عملیات حرارتی آلومینویم یا هر نوع عملیات حرارتی به گرمایش و سرمایشی اشاره دارد که به منظور تغییر ویژگی های مکانیکی و ساختار متالورژیکی یک محصول فلزی انجام می شود. هنگامیکه این اصطلاح در آلیاژهای آلومینیم به کار گرفته می شود استفاده از آن اغلب به عملیات خاصی محدود می شود که برای افزایش استحکام و سختی آلیاژهای ریختگی و کار شده که قابلیت رسوب سختی دارند استفاده می شود. این آلیاژها معمولا به عنوان آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر شناخته می شوند. آلیاژهای غیرقابل عملیات حرارتی نیز به آن دسته از آلیاژهای آلومینیم می گویند که در آن ها به وسیله گرمایش و سرمایش استحکام قابل توجهی حاصل نمی شود. در ادامه توضیحات جزئی در مورد عملیات حرارتی های رایج در الیاژهای آلومینیم عنوان می شود.
اصول انجام عملیات حرارتی آلومینیوم
آلومینیوم که بعد از آهن به عنوان پرمصرف ترین فلز جهان شناخته می شود، آلیاژی سبک واستحکام کمتر نسبت به فولادها است. اما باید این نکته بسیار مهم را در نظر داشته باشید که در بسیاری از مواقع استحکام پایین آلومینیوم باعث می شود تا نتوانیم در شرایط مختلف از آن استفاده کنیم. از همین رو برای بهبود خواص مکانیکی آلومینیوم، آن را با عناصر دیگر آلیاژ می کنند. برای به دست آوردن بهترین خواص علاوه بر آلیاژسازی نیاز به شناخت اصول عملیات حرارتی است. چرا که بسته به نوع آلیاژ، روند و شرایط انجام عملیات حرارتی تغییر خواهد کرد و هرگونه عدم آگاهی و بی‌توجهی نسبت به اصول می تواند به ضرر ما تمام شود.
دلیل انجام عملیات حرارتی آلومینیوم
انجام روند آلیاژسازی آلومینیوم با اینکه باعث افزایش استحکام این فلز می گردد، اما به تنهایی نمی تواند پاسخگوی نیازهای ما باشد. به همین دلیل است که بسیاری از قطعات آلومینیومی آلیاژ سازی شده را تحت عملیات حرارتی رسوب سختی قرار می دهند که تاثیر بسیار مثبتی بر روی استحکام نهایی آلیاژ خواهد داشت.
همچنین در مواردی که کار سرد انجام می شود با افزایش میزان کارسختی در بسیاری از موارد برای ادامه کار سرد نیازمند انجام عملیات حرارتی آنیل است. پس در حالت کلی می توان گفت عملیات حرارتی جزو فرایندهای ضروری در تولید تجهیزات آلومینیومی است.
انواع عملیات حرارتی آلومینیوم
خدمات عملیات حرارتی معمولاً بسته به نوع آلومینیوم یا آلیاژ مورد نظر ما به شیوه های متفاوتی انجام می شود. به طور کلی آلیاژهای آلومینیوم را از نظر قابلیت عملیات حرارتی می توانیم به دو دسته عملیات حرارتی ناپذیر و عملیات حرارتی پذیر تقسیم کنیم. در این میان آلیاژهایی که زیر فرآیند عملیات حرارتی پیر سخت شونده قرار گرفته اند را با نام آلیاژهای حرارتی پذیر می شناسند. همچنین از سوی دیگر آلیاژهای آلومینیوم عملیات حرارتی ناپذیر را با نام آلومینیوم تولید شده به وسیله عملیات کار سختی نیز شناسایی می‌کنند. در ادامه روش های مختلفی که برای انجام عملیات حرارتی آلومینیوم استفاده می شود را با هم مورد بررسی قرار می دهیم.
