انواع عملیات حرارتی پروفیل آلومینیوم ، فرآیندی است که طی آن آلیاژهای آلومینیوم از جمله آلیاژ آلومینیوم 6061 با گرم و سرد کردن کنترل شده، تحت تغییر ساختاری قرار می‌گیرند تا خواص مکانیکی همچون استحکام و سختی آن‌ها افزایش یابد. این فرآیند به ویژه در آلیاژهایی که قابلیت رسوب سختی دارند، مانند آلیاژهای ریختگی و کار شده، کاربرد گسترده‌ای دارد. این دسته از آلیاژها، به عنوان آلیاژهای عملیات حرارتی‌پذیر شناخته می‌شوند.
در مقابل، آلیاژهایی که با عملیات حرارتی تغییرات قابل توجهی در استحکام آن‌ها ایجاد نمی‌شود، آلیاژهای غیرقابل عملیات حرارتی نامیده می‌شوند. در ادامه، به بررسی دقیق‌تر انواع عملیات حرارتی پروفیل آلومینیوم خواهیم پرداخت.
اصول انجام عملیات حرارتی آلومینیوم
آلومینیوم به عنوان دومین فلز پرکاربرد جهان، به دلیل وزن سبک و قابلیت شکل‌پذیری بالایی که دارد، در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. بهمن پروفیل تولیدکننده انواع پروفیل آلومینیوم در کشور است که به ساخت و طراحی قالب اکستروژن آلومینیوم، آلیاژسازی آلومینیوم و آنادایز آلومینیوم می پردازد. استحکام پایین‌تر آلومینیوم نسبت به فولاد، محدودیت‌هایی را برای استفاده از آن در برخی کاربردها ایجاد می‌کند. برای رفع این محدودیت و بهبود خواص مکانیکی آلومینیوم، از آلیاژسازی استفاده می‌شود.
علاوه بر آلیاژسازی، انواع عملیات حرارتی پروفیل آلومینیوم نیز نقش بسیار مهمی در تعیین خواص نهایی آلومینیوم ایفا می‌کند. انتخاب نوع و شرایط عملیات حرارتی به عوامل مختلفی از جمله ترکیب شیمیایی آلیاژ، ضخامت قطعه و خواص مورد نظر بستگی دارد. بنابراین، درک اصول عملیات حرارتی برای دستیابی به بهترین خواص مکانیکی در آلیاژهای آلومینیومی ضروری است.
دلیل انجام عملیات حرارتی آلومینیومی
آلیاژسازی آلومینیوم اگرچه استحکام آن را افزایش می‌دهد، اما برای پاسخگویی به تمام نیازهای صنعتی کافی نیست. به همین دلیل، انواع عملیات حرارتی پروفیل آلومینیوم به عنوان یک مرحله ضروری در تولید قطعات آلومینیومی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فرایند با ایجاد تغییرات ساختاری در آلیاژ، خواص مکانیکی آن را بهبود بخشیده و آن را برای کاربردهای مختلف مناسب می‌سازد. از جمله مهم‌ترین دلایل انجام عملیات حرارتی بر روی آلومینیوم می‌توان به افزایش استحکام از طریق رسوب سختی، نرم کردن آلیاژ پس از کار سرد و آماده‌سازی آن برای عملیات بعدی اشاره کرد. به طور کلی، عملیات حرارتی نقش کلیدی در دستیابی به خواص مطلوب در قطعات آلومینیومی ایفا می‌کند.
انواع عملیات حرارتی آلومینیوم
انواع عملیات حرارتی پروفیل آلومینیوم به روش‌های مختلفی انجام می‌شود و این روش‌ها به نوع آلیاژ آلومینیوم بستگی دارد. آلیاژهای آلومینیوم به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: آلیاژهای عملیات حرارتی‌پذیر و آلیاژهای عملیات حرارتی‌ناپذیر. آلیاژهای عملیات حرارتی‌پذیر، به ویژه آن‌هایی که تحت فرآیند پیرسختی قرار می‌گیرند، اهمیت ویژه‌ای دارند. از سوی دیگر، آلیاژهای عملیات حرارتی‌ناپذیر معمولاً با روش کارسختی تقویت می‌شوند. در ادامه به بررسی دقیق‌تر روش‌های مختلف عملیات حرارتی آلومینیوم خواهیم پرداخت.
