسب می گردند. مقدار کربن در آلیاژهای کارپذیر بین 2/0-02/0 درصد و در آلیاژهای ریختگی حدود 6/0 در صد می باشد. اگر ترکیب کربن با عناصر دیگر بصورت کاربیدهای پیوسته در مرز دانه ها راسب گردنداستحکام و داکتیلیته را بشدت کاهش میدهنداما اگر بصورت غیر پیوسته در مرزها رسوب کنند باعث کاهش لغزش مرز دانه ای میگردند.

کاربیدهای موجودMC,M6C,M23C6,گاهیM7C3

کاربیدMC

در حین انجماد سوپر آلیاژها تشکیل شده و معمولا بصورت ذرات جدا از هم و بطور پراکنده در زمینه توزیع می شوند که دارای ساختار fccبوده و بسیار متراکم اندعنصرM معمولا از عناصر فعال یا دیرگداز بوده است.کمبود کرم و بالا بودن Nb,Ta,Fe موجب پایداری این کاربید میگردد.ممکن است درداخل دانه ها یا مرز دانه ها راسب گردند،در واقع این کاربیدها عامل اصلی تشکیل سایر کاربید هستند.

کاربیدهای نوعM23C6

در حین عملیات حرارتی یا سرویس دهی سوپر آلیاژها در محدوده دمایی (980-760)کاربیدهای MC تجزیه شده و باعث ایجاد کربن میگردد که این کربن می تواند باعث ایجاد این نوع کاربید گردد و بعلاوه باعث تشکیل فازy’ که فاز سخت کننده رسوبی است شود.واکنش بصورت زیر می باشد:

MC+У=M23C6+ỳ

معمولا با مقادیر زیاد کروم تشکیل شده و عنصر M معمولا کروم می باشد.می توانند بشکل بلوکی یا سلولی شکل باشندکه معمولا تمایل به تشکیل در مرز دانه ها دارند.نوع بلوکی آن در مرز دانه ها از لغزش مرز دانه ای جلوگیری میکند ولی نوع سلولی باعث کاهش زیاد چقرمگی می شود

کاربید هایM6C

Ú     معمولا در محدوده دمایی 815تا950 تشکیل میشوند.

Ú     MC+У=M6C+ỳ واکنش تشکیل آن میباشد.

Ú     بعلاوه ممکن استM6C+M’=M23C6+M”

Ú     این کاربیدها دارای ساختار مکعبی پیچیده بوده و معمولا بصورت اتفاقی در زمینه توزیع میشوند.

Ú     هنگامی تشکیل می شوند که مقدار Mo,Wدرزیاد باشد هنگامیکه این مقدار حدود (8-1)% ویا بیشتر باشد کاربیدهای M6CیاM23C6تواما در مرز دانه ها رسوب میکنند .

نکته

گاهی اوقات در برخی از سوپر آلیاژها که دارای Al,Cr,Tiمی باشندونوع خاصی از کاربیدها با ترکیب M7C3تشکیل می شود که Mمعمولا کرم می باشد با افزودنMo,Nb,W,Co به آلیاژ می توان این کاربید را خنثی کرد.

بوریدها

عنصر B در مقادیر خیلی کم (حدود 01/0%)جهت اصلاح خواص مکانیکی اضافه میگردد. اگر مقدار بور اضافه شده از این مقدار بیشتر گزدد باعث ایجاد فاز جدیدی با ترکیب M3B2 میگرددکه این فاز تمایل به رسوب در مرز دانه ها دارد. M  مهمولا عنصر مولیبدن است اما می تواند عناصری مانندTi,Ni,Cr نیز باشد. دارای شبکه کریستالی تتراگونال می باشند.ذراتی بسیار سخت بوده و دارای مورفولوژی بلوکی شکل هستند.

عملیات حرارتی انحلال سوپر آلیاژها

هدف اولیه از این عملیات، حل کردن فازهای رسوب کرده خصوصا y’و کاربیدها که از پیش از انجام عملیات پیر سختی راسب گردیده اند و یا در حین سرد شدن راسب گردیده اند می باشد.عملیات حرارتی انحلال در دماهی پایین تر از 1080 سبب سرعتهای خزشی بالا تر شده و بهمین صورت عملیات حرارتی انحلال در دماهای بالاتر سبب گسیختگی در کرنش های خزشی کمتر می گردد .

اندازه دانه های هر آلیاژتابع درجه حرارت انحلال است . با افزایش اندازه دانه خزش در دمای بالا کمتر شده و لی استحکام قطعه نیز کمتر می شود.

سختی رسوبی

به منظور راسب کردن فازهای سخت کننده جهت رسیدن به خواص مکانیکی مورد نیاز صورت میگیرد. گاهی عملیات پیر سختی دو مرحله ایصورت میگیرد.تغییر دمای رسوبỳ بر مقاومت خزشی و تنش شکست تاثیر میگذارد. وقتیکه عملیات رسوب سختی در دمای خیلی کم زیر دمای انحلال صورت پذیرد سرعت خزش زیاد می گردد و عمر کاری قطعه کم میگرد.

سوپر آلیاژها

سوپر آلیاژ (Superalloy) به آلیاژهای پایه نیکل، پایه آهن – نیکل و پایه کبالت گفته می شود که عموما در دماهای بالاتر از 540 درجه سانتی گراد استفاده می شوند. سوپر آلیاژ های پایه آهن – نیکل مانند آلیاژ IN-718 از فن آوری فولادهای زنگ نزن توسعه یافته اند و معمولا به صورت کار شده هستند. سوپر آلیاژ های پایه نیکل و پایه کبالت بسته به نوع کاربرد و ترکیب شیمیایی می توانند به صورت ریخته یا کار شده باشند.

از آغاز پیدایش سوپر آلیاژ ها، تعداد زیادی آلیاژ شناخته شده و مورد مطالعه قرار گرفته و تعدادی نیز به عنوان اختراع ثبت شده اند. تعدادی از آن ها در طول سالیان گذشته غربال شده و تعدادی به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته اند. در شکل زیر رفتار تنش گسیختگی سه گروه آلیاژی با یکدیگر مقایسه شده اند (سور آلیاژهای پایه آهن- نیکل، پایه نیکل و پایه کبالت).

