رسوب سختی آلومینیوم

مهمترین ویژگی آلیاژ های عملیات حرارتی پذیر که رسوب سختی آلومینيوم روی آن ها انجام می شود، وابستگی حلالیت عناصر آلیاژی به دما است. البته پارامترهای دیگری نیز وجود دارند که امکان استحکام دهی به وسیله تشکیل رسوب را تحت تاثیر قرار می دهند. برای مثال آلیاژ های آلومینیوم – سیلیسیم و آلومینیوم – منیزیم هر چند نمودار حلالیت وابسته به دما دارند، ولی استحکام دهی ناچیزی را به وسیله رسوب دهی تجربه می کنند. مهمترین آلیاژهای آلومینیوم که رسوب سختی الومینیوم روی آن ها انجام می شود، آلیاژهای زیر هستند.

1-آلیاژهای آلومینیوم – مس یا سری 2000

2-آلیاژهای آلومینیوم – مس – منیزیم

3-آلیاژهای آلومینیوم – منیزیم – سیلیسیم یا برخی آلیاژهای سری 4000 و 6000

4-آلیاژ های آلومینیوم – روی – منیزیم یا سری 7000

5-آلیاژهای آلومینیوم – روی – منیزیم – مس

فرآیند رسوب سختی آلومینیوم

رسوب سختي آلومینیوم در سه مرحله عملیات انحلال ، کوئنچ و پیرسختی انجام می گیرد. در عملیات حرارتی انحلال گرمایش آلیاژ تا حدی صورت میگیرد که عناصر آلیاژی وارد محلول جامد شده و محلول جامدی تک فاز را تشکیل دهند. دمای انحلال باید به اندازه ای باشد که حلالیت ناقص بر اثر دمای پایین یا ذوب یوتکتیکی ناشی از دمای بالا رخ ندهد. بعد از تکمیل انحلال ، ترکیب آلیاژی در آب ، روغن یا ترکیب نمکی کوئنچ می شود.

پارامترهایی که روی خواص نهایی آلیاژ طی رسوب سختی آلومینیوم تاثیر می گذارند، شامل زمان نگه داری، دمای نگه داری و سرعت سرمایش هستند. تصویر نمودار شماتیک این فرآیند را به تصویر می کشد. دمای نگه داری برای آلیاژ های مختلف متفاوت است و به فازهای موجود در آلیاژ اولیه بستگی دارد. هر فاز متفاوت در دما و با نرخ متفاوتی در آلیاژ حل می شود. زمان نگه داری وابسته به نرخ انحلال فاز های موجود در آلیاژ است و با افزایش دما کاهش می یابد. زمان نگه داری به شرایط ریخته گری آلیاژ ، ابعاد و شکل قطعه نیز بستگی دارد.

بعد از تکمیل فرآیند کوئنچ ، رسوب سختی آلومینیوم آغاز می شود. رسوب سختی در دمای اتاق را پیرسازی طبیعی و در دمای بالا را پیرسازی مصنوعی می نامند. طی عملیات پیرسازی ، تجزیه محلول جامد فوق اشباع رخ می دهد. دمای پیرسازی و درجه فوق اشباع روی شدت پیرسازی تاثیر می گذارند. دمای پیرسازی بیشتر هنگامی استفاده می شود که نیاز به فازهای پایدار تر با دقت ابعادی بیشتری وجود دارد.

مراحل رسوب سختی آلومینیوم

رسوب سختی آلومینیوم در اغلب آلیاژ های عملیات حرارتی پذیر از مراحل زیر تشکیل شده است.

در مرحله اول که پیش از تشکیل ذرات رسوب به پایان می رسد، چیدمان اتم ها در شبکه بلوری تغییر می کند. این مسئله موجب تشکیل توده ها و مناطق گویینیر-پرستون (GP) می شود. به علت ایجاد کرنش در شبکه، خواص مکانیکی در این مرحله بهبود می یابد.

در مرحله دوم، ساختار های میانی و انتقالی GP-II تشکیل می شوند. تشکیل این فازها موجب افزایش شدید استحکام دهی آلیاژ می شود.

در مرحله سوم رسوب سختی آلومینیم ، فازهای پایدار با مرزدانه های غیر مشترک با دانه های شبکه تشکیل می شوند

رشد رسوبهای بزرگتر موجب حذف رسوبهای کوچکتر شده و تنش زدایی در شبکه رخ می دهد. در این مرحله استحکام به طور قابل توجهی کاهش و چقرمگی افزایش می یابد.

رسوب سختی آلومینیوم در صورتی باعث استحکام دهی شبکه می شود که این فرآیند موجب تولید رسوبات ریزی شود که به طور همگن در شبکه توزیع شوند. ضمنا باید مطابقتی بین ذره رسوب و شبکه وجود داشته باشد. همدوس بودن یا مطابقت شبکه با رسوب موجب گیر افتادن نابجایی ها و افزایش استحکام شبکه می شود. افزایش ابعاد رسوب موجب افزایش مطابقت شبکه با رسوب یا ناهمدوس شدن شبکه شده و استحکام را کاهش می دهد.

انواع عملیات حرارتی رسوب سختی آلومینیوم

عملیات حرارتی رسوب سختی آلومینیوم انواع مختلفی دارد که بوسیله حرف T و شماره هایی مجزا شده اند. فهرست زیر تعدادی از عملیات حرارتی رسوب سختی آلومینیوم را مشخص می کند.