بررسی عملیات حرارتی رسوب سختی (Hardening Precipitation)
عملیات رسوب سختی، روشی موثر برای افزایش استحکام و سختی آلیاژهای آلومینیومی است که قابلیت عملیات حرارتی را دارند. در این فرآیند، با افزایش دما، حلالیت عناصر آلیاژی در آلومینیوم افزایش یافته و یک محلول جامد همگن تشکیل می‌شود. سپس با سرد کردن سریع (کوئنچ)، این محلول جامد فوق اشباع شده و با نگهداری در دمای اتاق یا دمای کمی بالاتر (پیرسازی)، اتم‌های اضافی به صورت ذرات ریز و ثانویه از محلول جدا شده و در ساختار آلیاژ رسوب می‌کنند. این ذرات ریز، مانعی برای حرکت نابجایی‌ها شده و در نتیجه استحکام و سختی آلیاژ را به شدت افزایش می‌دهند. بسیاری از آلیاژهای آلومینیومی که قابلیت رسوب سختی دارند، می‌توانند جایگزین مناسبی برای فولادهای کربنی باشند و در صنایع مختلف کاربرد گسترده‌ای داشته باشند.
در ابتدای فرآیند رسوب سختی از انواع عملیات حرارتی پروفیل آلومینیوم ، آلیاژ آلومینیوم تا دمایی بالا گرم می‌شود تا به طور کامل وارد ناحیه تک‌فازی شود. این بدان معناست که تمامی فازهای پایداری که در دمای محیط در آلیاژ وجود دارند، در این دمای بالا به صورت کامل در هم حل شده و یک محلول جامد همگن تشکیل می‌دهند. برای اطمینان از حل شدن کامل این فازها و دستیابی به یک ساختار یکنواخت، آلیاژ باید برای مدتی در این دمای بالا نگه داشته شود. این مرحله، که به آن محلول‌سازی گفته می‌شود، برای ادامه فرایند رسوب سختی و دستیابی به خواص مکانیکی مطلوب بسیار ضروری است.
پس از آنکه آلیاژ آلومینیوم در دمای بالا به طور کامل محلول‌سازی شد، به سرعت سرد می‌شود. این فرآیند سریع سرد کردن را کوئنچ می‌گویند. هدف از کوئنچ این است که اتم‌های آلیاژی که در دمای بالا در ساختار آلومینیوم حل شده‌اند، فرصت کافی برای خارج شدن از محلول جامد و تشکیل فازهای جدید را نداشته باشند. در نتیجه، اتم‌های آلیاژی به صورت فوق‌اشباع در ساختار آلومینیوم باقی می‌مانند. این حالت فوق‌اشباع، وضعیت ناپایداری است و آلیاژ تمایل دارد به سمت حالت پایدارتر حرکت کند.
در مرحله سوم فرآیند رسوب سختی از انواع عملیات حرارتی پروفیل آلومینیوم ، قطعه آلومینیومی که قبلاً تحت عملیات محلول‌سازی و کوئنچ قرار گرفته، برای مدت زمان مشخصی در دمایی پایین‌تر از دمای استحاله قرار داده می‌شود. این مرحله، که به آن پیرسازی گفته می‌شود، شرایطی را فراهم می‌کند تا اتم‌های آلیاژی که در مرحله کوئنچ به صورت فوق‌اشباع در ساختار آلیاژ باقی مانده‌اند، به تدریج از محلول جامد خارج شده و به صورت ذرات ریز و ثانویه در ساختار آلیاژ رسوب کنند. این ذرات ریز، مانعی برای حرکت نابجایی‌ها شده و در نتیجه استحکام و سختی آلیاژ را به شدت افزایش می‌دهند. پیرسازی می‌تواند در دو نوع مصنوعی و طبیعی انجام شود. در پیرسازی مصنوعی، قطعه در دمای مشخصی بالاتر از دمای اتاق قرار داده می‌شود تا فرآیند رسوب‌دهی سریع‌تر انجام شود. در حالی که در پیرسازی طبیعی، قطعه در دمای محیط نگهداری می‌شود و فرآیند رسوب‌دهی به آرامی صورت می‌گیرد.