سوپرآلیاژ های دارای ترکیب شیمیایی مناسب را می توان با آهنگری و نورد به اشکال گوناگون درآورد. ترکیب های شیمیایی پرآلیاژ تر معمولا به صورت ریخته گری می باشند. ساختارهای سرهم بندی شده را می توان با جوشکاری یا لحیم کاری بدست آورد، اما ترکیب های شیمیایی که دارای مقادیر زیادی از فازهای سخت کننده هستند، به سختی جوشکاری می شوند. خواص سوپرآلیاژها را با تنظیم ترکیب شیمیایی و فرآیند (شامل عملیات حرارتی) می توان کنترل کرد و استحکام مکانیکی بسیار عالی در محصول تمام شده به دست آورد.

اصول متالورژی سوپر آلیاژها

سوپرآلیاژهای پایه آهن، نیکل و کبالت معمولا دارای ساختار بلوری با شبکه مکعبی با سطوح مرکزدار (FCC) هستند. آهن و کبالت در دمای محیط دارای ساختار FCC نیستند. هر دو فلز در دماهای بالا یا در حضور عناصر آلیاژی دیگر، دگرگونی یافته و شبکه واحد آن ها به FCC تبدیل می شود. در مقابل، ساختمان بلوری نیکل در همه دماها به شکل FCC است. حد بالایی این عناصر در سوپر آلیاژها توسط دگرگونی فازها و پیدایش فازهای آلوتروپیک تعیین نمی شود بلکه توسط دمای ذوب موضعی آلیاژها و انحلال فازهای استحکام یافته تعیین می گردد. در ذوب موضعی بخشی از آلیاژ که پس از انجماد ترکیب شیمیایی تعادلی نداشته است در دمایی کمتر از مناطق مجاور خود ذوب می شود. همه آلیاژها دارای یک محدوده دمایی ذوب می شوند و عمل ذوب شدن در دمای ویژه ای صورت نمی گیرد، حتی اگر جدایش غیر تعادلی عناصر آلیاژی وجود نداشته باشد. استحکام سوپر آلیاژ ها نه تنها به وسیله شبکهFCC و ترکیب شیمیایی آن، بلکه با حضور فازهای استحکام دهنده ویژه مانند رسوب ها افزایش می یابد. کار انجام شده بر روی سوپر آلیاژ (مانند تغییر شکل سرد) نیز استحکام را افزایش می دهد، اما این استحکام به هنگام قرارگیری فلز در دماهای بالا حذف می شود.

تمایل به دگرگونی از فاز FCC به فاز پایدارتر در دمای پایین وجود دارد که گاهی در سوپر آلیاژ های کبالت اتفاق می افتد. شبکه FCC سوپر آلیاژ قابلیت انحلال وسیعی برای بعضی عناصر آلیاژی دارد و رسوب فازهای استحکام دهنده (در سوپر آلیاژ های پایه آهن – نیکل و پایه نیکل) انعطاف پذیری بسیار عالی آلیاژ را به همراه دارد. چگالی آهن خالص 7.8 گرم بر سانتی متر مکعب و چگالی نیکل و کبالت تقریبا 8.9 گرم بر سانتی متر مکعب است. چگالی سوپر آلیاژ های پایه آهن – نیکل تقریبا 8.3-7.9 گرم بر سانتی متر مکعب، پایه کبالت 9.4-8.3 و پایه نیکل 7.8-8.9 است.

چگالی سوپر آلیاژ ها به مقدار عناصر آلیاژی افزوده شده بستگی دارد. عناصر آلیاژی Ti،Cr و Al چگالی را کاهش و W،Re و Ta آنرا افزایش می دهند. مقاومت به خوردگی سوپر آلیاژ ها نیز به عناصر آلیاژی افزوده شده و به ویژه Al، Cr و محیط بستگی دارد.

دمای ذوب عناصر خالص نیکل،کبالت و آهن به ترتیب 1453،1495 و 1537 درجه سانتی گراد است. دمای ذوب حداقل (دمای ذوب موضعی) و دامنه ذوب سوپر آلیاژ ها، تابعی از ترکیب شیمایی و فرآیند اولیه است. به طور کلی دمای ذوب موضعی سوپر آلیاژ های پایه کبالت نسبت به سوپرآلیاژها پایه نیکل بیشتر است. سوپرآلیاژهای پایه نیکل ممکن است در دمای 1204 درجه سانتی گراد از خود ذوب موضعی نشان دهند. انواع پیشرفته سوپر آلیاژ های پایه نیکل تک بلور دارای مقادیر محدودی از عناصر کاهش دهنده دمای ذوب هستند و به همین لحاظ، دارای دمای ذوب موضعی برابر یا کمی بیشتر از سوپر آلیاژ های پایه کبالت هستند.

ویژگی ها و خواص سوپر آلیاژها

1) فولادهای معمولی و آلیاژهای تیتانیم در دماهای بالاتر از 540 درجه سانتی گراد دارای استحکام کافی نیستند و امکان خسارت دیدن آلیاژ در اثر خوردگی وجود دارد.

2) چنانچه استحکام در دماهای بالاتر (زیر دمای ذوب که برای اکثر آلیاژها تقریبا 1204-1371) مورد نیاز باشد، سوپر آلیاژ های پایه نیکل انتخاب می شوند.

3) از سوپر آلیاژهای پایه نیکل می توان در نسبت دمایی بالاتری (نسبت به دمای ذوب) در مقایسه با مواد تجاری موجود استفاده کرد. فلزات دیرگداز (نسوز) نسبت به سوپر آلیاژ ها دمای ذوب بالاتری دارند ولی سایر خواص مطلوب آن ها را ندارند و به همین خاطر به طور وسیعی مورد استفاده قرار نمی گیرند.

4) سوپر آلیاژ های پایه کبالت را می توان به جای سوپر آلیاژ های پایه نیکل استفاده کرد که این جایگزینی به استحکام مورد نیاز و نوع خوردگی بستگی دارد.