عملیات رسوب سختی (Hardening Precipitation)
از این عملیات برای افزایش استحکام و سختی آلیاژهای آلومینیوم ریختگی و کار شده با مکانیزم رسوب سختی استفاده می‌شود. همانطور که در بالا ذکر شد این فرایند تنها بر روی آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر انجام می شود. یکی از ویژگی های اساسی این گروه از آلیاژهای آلومینیم افزایش حلالیت به صورت محلول جامد با افزایش دما است. اگرچه این شرایط در اکثر سیستم های آلیاژ دوتایی آلومینیم براورده می شود اما بسیاری از آن ها رسوب سختی کمی را نشان می دهند و این آلیاژها معمولا جزو گروه آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر در نظر گرفته نمی شوند. این روش که به عنوان یکی از بهترین راهکارهای عملیات حرارتی آلومینیوم مورد استفاده قرار می گیرد، تاثیرات بسیار مثبتی روی استحکام آلیاژ نهایی خواهد داشت. به شکلی که در بعضی موارد محصولاتی که طی این روش مورد عملیات حرارتی قرار گرفته اند، می تواند جایگزین مناسبی برای فولاد‌های کربنی باشند. روند انجام عملیات حرارتی آلومینیوم به وسیله فرایند پیر سختی به صورت زیر می باشد:
- در مرحله اول آلیاژ آلومینیوم را حرارت می دهند تا وارد بخش تک فاز شود که در نتیجه آن فازهای پایدار در دمای محیط به صورت کامل حل گردند. همچنین برای دستیابی به حالت مطلوب در این مرحله آلیاژ باید در دمای بالا نگه داشته شود.
- در مرحله بعدی سریعاً آلیاژ گرم شده را سرد می کند. این عملیات که با نام کوئنچ شناخته می شود باعث می شود تا اتم‌هایی که در ساختار آلومینیوم حل شدند، از فاز اولیه بیرون نیایند. در چنین شرایطی اصطلاحاً گفته می شود که محلول جامد فوق اشباع تشکیل شده است.
- در مرحله سوم که با نام پیرسازی شناخته می شود، قطعه را برای مدت زمانی خاص، در یک درجه حرارت مشخص (زیر خط استحاله) قرار می دهند. این کار باعث می شود تا عناصر آلیاژی اضافه که در مرحله قبلی در حالت فوق اشباع بودند، از فاز اولیه خارج شوند و به شکل رسوب در ساختار آلومینیوم باقی بمانند. در صورتی که این عملیات در دمای بالا انجام گردد به آن پیرسازی مصنوعی و اگر آن را در دمای اتاق انجام دهند به آن پیرسازی طبیعی می گویند.
انجام این کار به روش درست باعث افزایش سختی و استحکام آلیاژ خواهد شد. به یاد داشته باشید که در زمان کار، زمان و دمای عملیات حرارتی می توانند تاثیر بسیار زیادی در روند رسوب گذاری عناصر آلیاژی داشته باشند. همچنین نباید فراموش کرد که اگر دما از محدوده خاص خود بیشتر شود، خواص مکانیکی قطعه ضعیف خواهند شد.
آلیاژهایی که استحکام و سختی آن ها توسط عملیات حرارتی به میزان قابل توجهی افزایش می یابد شامل سری xxx2، xxx6 و xxx7 آلیاژهای کار شده به جز7072 (wrouhgt alloy) و سری 2xx.0، 3xx.0 و 7xx.0 ریختگی هستند.
عملیات حرارتی آنیل (Annealing)
عملیات حرارتی آنیل برای انواع آلیاژهای آلومینیومی می تواند مورد استفاده قرار گیرد. عملیات حرارتی آنیل به دو نوع آنیل کامل و آنیل جزئی تقسیم می شود که بسته به محصول نهایی و آلومینیوم مورد نظر این روند می تواند متفاوت باشد. آنیل کردن یا تابکاری آلومینیوم در محدوده دمای ۳۰۰ تا ۴۱۰ درجه سانتیگراد انجام می شود.
همچنین بسته به نوع آلیاژ و اندازه آن، روند حرارت دادن از ۳۰ دقیقه تا ۳ ساعت می تواند به طول بیانجامد. یکی از نکات بسیار مهم در زمان انجام این عملیات حرارتی آلومینیوم، این است که روند سرد کردن نباید نهایتاً بیشتر از ۲۰ درجه سانتیگراد در ساعت باشد. این روال باید ادامه پیدا کند تا دمای نهایی قطعه پایین‌تر از ۲۹۰ درجه سانتیگراد شود. بعد از آن نیز نرخ سرد کردن اهمیت زیادی نخواهد داشت.
عملیات حرارتی انحلال (Solutionizing)
این روش معمولاً برای آلیاژهای آلومینیوم عملیات حرارتی پذیر انجام می گیرد. روند کار چنین خواهد بود که با طی کردن یک فرایند عملیات حرارتی، عناصر آلیاژی وارد محلول جامد شده و سپس به وسیله کوئنچ سریع (عملیات سرد سازی سریع) در محلول باقی خواهند ماند. در بسیاری از موارد مشاهده می شود که بعد از انجام این مراحل باید عملیات حرارتی پیرسازی در دمای اتاق انجام گیرد تا به این صورت بتوانیم روند رسوب گذاری عناصر آلیاژی را تا حد زیادی کنترل کنیم.