عملیات رسوب سختی از انواع عملیات حرارتی پروفیل آلومینیوم ، با کنترل دقیق زمان و دما، منجر به افزایش قابل توجه سختی و استحکام آلیاژهای آلومینیومی می‌شود. در این فرایند، اتم‌های آلیاژی اضافی به صورت ذرات ریز در ساختار آلیاژ رسوب کرده و مانع حرکت نابجایی‌ها می‌شوند. با این حال، بسیار مهم است که شرایط دمایی عملیات حرارتی به دقت کنترل شود، زیرا افزایش بیش از حد دما می‌تواند به کاهش خواص مکانیکی آلیاژ منجر شود. آلیاژهای آلومینیومی سری xxx2، xxx6، xxx7 (به جز 7072) از نوع کار شده و سری 2xx.0، 3xx.0 و 7xx.0 از نوع ریختگی، نمونه‌هایی از آلیاژهایی هستند که با عملیات رسوب سختی، استحکام و سختی آن‌ها به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.
معرفی عملیات حرارتی آنیل (Annealing)
عملیات حرارتی آنیل از انواع عملیات حرارتی پروفیل آلومینیوم ، روشی برای نرم کردن آلیاژهای آلومینیومی است که با گرم کردن قطعه در دمایی مشخص و سپس سرد کردن آرام آن انجام می‌شود. این فرایند به دو دسته آنیل کامل و جزئی تقسیم می‌شود و بسته به نوع آلیاژ و محصول نهایی، دمای عملیات و زمان نگهداری در دما متفاوت است. به‌طور معمول، آنیل آلومینیوم در محدوده دمایی 300 تا 410 درجه سانتی‌گراد و به مدت 30 دقیقه تا 3 ساعت انجام می‌شود. نکته کلیدی در این فرایند، سرد کردن آرام قطعه پس از عملیات حرارتی است. نرخ سرد شدن نباید بیشتر از 20 درجه سانتی‌گراد در ساعت باشد تا از ایجاد تنش‌های داخلی در قطعه جلوگیری شود و قطعه به آرامی تا دمای زیر 290 درجه سانتی‌گراد سرد شود. پس از این دما، نرخ سرد شدن اهمیت کمتری دارد.
عملیات حرارتی انحلال (Solutionizing) چیست؟
عملیات حرارتی انحلال یکی از روش‌های رایج برای بهبود خواص مکانیکی آلیاژهای آلومینیومی و از انواع عملیات حرارتی پروفیل آلومینیوم است. در این فرایند، آلیاژ تا دمایی مشخص گرم می‌شود تا عناصر آلیاژی به طور کامل در ساختار بلوری حل شوند. سپس با سرد کردن سریع (کوئنچ)، این حالت فوق اشباع حفظ می‌شود. در ادامه، اغلب عملیات پیرسازی انجام می‌شود که طی آن، عناصر آلیاژی از محلول جامد خارج شده و رسوب‌هایی را تشکیل می‌دهند. این رسوب‌ها باعث افزایش استحکام و سختی آلیاژ می‌شوند. زمان و دمای عملیات حرارتی و پیرسازی، تأثیر مستقیمی بر اندازه و توزیع رسوبات و در نتیجه خواص نهایی آلیاژ دارند. آلیاژهای سری 2xxx، 6xxx و 7xxx آلومینیوم که به صورت نورد شده یا ریخته‌گری شده‌اند، معمولاً برای عملیات حرارتی انحلالی مناسب هستند و پس از این عملیات، استحکام و سختی قابل توجهی به دست می‌آورند.