5) در دماهای پایین تر وابسته به استحکام مورد نیاز، سوپر آلیاژ های پایه آهن – نیکل نسبت به سوپر آلیاژ های پایه نیکل و پایه کبالت کاربرد بیشتری پیدا کرده اند.

6)  استحکام سوپر آلیاژ نه تنها مستقیما به ترکیب شیمیایی بلکه به فرآیند ذوب، آهنگری و روش شکل دهی، روش ریخته گری و بیشتر از همه به عملیات حرارتی پس از شکل دهی، آهنگری یا ریخته گری بستگی دارد.

7) سوپر آلیاژ های پایه آهن – نیکل نسبت به سوپر آلیاژ های پایه نیکل و پایه کبالت ارزان تر هستند.

8) اکثر سوپر آلیاژ های کار شده برای بهبود مقاومت خوردگی دارای مقداری کروم هستند. مقدار کروم در آلیاژهای ریخته در ابتدا زیاد بوده، اما به تدریج مقدار آن کاهش یافت تا عناصر آلیاژی دیگری برای افزایش خواص مکانیکی سوپر آلیاژ های دما بالا، به آن ها افزوده شوند. در سوپر آلیاژ های پایه نیکل با کاهش کروم مقدار آلومینیم افزایش یافت، در نتیجه مقاومت اکسیداسیون آن ها در همان سطح اولیه باقی می ماند و یا افزایش می یابد، اما مقاومت در برابر انواع دیگر خوردگی کاهش می یابد.

9 ) سوپر آلیاژ ها مقاومت در برابر اکسیداسیون بالایی دارند اما در بعضی موارد مقاومت خوردگی کافی ندارند. در کاربرد هایی مانند توربین هواپیما که دما بالاتر از 760 درجه سانتی گراد است سوپرآلیازها باید دارای پوشش کافی باشند. سوپر آلیاژها در کاربردهای طولانی مدت در دماهای بالاتر از 649 درجه سانتی گراد مانند توربین های گازی زمینی می توانند پوشش داشته باشند.

10 ) فن آوری پوشش دهی سوپر آلیاژ ها بخش مهمی از کاربرد و توسعه آن ها می باشد. نداشتن پوشش به معنی کارآیی کم سوپر آلیاژ در دراز مدت و دماهای بالاست.

11) در سوپر آلیاژ ها به ویژه در سوپر آلیاژ های پایه نیکل بعضی از عناصر در مقادیر جزئی تا زیاد اضافه شده اند. در بعضی از آلیاژ ها تعداد عناصر کنترل شده موجود تا 14 عنصر و بیشتر می تواند باشد.

12) نیکل، کبالت، کروم، تنگستن، مولیبدن، رنیم، هافنیم و دیگر عناصر استفاده شده در سوپر آلیاژ ها اغلب گران بوده و مقدارشان در طی زمان متغییر است.

کاربرد سوپر آلیاژ ها در دماهای بالا بسیار گسترده و شامل قطعات و اجزای هواپیما، تجهیزات شیمیایی و پتروشیمی است. دما گاز در بخش داغ موتور هواپیما ممکن است به بالاتر از 1093 درجه سانتی گراد برسد. با استفاده از سیستم های خنک کننده دمای اجزای فلزی کاهش پیدا می کند و سوپر آلیاژ که توانایی کار کردن در این دمای بالا را دارد، جز اصلی بخش داغ به شمار می رود. اهمیت سوپر آلیاژ ها در تجارت روز را می توان با یک مثال نشان داد. در سال 1950 فقط 10 درصد از کل وزن توربین های گاز هواپیما از سوپر آلیاژ ها ساخته می شد. اما در سال 1985 میلادی این مقدار به 50 درصد رسید.

آلومینیم چيست

آلومینیوم عنصری نقره‌ای و انعطاف‌پذیر است، عمدتأ به صورت سنگ معدن بوکسیت یافت می‌شود.

آلومینیوم یکی از فلزات واسطه است که در ایالات متحده آمریکا و کانادا برخلاف سایر کشورها به «آلومینیُم»، «آلومینُم» می‌گویند. هر دو تلفظ از واژه لاتین Lumen به معنی «نور» گرفته شده‌است.

پیش از جداسازی فلز آلومینیم، اکسید آن آلومین نامید می‌شد. هامفری دیوی که موفق نشده بود از آلومین، آلومینیم تهیه کند، گفت که می‌خواهد نام این فلز را «آلومیم» بگذارد. ولی بعداً آن را به «آلومینم» تغییر داد تا با آلومین مطابقت داشته باشد. با این حال واژهٔ آلومینیم کاربرد عمومی پیدا کرد، زیرا نام بسیاری از عنصرهای فلزی به «یُم» ختم می‌شود.

آلومینیم با علامت شیمیایی AL و شبکه کریستالی FCC می تواند اتم های عناصری مثل کربن ،نیتروژن ، بر ، هیدروژن و اکسیژن را به دلیل شعاع اتمی کوچک که دارد در خود به شکل محلول جامد بین نشین حل نماید. نقطه ذوب 660   درجه سانتیگراد و نقطه جوش آن 2750 درجه می باشد. آلومینیم را در دماهای 1000  درجه و بالاتر از آن استفاده نمی کنند به دلیل اینکه شدیدا اکسید شده و تلفات آن زیاد می باشد. ولی منیزیم و روی این مقدار بیشتری از آلومینیم تلفات دارند.

وزن مخصوص 7/2 می باشد و در حالت مذاب 3/2 بنابراین می توان نتیجه گرفت در حالت مذاب انبساط آن زیاد می باشد.در صد انقباض آن در فاز مایع 10% و در حین انجماد 8/6% است و به دلیل انقباض های زیاد به تغذیه در قعات آلومینیم ضرورت می یابد.مهمترین آیاژهای آلومینیم عبارتند از : آلیاژ آلومینیم با منیزیم – مس و سیلیسیم و یا آلیاژهای با ترکیب این سه عنصر لذا در اثر آلیاژ نمودن خواص مکانیکی مقاومت به خوردگی و ماشین کاری آلومینیم افزایش می یابد .