انجام این کار به روش درست باعث افزایش سختی و استحکام آلیاژ خواهد شد. به یاد داشته باشید که در زمان کار، زمان و دمای عملیات حرارتی می توانند تاثیر بسیار زیادی در روند انحلال رسوب گذاری عناصر آلیاژی داشته باشند. همچنین نباید فراموش کرد که اگر دما از محدوده خاص خود بیشتر شود، خواص مکانیکی قطعه ضعیف خواهند شد.
آلیاژهایی که استحکام و سختی آن ها توسط عملیات حرارتی به میزان قابل توجهی افزایش می یابد شامل سری 2xxx، 6xxx و 7xxx آلیاژهای کار شده به جز7072 (wrouhgt alloy) و سری 2xx.0، 3xx.0 و 7xx.0 ریختگی هستند.
آلیاژهای آلومینیوم چگونه نشانه گذاری می شوند؟
بسته به نوع عملیات حرارتی آلومینیوم، نوع نامگذاری این محصولات نیز متفاوت خواهد بود. در روند نامگذاری حروفی به چشم می خورند که به ما نشان می دهند کدام نوع از عملیات حرارتی روی آلیاژ انجام شده است. همچنین بعضی از این حروف برای آلیاژهای پیر سختی پذیر و کار سختی پذیر مورد استفاده قرار می گیرند و شناخت آنها باعث می شود تا در زمان تهیه قطعات آلومینیومی آگاهی بیشتری داشته باشید.
● نشانه گذاری آلیاژهای عملیات حرارتی کار سخت شده
این محصولات با علامت H نشان داده می شوند و در ادامه آن دو یا چند رقم دیگر به چشم می خورد. اولین رقم بعد از حرف لاتین نوع عملیات حرارتی را به ما نشان می دهد.
● نشانه گذاری آلیاژهای عملیات حرارتی پیر سخت شده
او برای نشان دادن این آلیاژها از حروف T و W استفاده می شود. همچنین بعد از این حروف اعدادی بین ۱ تا ۱۰ به چشم می خورند که نشان دهنده ترتیب عملیات حرارتی انجام شده روی محصول خواهند بود.
F: یعنی پس از ساخت هیچ فرایند خاصی برای عملیات حرارتی یا کرنش سختی بعد از فرایند شکل دهی مثل ریختگری، کارگرم یا کار سرد انجام نشده است.
O: آنیل شده یا کاملا نرم شده است یعنی کمترین استحکام و بیشتری انعطاف پذیری را دارد.
:H کرنش سختی یا کار سخت شده با روش کار سردرا نشان می دهد و در ادامه آن دو یا چند رقم دیگر به چشم می خورد. اولین رقم بعد از حرف لاتین نوع عملیات حرارتی را به ما نشان می دهد.
Tمحصول تحت عملیات حرارتی رسوب سختی قرار گرفته است که می تواند با یا بدون کرنش سختی باشد. همچنین بعد از این حروف اعدادی بین ۱ تا ۱۰ به چشم می خورند که نشان دهنده ترتیب عملیات حرارتی انجام شده روی محصول خواهند بود.در ادامه انواع مختلف عملیات حرارتی رسوب سختی توضیح داده شده است.
علایم اختصاری عملیات حرارتی آلومینیم :
T1: از فرایندهای شکل دهی با دمای بالا سرد شده و سپس به صورت طبیعی پیر شده
T2: از فرایندهای شکل دهی با دمای بالا سرد شده، کار سرد انجام شده و نهایتا به صورت طبیعی پیر شده
T3: عملیات حرارتی انحلالی انجام شده، کار سرد انجام شده و نهایتا به صورت طبیعی پیر شده
T4: عملیات حرارتی انحلالی انجام شده و سپس به صورت طبیعی پیر شده
T5: از فرایندهای شکل دهی با دمای بالا سرد شده سپس پیرسازی مصنوعی انجام شده
T6: عملیات حرارتی انحلالی انجام شده سپس پیرسازی مصنوعی انجام شده
T7: عملیات حرارتی انحلالی انجام شده و سپس پایدارسازی شده
T8: عملیات حرارتی انحلالی انجام شده، کار سرد انجام شده و به صورت مصنوعی پیرسازی انجام شده
T9: عملیات حرارتی انحلالی انجام شده، پیرسازی مصنوعی انجام شده و پس از آن کار سرد انجام شده
T10: از فرایندهای شکل دهی با دمای بالا سرد شده، کار سرد انجام شده و نهایتا به صورت مصنوعی پیر شده