آلیاژهای آلومینیوم چگونه نشانه گذاری می شوند؟
سیستم نامگذاری آلیاژهای آلومینیوم به گونه‌ای طراحی شده است که اطلاعاتی درباره ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی انجام شده بر روی آلیاژ ارائه دهد. حروف و اعدادی که در نامگذاری آلیاژها به کار می‌روند، نشان‌دهنده نوع آلیاژ، عناصر آلیاژی اصلی و عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن هستند. برای مثال، حروف خاصی برای مشخص کردن آلیاژهای پیرسختی‌پذیر و کارسختی‌پذیر استفاده می‌شود که با شناخت این حروف می‌توان به اطلاعات مفیدی درباره خواص و کاربردهای آلیاژ دست یافت. بنابراین، در هنگام انتخاب آلیاژ آلومینیوم برای یک کاربرد خاص، توجه به سیستم نامگذاری و معنای حروف و اعداد به کار رفته بسیار مهم است.
سیستم نامگذاری آلیاژهای آلومینیوم و اطلاعات درباره عملیات حرارتی
سیستم نامگذاری آلیاژهای آلومینیوم، اطلاعات ارزشمندی درباره انواع عملیات حرارتی پروفیل آلومینیوم انجام شده بر روی آلیاژ و در نتیجه خواص مکانیکی آن در اختیار ما قرار می‌دهد. حروف و اعداد استفاده شده در این سیستم، نشانگر مراحل مختلف عملیات حرارتی و نوع کار سختی انجام شده بر روی آلیاژ هستند.
- آلیاژهای کار سخت شده (H): این آلیاژها با اعمال نیروهای مکانیکی مانند نورد، کشش یا اکستروژن سخت شده‌اند. حرف H نشان‌دهنده این نوع کار سختی است. عدد پس از حرف H نیز اطلاعاتی درباره میزان کار سختی و نوع عملیات انجام شده ارائه می‌دهد.
- آلیاژهای پیر سخت شده (T و W): این آلیاژها پس از عملیات محلول‌سازی و کوئنچ، تحت عملیات پیرسازی قرار گرفته‌اند تا استحکام و سختی آن‌ها افزایش یابد. حرف T یا W نشان‌دهنده عملیات پیرسازی است و عدد پس از آن، ترتیب عملیات حرارتی را نشان می‌دهد.
- F: نشان می‌دهد که آلیاژ پس از تولید، هیچ انواع عملیات حرارتی پروفیل آلومینیوم یا کار سختی خاصی روی آن انجام نشده است.
- O: نشان می‌دهد که آلیاژ آنیل شده و به نرم‌ترین حالت خود رسیده است. این آلیاژ دارای بیشترین انعطاف‌پذیری و کمترین استحکام است.
- عملیات حرارتی رسوب سختی (T): عملیات حرارتی رسوب سختی شامل یک سری مراحل است که منجر به تشکیل رسوبات ریز در ساختار آلیاژ می‌شود. این رسوبات مانع حرکت نابجایی‌ها شده و در نتیجه استحکام آلیاژ را افزایش می‌دهند. عدد پس از حرف T نشان‌دهنده ترتیب و نوع عملیات حرارتی رسوب سختی است و اطلاعاتی درباره میزان استحکام و سختی آلیاژ ارائه می‌دهد.
سخن پایانی
عملیات حرارتی آلومینیوم، فرآیندی پیچیده و حیاتی است که به طور قابل توجهی بر خواص مکانیکی و کاربردهای آلیاژهای آلومینیومی تاثیر می‌گذارد. با درک اصول این فرآیند و انواع مختلف آن، می‌توان آلیاژ مناسب را برای هر کاربرد انتخاب کرده و به بهترین نحو از خواص آن بهره برد.
سوالات متداول
دلیل انجام عملیات حرارتی آلومینیوم چیست؟
برای بهبود خواص مکانیکی آلومینیوم مانند استحکام، سختی و شکل‌پذیری و ایجاد تغییرات ساختاری در آلیاژ و بهبود عملکرد آن در شرایط مختلف از عملیات حرارتی الومینیوم استفاده می شود.
انواع عملیات حرارتی آلومینیوم کدامند؟
رسوب سختی، آنیل، انحلال و … از انواع عملیات حرارتی آلومینیوم می باشد.
همه آلیاژهای آلومینیوم قابلیت عملیات حرارتی را دارند؟
خیر، فقط آلیاژهای عملیات حرارتی‌پذیر قابلیت تغییر خواص با عملیات حرارتی را دارند.
بدون دیدگاه