به هر حال آلومینیم  و آلیاژهای آن به دلیل نقطه ذوب پایین ، سیالیت زیادی که دارد افزایش خواص مکانیکی در اثر آلیاژ سازی  و همچنین قابلیت عملیات حرارتی را دارد. منحنی سرد شدن تعادلی مواد فلزی با یکدیگر متفاوت است مثلا یک آلومینیم خاص را با یک آلیاژ  دیگر در نظر بگیرید در فلز خاص در یک دمای خاص انجماد صورت می گیرد .

در صورتی که در یک آلیاژ انجماد در یک فاصله در جه حرارتی صورت می گیرد. عملیات گاز زدایی با استفاده از گازهای فعال مثل کلر : اگر درجه حرارت 180 درجه برسد ترکیب فوق به شکل حباب در آمده ( فرار می باشد ) و هید روژن به داخل آن نفوذ می کند هر چه عمق مذاب بیشتر باشد گاز زدایی یا بازده ی آن بیشتر می شود. عملا باید 6/0 % گاز کلر مصرف شود که بستگی به نوع آلیاژ نوع کوره و شرایط وارد کردن گاز و روش تهیه قالب و رطوبت هوا دارد. گاز زدایی باکلر نسبت با ازت برتری دارد چون گاز کلر حباب کارید آلومینیم ریز و بیشتری تولید می کند

تاریخچه کشف آلومینیوم

فردریک وهلر” بطور کلی به آلومینیوم خالص اعتقاد داشت. اما این فلز دو سال پیشتر به‌وسیله «هانس کریستین ارستد» شیمیدان و فیزیکدان دانمارکی بدست آمد. در روم و یونان باستان این فلز را به‌عنوان ثابت کننده رنگ در رنگرزی و نیز به‌عنوان بند آورنده خون در زخمها بکار می‌بردند و هنوز هم به‌عنوان داروی بند آورنده خون مورد استفاده‌است. در سال ۱۷۶۱، «گویتون دموروو» پیشنهاد کرد تا alum را آلومین   (alumin) بنامند.

پیدایش و منابع

اگر چه Al، یک عنصر فراوان در پوسته زمین است(۱۸٪)، این عنصر در حالت آزاد خود بسیار نادر است و زمانی یک فلز گرانبها و ارزشمندتر از طلا به حساب می‌آمد. بنابراین، به‌عنوان فلزی صنعتی اخیرأ مورد توجه قرار گرفته و در مقیاسهای تجاری تنها بیش از ۱۰۰ سال است که مورد استفاده‌است. در ابتدا که این فلز کشف شد، جدا کردن آن از سنگها بسیار مشکل بود و چون کل آلومینیوم زمین بصورت ترکیب بود، مشکل‌ترین فلز از نظر تهیه به شمار می‌آمد.

آلومینیوم برای مدتی از طلا با ارزش‌تر بود، اما بعد از ابداع یک روش آسان برای استخراج آن در سال ۱۸۸۹، قیمت آن رو به کاهش گذاشت و سقوط کرد. تهیه مجدد این فلز از قطعات اسقاط (از طریق بازیافت) تبدیل به بخش مهمی از صنعت آلومینیوم شد.

بازیافت آلومینیوم موضوع تازه‌ای نیست، بلکه از قرن نوزدهم یک روش رایج برای این کار وجود داشت. با اینهمه تا اواخر دهه ۶۰ این یک کار کم منفعت بود تا زمانیکه بازیافت قوطیهای آلومینیومی آشامیدنیها بالاخره بازیافت این فلز را مورد توجه قرار داد. منابع بازیافت آلومینیوم عبارت‌اند از: اتومبیلها، پنجره‌ها، درها، لوازم منزل، کانتینرها و سایر محصولات.

آلومینیوم، عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی دارای علامت Al و عدد اتمی ۱۳ می‌باشد.

آلومینیوم که عنصری نقره‌ای و انعطاف‌پذیر است، عمدتأ به صورت سنگ معدن بوکسیت یافت می‌شود و از نظر مقاومتی که در برابر اکسیداسیون دارد، همچنین وزن و قدرت آن، قابل توجه‌است. آلومینیوم در صنعت برای تولید میلیونها محصول مختلف بکار می‌رود و در جهان اقتصاد، عنصر بسیار مهمی است.

اجزای سازه‌هایی که از آلومینیوم ساخته می‌شوند، در صنعت هوانوردی و سایر مراحل حمل و نقل بسیار مهم هستند. همچنین در سازه‌هایی که در آنها وزن پایداری و مقاومت لازم هستند، وجود این عنصر اهمیت زیادی دارد.

ویژگی‌های قابل توجه

آلومینیوم، فلزی نرم و سبک، اما قوی است، با ظاهری نقره‌ای – خاکستری مات و لایه نازک اکسایش که در اثر برخورد با هوا در سطح آن تشکیل می‌شود، از زنگ خوردگی بی. ِ چکش خوار، انعطاف پذیر و به راحتی خم می‌شود. همچنین بسیار بادَوام و مقاوم در برابر زنگ خوردگی است. بعلاوه، این عنصر غیر مغناطیسی، بدون جرقه، دومین فلز چکش خوار و ششمین فلز انعطاف‌پذیر است.

آلومینیوم چیست

کاربردها

چه از نظر کیفیت و چه از نظر ارزش، آلومینیوم کاربردی‌ترین فلز بعد از آهن است و تقریبأ در تمامی بخش‌های صنعت دارای اهمیت می‌باشد. آلومینیوم خالص، نرم و ضعیف است، اما می‌تواند آلیاژهایی را با مقادیر کمی از مس، منیزیوم، منگنز، سیلیکون و دیگر عناصر بوجود آورد که این آلیاژها ویژگی‌های مفید گوناگونی دارند. این آلیاژها اجزای مهم هواپیماها و راکتها را می‌سازند.