T1: از فرآیندهای شکل دهی در دمای بالا سرد شده و به صورت طبیعی پیر شده

T2: از فرآیندهای شکل دهی در دمای بالا سرد شده، کار سرد شده و به صورت طبیعی پیر شده

T3: تحت انحلال قرار گرفته، کار سرد شده و به صورت طبیعی پیر شده

T4: تحت انحلال قرار گرفته و به صورت طبیعی پیر شده

T5: از فرآیندهای شکل دهی در دمای بالا سرد شده و به صورت مصنوعی پیر شده

T6: تحت انحلال قرار گرفته و به صورت مصنوعی پیر شده

T7: تحت انحلال قرار گرفته و به صورت مصنوعی فرتوت شده

T8: تحت انحلال قرار گرفته، کار سرد شده و به صورت مصنوعی پیر شده

T9: تحت انحلال قرار گرفته، به صورت مصنوعی پیر شده و کار سرد شده

T10: از فرآیندهای شکل دهی در دمای بالا سرد شده، کار سرد شده و به صورت مصنوعی پیر شده

رسوب سختی آلومینیوم – مس

رسوب سختی آلومینیوم مس و آلومینیوم – مس – منیزیم جزو مهمترین عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم است. وجود منیزیم در ساختار آلیاژ موجب تسریع فرآیند پیرسازی می شود.

 در دماهای پیرسازی پایین رسوب سختی آلومینیوم ، ذرات رسوبی همدوس GP تشکیل می شوند. وجود تهی جای های باقی مانده در ساختار پس از کوئنچ به نفوذ اتم های مس کمک کرده و تشکیل ذرات GP را ممکن می سازد. اگر آلیاژ تا دمای 130 درجه سانتیگراد حرارت داده شود، ذرات بزرگتر GP2 تشکیل می شوند که هر چند قطری معادل 5 برابر ذرات GP دارند، اما همدوس هستند. در دماهای بالاتر یا  زمان نگه داری بیشتر ذرات بزرگتر و غیرهمدوس ^′ϴ تشکیل شده و در نهایت رسوب همدوس و پایدار CuAl2 یا ϴ تشکیل می شود.

طبق تصویر مشخص است که با تشکیل رسوب های همدوس GP2 سختی تا حد زیادی بالا رفته و استحکام نیز بیشتر می شود. اما زمان پیرسازی بیشتر و از بین رفتن همدوسی رسوب ها با شبکه به دلیل تشکیل ذرات ^′ϴ موجب کاهش خواص مکانیکی آلیاژ می شود. به این پدیده به اصطلاح فرتوت شدن می گویند. با انحلال رسوب های GP فرآیند استحکام دهی به وسیله رسوب سختی آلومینیوم با مشکل مواجه می شود. در اغلب آلیاژ های آلومینیوم – مس در دمای 200 درجه سانتیگراد این پدیده رخ می دهد، که به این پدیده اصطلاحا معکوس شدن می گویند. به این دلیل معمولا دمای کاری این آلیاژها زیر دمای معکوس شدن در نظر گرفته می شود.

وجود درصد های کمی از قلع ، کادمیوم یا ایندیوم به آلیاژ های آلومینیوم – مس موجب تقویت استحکام دهی توسط رسوب دهی آلومینیوم خواهد شد.

رسوب سختی باقی آلیاژ های آلومینیوم

آلیاژهای آلومینیوم – منیزیم – سیلیسیم جزو آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر آلومینیوم هستند. این آلیاژها استحکام قالب قبول و شکل پذیری خوبی دارند. در این دسته آلیاژها هنگامی که منیزیم و سیلیسیم در نسبت صحیحی حاضر هستند، ترکیب بین فلزی Mg₂Si تشکیل می شود. برای رسوب سختی آلومینیوم این دسته آلیاژها، عملیات انحلال در 516 تا 545 درجه سانتیگراد انجام می شود و سپس در آب سرد کوئنچ می شود. پیرسازی این آلیاژها به صورت طبیعی انجام می شود.

آلیاژهای آلومینیوم – مس – منیزیم – سیلیسیم توسط ذرات CuAl₂ و CuAl₂Mg پیرسختی می شوند. در شرایط خاص رسوبهای دیگری نیز طی عملیات حرارتی تشکیل می شوند که از اهمیت بالایی برخوردار نیستند. آلیاژهای آلومینیوم – روی – منیزیم – مس بیشترین استحکام را بین آلیاژهای آلومینیوم دارند. انحلال این دسته آلیاژها در 460 درجه و پیرسختی مصنوعی در 110 درجه سانتیگراد انجام می شود. فاز رسوب سختی آلومینیوم در این آلیاژ MgZn₂ می باشد.

هزینه رسوب سختی آلومینیوم

رسوب سختی آلومینیوم فرآیندهای متفاوتی دارد که هر کدام برای یک نوع آلیاژ طراحی شده اند. به طور کلی نسبت به فرآیندهای عملیات حرارتی باقی آلیاژها، عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم نیاز به زمان و دمای بالایی ندارند. در نتیجه، هزینه رسوب سختی آلومینیوم وابسته به ابعاد قطعه بوده و به صرفه می باشد.