وقتی آلومینیوم را در خلاء تبخیر کنند، پوششی تشکیل می‌دهد که هم نور مرئی و هم گرمای تابشی را منعکس می‌کند. این پوششها لایه نازک اکسید آلومینیوم محافظ را بوجود می‌آورند که همانند پوششهای نقره خاصیت خود را از دست نمی‌دهند. یکی دیگر از موارد استفاده از این فلز در لایه آینه‌های تلسکوپ‌های نجومی است. برخی از کاربردهای فراوان آلومینیوم عبارت‌اند از: حمل و نقل (اتومبیل‌ها، هواپیماها، کامیون‌ها، کشتی‌ها، ناوگانهای دریایی، راه آهن و…) بسته‌بندی (قوطی‌ها، فویل و…) ساختمان (درب، پنجره، دیوار پوشها و…) کالاهای با دوام مصرف کننده (وسایل برقی خانگی، وسایل آشپزخانه، …) خطوط انتقال الکتریکی (به‌علت وزن سبک اگرچه هدایت الکتریکی آن تنها ۶۰٪ هدایت الکتریکی مس می‌باشد) ماشین آلات اکسید آلومینیوم (آلومینا) بطور طبیعی و بصورت کوراندوم، سنگ سنباده، یاقوت و یاقوت کبود یافت می‌شود که در صنعت شیشه‌سازی کاربرد دارد. یاقوت و یاقوت کبود مصنوعی در لیزر برای تولید نور هم‌نوسان بکار می‌روند. آلومینیوم با انرژی زیادی اکسیده می‌شود و در نتیجه در سوخت موشکهای با سوخت و دمازاها مورد استفاده واقع می‌شود.

وزن مخصوص كم

یك متر مكعب آلومینیوم خالص 8/2827 كیلوگرم وزن دارد و یك متر مكعب از سنگین‌ترین آلیاژهای آلومینیوم (یعنی آلیاژهای حاوی مس و روی) دارای وزنی در حدود 2953 كیلوگرم است. حتی این سنگین‌ترین آلیاژ‌های آلومینیوم نیز حداقل 1978 كیلوگرم در هر متر كعب سبك‌تر از وزن هم حجم سایر فلزات ساختمانی (بجز منیزیم) است.

پوشش سخت دادن  Hard Coating

یكی از فرآیندهای آندایزه كردن است كه به تدریج اهمیت پیدا می‌كند و آن را آندایزه كردن سخت یا پوشش سخت دادن می‌نامند. این فرآیند گرچه در اساس مشابه آندایزه كردن معمولی است ولی از چند نقطه نظر با آن تفاوت دارد. در پوشش سخت، محلول مورد استفاده اسید سولفوریك و درجه حرارت عمل پایین‌تر است. فرآیند بقدری ادامه می‌یابد كه لایه اكسیدی به ضخامتی تا حدود 5 برابر ضخامت آندایزه كردن معمولی برسد.

پوشش آلومینیومی دادن  Alcladding

بطور كلی آلیاژهای آلومینیوم با استحكام زیاد از نظر خوردگی كم مقاومترین آنها محسوب می‌گردند. این مطلب بخصوص در مورد آلیاژهای حاوی درصدهای زیاد مس یا روی صادق است. از طرف دیگر مقاومت به خوردگی آلومینیوم خالص بسیار زیاد است. پوشش آلومینیومی دادن یكی از روشهای افزایش مقاومت خوردگی به یك آلیاژ با استحكام زیاد است. در این فرآیند یك لایه آلومینیوم خالص به سطح آلیاژ مورد نظر متصل شده و در نتیجه مجموعه حاصل خواص مورد نظر حاصل می‌شود. این روش مخصوصاً در محصولات ورقه‌ای مناسب است.

ریخته گری در قالبهای مختلف

ریخته گری در قالب های فلزی – ریخته گری در قالبهای ماسه در قالبهای فلزی در رابطه با آلیاژهای آلومینیم – سیلیسیم با افزایش درصد سیلیسیم سختی پیوسته افزایش می یابد با افزایش در صد سیلیسیم تا حدود 12% استحکام کششی  افزایش و بعد از آن کاهش می یابد و همچنین با افزایش آن تا حدود 6% از دیادطول کاهش می یابد. در رابطه با قالب های ماسه ای با افزایش درصد سیلیسیم تا حدود 22% استحکام افزایش و بعد از آن کاهش می یابد . افزودن سیلیسیم به مذابآلومینیم توسط آلیاژ ساز های آلومینیم-سیلیسیم که دارای 13 تا 23 % سیلیسیم می باشد صورت می گیرد این آلیاژ ساز به دلیل نقطه ذوب پایین یعنی 580 درجه سانتیگراد به راحتی در مذاب آلومینیم قابلیت حل شدن دارند.

روش های مختلف  قالبگیری آلیاژهای آلومینیم

آلیاژهای آلومینیم با کلیه روش های قالبگیری  موقت ماسه ای ، گچی پوسته ای ، سرامیکی و قالب های فلزی و قالب های تحت فشار قابلیت ریخته گری دارند. ریخته گری در قالب های ماسه ای از انواع ماسه های سیلیسی ، زیرکنی ، کرومیتی استفاده می شود و در قالب های فلزی جنس قالب های فلزی از چدن خاکستری پر کربن بوده و سطح آن را با گرافیت پوشش می دهند.

نرمی آلومینیم در حالت سرد

اغلب عملیات شکل دادن آلومینیم در حالت سرد انجام می گیرد زیرا وقتی پوفیلی با رویه نازک و روق های نازک حرادت داده می شوند امکان تاب خوردن آنها وجود دارد نیروی لازم برای تغییر شکل آلومینیم کمتر از فولاد است نرمی آلومینیم به خود ماده ( نوع آلیاژ ) و حالت آن بستگی دارد وضعیت آلومینیم مانند هر فلز دیگری در اثر کار  سرد تغییر می کند تاثیر کار سرد بر آلومینم از این قرار است ماده مستحکم تر و سخت تر می شود در قطعه تنش تولید می شود اگر تغییر شکل از ظرفیت تغییر شکل پذیری فلز بیشتر شود کار سرد مممکن است باعث ترک خوردن آن شود راحت  ترین ماده آلومینیمی از نظر تغییر شکل و نرمی آلویمینم حالص آلومینیم تصفیه شده و آلیاژ Al-Mn در حالت نرم آ« است آلومینیم خالص و آلیاژهای آلومینیم در حالت نیمه سخت و آلیاژهای پیر سختی پذیر در حالت نرم در حال کار پذیر هستند گر چه کارپذیری آن ها کمتر از موادبیشتر شاد شده است آلیاژ های آلومینیم در حالت سخت یا حالات کاملا پیر سهت شده به مقدار کمی کار پذیرند و به طور کلی کارپذیری آنها بسیار مشکل است.

آلیاژهای آلومینیم-روی-منیزیم

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 0.3 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 ملاحظه 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 بالا باشد، در نهایت منجر به تولید آلیاژهای گروه Al-Zn-Mg-Cu شد. آلیاژ 7075 شناخته شده ترین آلیاژ این گروه است.

آلومینیم و آلیاژهای آن

برای بررسی آلومینیم و آلیاژهای آن (Aluminium & Aluminium Alloys) ابتدا به تاریخچه آن پرداخته می شود. آلومینیم در سال 1855 برای نخستین بار در کشور فرانسه  و به روش احیا کلرید آلومینیم با سدیم تهیه شد. مصرف نظامی این عنصر سبب گردید که این فلز مورد توجه قرار گیرد. در سال 1886، هال (Hall) در آمریکا و هرولت (Heroult) در فرانسه به طور مستقل از هم به روشی اقتصادی برای تولید آلومینیم دست یافتند. ابداع این روش جدید منجر به کاهش قابل ملاحظه قیمت آلومینیم شد که در نتیجه آن در عرض دو سال بعد قیمت آلومینیم به هر کیلو 4 دلار افت پیدا کرد. از این پس لزوم تولید آلومینیم به عنوان یک فلز کاربردی تجاری، به در دسترس بودن مقادیر زیاد انرژی برق ارزان قیمت منوط شد.

آلومینیوم چیست

استخراج آلومینیم

آلومینیم از کانی بوکسیت استخراج می شود که حاوی 40 الی 60 درصد آلومینای هیدراته به همراه اکسید آهن، سیلیس و تیتان است. این اسم از نام les Baux، ناحیه ای در فرانسه که اولین بار این سنگ معدن را از آنجا استخراج کردند، گرفته شده است. بوکسیت از هوازدگی سنگ هایی مانند گرانیت و بازالت که حاوی مقادیر زیادی از آلومینیم هستند، ایجاد می شود. بزرگترین منابع این کانی در مناطق گرمسیر مانند شمال استرالیا، گینه و برزیل است. ذخایر بوکسیت با عیار بالا و مقادیر کم سیلیس عمر طولانی ندارند و برای استفاده از بوکسیت با مقادیر زیاد سیلیس، باید از روش فلوتاسیون استفاده کرد که استفاده از روش فلوتاسیون به بهای این فلز می افزاید.

در خاک رس، سنگ های رسی و سایر مینرال ها مقادیر بسیار زیادی آلومینیم وجود دارد ولی استخراج آن از این مواد مشکل و غیر اقتصادی است. یک استثنا در این مورد کشور روسیه است که در آن ذخایر بوکسیت پرعیار موجود نیست و چند کارخانه تولیدی در مناطقی دور از منابع این سنگ معدن وجود دارد.

برای تولید آلومینیم از کانی بوکسیت باید از دو مرحله مجزا استفاده کرد:

1-  تولید آلومینا ( اکسید آلومینیم )

2- استخراج آلومینیم از آلومینا

برای تهیه آلومینا از بوکسیت از روش بایر استفاده می شود. در روش بایر، بوکسیت را در سود غلیظ و در دمایc  ْ240 حل می کنند. ناخالصی های اکسید آهن و سیلیکا به صورت لجن قرمز رسوب کرده و به وسیله فیلتر کردن از محلول جدا می شوند. بلورهای تری هیدرات آلومینیم را به عنوان جوانه های اولیه به محلول اضافه می کنند و مطابق رابطه زیر سود و تری هیدروکسید آلومینیم تولید می شوند.

سود بازیافت شده از مرحله فوق مجددا به ابتدای خط باز می گردد و مورد استفاده قرار می گیرد. برای تهیه آلومینا از هیدروکسید آلومینیوم باید تکلیس صورت بگیرد. تکلیس هیدروکسید آلومینیوم  در دمای 1200 درجه سانتی گراد انجام گرفته که در نتیجه آن، آب ساختاری آن خارج شده و پودر آلومینا تهیه می شود.

در مرحله دوم، آلومینا را در کریولیت مذاب (Na2ALF6) حل می کنند. نمونه ای از ترکیب این محلول، دارای 80 الی 90 درصد کریولیت و 2 الی 8 درصد آلومینا به همراه فلورایدهای آلومینیوم و کلسیم است. از طریق فرآیند الکترولیز از این محلول، آلومینیم بدست می آید.

مکانیزم واکنش الکترولیتی در سلول هنوز مشخص نیست، ولی گمان می رود که یون های Na+، AlF4-، AlF63- و یون های پیچیده تری مانندAlOF32- حامل جریان برق باشند. یون های فلوراید آلومینیوم و یون های فلوئور در کاتد و یون های پیچیده تر در آند تجمع می کنند. واکنش آند به شکل زیر است

تولید شمش آلومینیم و عملیات پس از آن

پس از استخراج آلومینیم اولین قدم، ذوب مجدد آن است. برای انجام این مرحله، آلومینیوم مذاب بدست آمده از سلول های احیاء در کوره ریخته و عناصر آلیاژی و قراضه را به آن می افزایند. در این کوره فلز مذاب با برداشت سرباره تمیز می شود.

مهم ترین عواملی که منجر به افزایش کیفیت شمش تولیدی می شوند، عبارتند از :

– مخلوط شدن اجزای آلیاژ

– گاز زدایی مناسب برای حذف سرباره ها، اکسیدها، گازها و سایر ناخالصی های غیر فلزی

گاززدایی اهمیت بسزایی در کیفیت نهایی شمش دارد، زیرا، هیدروژن تنهای گازی است که میزان حلالیت آن در آلومینیم قابل اندازه گیری است. میزان حلالیت تعادلی این گاز در مذاب و جامد آلومینیم در نقطه ذوب و در فشار یک اتمسفر به ترتیب برابر با 0.68 و 0.036 سانتی متر مکعب در 100 گرم فلز است. در حین انجماد، هیدروژن اضافی، به صورت گاز مولکویی در می آید که ممکن است در ساختار جامد به دام افتاده و منجر به ایجاد تخلخل شود. برای جلوگیری از تشکیل تخلخل مقدار هیدروژن در مذاب آلومینیم به کمتر از 0.15 سانتی متر مکعب در 100 گرم کاهش یابد.

برای گاز زدایی می توان از گازهای نیتروژن، آرگون، کلر و یا مخلوط این گازها یا از هیدروژن کربن کلر دار جامد استفاده کرد. ولی معمولا در تمامی موارد مقداری گاز کلر استفاده می شود، زیرا این گاز نقش مهمی در خارج کردن آخال ها از طریق سرباره گیری ایفا می کند. مشکل استفاده از گاز کلر، آلودگی محیط زیست است. راه حل ارائه شده برای این مسئله، استفاده از روش ابداعی شرکت آلومینیم انگلستان است که به فرآیند گاززدایی بدون دود مداوم یا FILD معروف است.

برای تولید ساختار یکنواخت شمش از فرآیندهای تبرید جهت دار و نیمه مداوم استفاده می شود. تهیه شمش ها معمولا به وسیله روش عمودی صورت می گیرد. مقاطع کوچک تر توسط روش افقی تهیه می شوند که در این روش کنترل اندازه دانه دشوار است. در شکل روبرو این دو روش نمایش داده شده اند.

قالب های متحرک، ریخته گری آلیاژهای آلومینیم را متحول کرده و امکان تولید اشکالی نزدیک به محصول نهایی را ایجاد نموده است. از جمله این روش ها می توان به روش ریخته گری میله و ورق اشاره کرد.

پس از تهیه شمش، باید عملیات همگن کردن انجام گیرد. همگن سازی برای آلیاژ های پر استحکام از  اهمیت بالایی برخوردار است زیرا رسوب گذاری و توزیع ترکیبات بین فلزی مانند MnAl6، Al12Mg2Cr و ZrAl3 در این مرحله صورت می گیرد. بنابراین، زمان، دما و نرخ گرم کردن تا دمای همگن سازی اهمیت بسزایی بر خواص محصول دارد. برای جوانه زنی و توزیع یکنواخت این ترکیبات، سرعت گرم کردن در حدود 75 درجه سانتی گراد بر ساعت است.

طبقه بندی آلیاژهای آلومینیوم

آلیاژهای آلومینیم در حالت کلی به دو دسته کار پذیر و ریختگی تقسیم بندی می شوند و هر کدام از این گروه ها به دو دسته عملیات حرارتی پذیر و غیر قابل عملیات حرارتی تقسیم بندی می شوند

مس چیست

مس یکی از عناصر جدول تناوبی است که نشان آن  Cu و عدد اتمی آن 29 میباشد.

 پیدایش

مس معمولا به شکل معدنی یافت می شود.کانیهایی مثل آزوریت ، مالاکیت و برنیت همانند سولفیدهایی از جمله از منابع مس (Cu٢O) یا اکسیدهایی مانند کوپریت ( Cu٢S) کالکوزین ، ( CuS) کوولین ، ( CuFeS کالکوپیریت هستند .

خصوصیات قابل توجه

مس فلز نسبتا” قرمز رنگی است که از خاصیت هدایت الکتریکی و حرارتی بسیار بالایی برخوردار می باشد.( در بین فلزات خالص ، تنها خاصیت هدایت الکتریکی نقره در حرارت اطاق از مس بیشتر است) چون قدمت مصنوعات مسی کشف شده به سال 8700 قبل از میلاد برمی گردد، احتمالا” این فلز قدیمی ترین فلز مورد استفاده انسان می باشد. مس علاوه بر اینکه در سنگهاي معدنی گوناگون وجود دارد ، به حالت فلزي نیز یافت می شود.( مثلا “مس خالص در بعضی مناطق) این فلز را یونانیان تحت عنوان Chalkos می شناختند .چون مقدار بسیار زیادي از این فلز در قبرس استخراج می شد رومیان آنرا  aes Cyprium می نامیدند. بعدها این کلمه به فرم ساده تر cuprum  درآمد و در نهایت انگلیسی شده و به لغت Copper  تبدیل شد.

کاربردها

مس فلزي قابل انعطاف و چکش خوار است که کاربردهاي زیادي در موار زیر دارد :

سیمهاي مسی

لوله هاي مسی

دستگیره هاي درب و سایر وسایل منزل

مجسمه سازي مثلا “مجسمه آزادي شامل 179000 پوند مس می باشد .

آهنرباهاي الکتریکی

موتورها، بخصوص موتورهاي الکترومغناطیسی

موتور بخار وات

کلیدها و تقویت کننده هاي الکتریکی

لامپهاي خلاء ، لامپهاي پرتوي کاتدي ومگنترونهاي اجاقهاي مایکرو ویو

هدایت کننده موج براي تشعشع مایکروویو

به علت خاصیت هدایت بهتر آن نسبت به آلومینیوم، کاربرد مس در  IC ها به جاي آلومینیوم رو به افزایش است.

بعنوان جزئی از سکه ها

در وسایل آشپزي، از جمله ماهی تابه

بیشتر سرویسهاي قاشق چنگال ( flatware) قاشقها، چنگالها و چاقوها داراي مقادیري مس هستند(نقره نیکلی)

اگر نقره استرلینگ در ظروف غذاخوري بکار رفته باشد، حتما”باید داراي درصد کمی مس باشد.

بعنوان بخشی از لعاب سرامیکی و در رنگ آمیزي شیشه

وسایل موسیقی، بخصوص سازهاي بادي

بعنوان یک بیواستاتیک در بیمارستانها و پوشاندن قسمتهاي مختلف کشتی براي حفاظت در برابر بارناکلها و ماسلها

ترکیباتی مانند محلول فلینگ که در شیمی کاربرد دارد

سولفات مس که بعنوان سم و تصفیه کننده آب کاربرد دارد

مس چیست

تاریخچه

مس براي تعدادي از تمدنهاي قدیمی ثبت شده ، شناخته شده بود و تاریخ استفاده از آن حد اقل به 10000 سال پیش می رسد. یک آویزه مسی ، متعلق به سال ٨٧٠٠ قبل از میلاد در شمال عراق کنونی پیدا شد.نشانه هایی مبنی بر ذوب و خالص کردن مس از اکسیدهاي آن مانند مالاکیت و آزوریت تا سال 5000 قبل از میلاد وجود دارد.در عوض اولین نشانه هاي استفاده از طلا تقریبا” به 400 سال قبل از میلاد بر می گردد .

مصنوعات مسی و برنزي که از شهرهاي سومري و مصنوعات مصري که از مس و آلیاژ آن با قلع یافت شده تقریبا” متعلق به 3000 سال قبل از میلاد هستند. در یکی از اهرام یک سیستم لوله کشی با مس پیدا شده که مربوط به 5000 سال پیش است.مصریان دریافتند افزودن مقدار کمی قلع ، قالب گیري مس را آسان تر می کند لذا آلیاژهاي برنزي که در مصر کشف میشوند تقریبا” قدمتی همانند مس دارند. استفاده از مس در چین باستان حداقل به 2000 سال قبل از میلاد مربوط بوده و تا 1200 سال قبل از میلاد در این کشور برنز مرغوب ساخته می شده است. در نظر داشته باشید چون مس به راحتی براي استفاده و کاربرد مجدد ذوب می شود ، دوران ذکر شده تحت تاثیر جنگها و کشورگشائیها قرار می گیرد.در اروپا مرد یخی Oetzi ، مردي که به دقت نگهداري می شود و متعلق به 3200 سال قبل از میلاد است تبري با نوك مسی در دست دارد که درجه خلوص فلز آن 7/99% می باشد. مقدار زیاد آرسنیک موجود در موهاي او نشان دهنده سرو و کار او با پالایش مس می باشد .

استفاده از برونز در مرحله اي از تمدن به قدري فراگیر بود که آن مرحله را عصر برونز می نامند .برنج براي یونانیان شناخته شده بود اما اولین بار بصورت گسترده توسط رومیان بکار رفت .

به خاطر زیبایی درخشانش- بطوریکه در باستان براي ساخت آئینه از آن استفاده می شد -ونیزبه دلیل ارتباط آن با قبرس که مربوط به الهه بود، در اسطوره شناسی و کیمیاگري فلز مس با الهه هاي آفرودیت و ونوس پیوند دارد. در کیمیا گري علامتی

را که براي مس در نظر گرفته بودند ، علامت سیاره زهره (ونوس) نیز بود .

نقش بیولوژیکی

وجود مس براي کلیه گیاهان و حیوانات عالی ضروري می باشد. مس در آنزیمهاي متنوعی ،از جمله مراکز مس cytochrome c oxidase و آنزیم حاوي Cu-Zn به نام superoxide dismutase وجود دارد و فلز اصلی در رنگدانه حامل اکسیژن  hemocyanin  است. RDA براي مس در بزرگسالان سالم 9/0میلی گرم در روز می باشد.

مس در جریان خون عمدتا روي پروتئین پلاسمایی بنام ceruloplasmin حرکت می کند. اگرچه مس اول در روده  جذب میشود، این عنصر همبسته با آلبومین به سوي کبد منتقل می شود .

یک حالت ارثی که بیماري ویلسون نامیده می شود موجب باقی ماندن مس در بدن و عدم ورود آن به صفرا توسط کبد شود. این بیماري در صورت عدم درمان می تواند منجر به آسیبهاي کبدي و مغزي شود .

ترکیبات

آلیاژهاي بسیاري از مس وجود دارد -برنج آلیاژ مس/روي و برنز آلیاژ مس /قلع است. متداول ترین حالات اکسیداسیون مس شامل حالت مربوط به مس یک طرفیتی  cuprous، +Cu١ و حالت cupric +Cu ٢می باشد.

کربنات مس به رنگ سبز است که بوسیله آن ظاهر منحصر به فرد بامها یا گنبدهاي با پوشش مس روي بعضی ساختمانها ساخته می شوند .

اکسیدهاي مس  مانند :اکسید مس ایتریم و باریم O3CU  2 Vδ Yba یا YBCO پایه هاي بسیاري از ابر رساناهاي غیر  معمول را تشکیل می دهند.

ترکیبات دیگر : سولفید مس

ایزوتوپها

علاوه بر تعداد زیادي رادیوایزوتوپ ، دو ایزوتوپ پایدار CU-63 و CU-65 موجود است.تعداد بسیار زیادي از این  رادیوایزوتوپها داراي نیمه عمرهایی به مقیاس دقیقه یا کمتر دارند ، طولانی ترین نیمه عمر متعلق به ۶۴CU-است که مدت آن 12/7 ساعت، با دو حالت فرسایشی که منجر به محصولات جداگانه می شود.

هشدارها

با تمامی ترکیبات مس باید طوري رفتار شود گویی سمی هستند مگر خلاف آن مشخص باشد. این فلز در حالت پودزي خطر آتش زایی دارد. 30 گرم سولفات مس براي انسان کشنده است. مس موجود در آب آشامیدنی با غلظتی بیش از1 میلی گرم در لیتر موجب لک شدن لباسها و اقلام در آب می گردد. مقدار بی خطر مس در آب آشامیدنی انسان بر حسب منبع آن متفاوت است اما مرز آن بین 5/1 تا 2 میلی گرم در هر لیترمی باشد.

شناخت محیط رشد:مس

مس نیز به مقدار بسیار کم در تولید کلروفیل، پروتئین، کربوهیدرات ها و همچنین در فعال ساختن برخی از آنزیم ها مورد نیاز است. در صورت کمبود مس برگها کوچک مانده و سرشاخه هاي جوان را دچار برگ سوختگی می کند. هر چه واکنش خاك اسیدي تر باشد، مس قابل استفاده تر است.

براي رفع کمبود مس از سولفات مس به تنهایی و گاهی مخلوط با آهک به نام محلول بردو استفاده می شود که البته بازده آن در خاکهاي ایران بسیار کم است.