عملیات حرارتی پروفیل آلومینیوم  شامل دو بخش سولوشن  و ایجینگ ،  می باشد که هر دو در خصوص افزایش استحکام آلومینیوم کاربری دارند .

واحد عملیات حرارتی مجتمع تولیدی صنعتی آلومینات

در مجتمع تولید صنعتی آلومینات قریب به 25 سال است که 4 خط عملیات حرارتی سولوشن راه اندازی شده است که به جرات می توان گفت از بهترین و کاملترین خطوط سولوشن در کشور می باشد . برای شناخت بیشتر از خطوط عملیات سولوشن آلومینات نگاهی گذرا به این بخش و امکانات آن می اندازیم:

• کوره شماره یک این مجتمع یک کوره برقی عمودی با فضای مفید 3 متر می باشد .
• کوره شماره دو این مجموعه یک کوره گازی 6 متری است که دقیقا 6 متر فضای مفید مخزن دارد ناگفته نماند این کوره بلندترین کوره سولوشن گازی موجود در ایران می باشد .
• کوره شماره 3 این مجموعه یک کوره برقی 6 متری است این کوره بلندترین کوره برقی موجود در ایران می باشد .
• کوره شماره 4 آلومینات یک کوره سولوشن گازی 4متری می باشد.

این مجموعه کوره های عملیات حرارتی می تواند روزانه تا 15 تن پروفیل و مقاطع گوناگون را تحت عملیات با دماها و مدت زمان های نگاه داری متفاوت پوشش دهند.

خطوط ایجینگ

در زمینه ایجینگ هم امکانات مطلوب ذیل در مجموعه آلومینات در حال ارائه خدمات عملیات حرارتی به مشتریان و همچنین تکمیل چرخه تولید مقاطع تولید شده توسط خطوط اکستروژن می باشند. یک کوره ایجینگ با طول مفید 18 متر که منبع انرژی آن برق و ساخت کشور فرانسه می باشد . این کوره با توان واقعی روزانه تا 20 تن می تواند عملیات حرارتی انواع آلیاژ ها را پوشش دهد. کوره 6 متری این مجتمع که منبع تغذیه آن جریان گاز می باشد ، این توان را دارد که روزانه تا 16 تن نسبت به اجرای عملیات حرارتی ایجینگ خدمات دهد.

عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم

عملیات حرارتی آلیاژ های آلومینیوم یکی از فعال ترین واحد های شرکت آلومینات می باشد . فلز آلومینیوم ویژگی‌های بیشماری دارد که آنرا تبدیل به یکی از محبوب‌ترین و پر‌کاربردترین فلزات دنیا نموده است. چگالی آلومینیوم تقریبا یک سوم فلزاتی مانند فولاد و مس است .

این ویژگی مهم در کنار شکل‌پذیری بسیار بالا، مقاومت بسیار زیاد در مقابل خوردگی ، حفظ استحکام در محیط های دمایی مختلف ، نقطه ذوب پایین و قابلیت ریخته گری مناسب ، قابلیت بالای انعکاس نور و حرارت و قابلیت هدایت الکتریسیته توانسته است از این فلز یک فرمانروایی بی ‌چون‌ و ‌چرا در دنیای فلزات و صنایع مربوط به آن پدید آورد.

این فلز با توانمندی بالا در همسویی با حفظ محیط زیست در حال حاضر دومین فلز چکش خوار و ششمین فلز منعطف جهان محسوب می شود. آلومینیوم با گستره وسیعی از آلیاژهای مختلف با خواص و ترکیبات متفاوت توانسته در میان طیف گسترده ای از صنایع بعنوان فلز مادر عرض اندام نماید.

به همین دلیل امروزه، آلومینیوم یکی از پر کاربرد‌‌ترین فلزات در صنایع مختلف محسوب می‌شود.در این مطلب آموزشی سعی بر این داشته‌ایم که پیرامون عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم و با تکیه بر روش های مهم و مرسومی همچون آنیل‌محلولی و پیرسختی آگاهی مخاطبین خود را در این زمینه ارتقا دهیم.

لزوم و چرایی عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم

آلومینیوم هم از منظر کیفیت و هم از نظر ارزش و قیمت گرانبهاترین و پرکاربردترین فلز پس از آهن به حساب می آید . با توجه به اینکه این فلز بصورت خام و بدون هیچگونه آلیاژسازی و عملیات حرارتی فلز ضعیفی بشمار می‌رود . دانشمندان این عرصه با مطالعات و تحقیقات بسیار بسیار گسترده با تدوین و ابداع عملیات های مختلف آلیاژسازی و حرارتی این نقیصه آلومینیوم را به بهترین شکل برطرف ساخته و در عین حال با ترکیب این دو فن‌آوری این فلز را در زمره پر کاربردترین فلز در صنایع گوناگون جای داده‌اند.

عملیات حرارتی به معنی هر نوع حرارت‌دهی و خنک‌سازی برای تغییر یا پدیدآوری خواص مکانیکی،ساختار متالوژیکی و یا حالت پسماند یا رسوب تنش در فلز است. فلز منعطف و سبک آلومینیوم با فرایندهای آلیاژسازی و عملیات حرارتی به نزدیکترین و مقبولترین استاندارد از نظر ساختار برای استفاده در صنایع گوناگون تبدیل می‌گردد.

آلیاژسازی تا حد بالایی منجر به افزایش استحکام آلومینیوم می‌گردد ولی این فرایند به تنهایی نمی تواند استاندارد لازم برای حصول یک میزان قابل قبول از سختی را در آلومینیوم ایجاد نماید . از همین رو عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم امری اجتناب ناپذیر برای دستیابی به بالاترین استاندارد استحکام محسوب می‌گردد، بنابراین هدف از عملیات حرارتی آلومینیوم و آلیاژهای آن را می توان بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی آلیاژ عنوان کرد.

روش های مختلف این صنعت

انواع مختلف آلیاژهای آلومینیوم از نظر قابلیت عملیات حرارتی به دو بخش آلیاژهای  عملیات حرارتی پذیر (Heat Treatable) و آلیاژ های عملیات حرارتی ناپذیر (Non-Heat Treatable) تفکیک می‌شوند. باید به این موضوع خوب دقت کنیم که  در خصوص عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم صحبت می‌کنیم، مقصود آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر یا پیر‌سخت‌شونده هستند. اما در آلیاژهای کارسختی‌پذیر، با حرارت دادن، افزایشی در استحکام آلیاژ مشاهده نمی شود.

گرچه ذکر این نکته ضروری است که عملیات حرارتی آنیل بر روی هر دو نوع این آلیاژها برای افزایش انعطاف پذیری و چکش‌خواری آن‌ها اجرا می‌گردد. در مجموع استحکام بخشی آلیاژهای آلومینیوم را به دو شیوه کارسختی و پیر سختی می توان انجام داد.

کار سختی یاWork Hardening

کارسختی یعنی افزایش استحکام مکانیکی فلز یا آلیاژ در اثر انجام کار مکانیکی بر روی آن . ممکن است این روش را با نام  متفاوت دیگری مثل کرنش سختی در دیگر متون تخصصی بیابید  . این فرایند می تواند از طریق عملیاتهای کارسرد مثل نورد، اکسترود، کشش یا فشرده سازی نیز انجام گیرد. این روش موثرترین روشی است که برای افزایش استحکام آلیاژهای عملیات حرارتی ناپذیر آلومینیوم (گروه 1000،3000،5000) استفاده می‌شود.

پیرسختی Age Hardening

شرط اول برای پیرسختی یک آلیاژ آلومینیوم ، کم کردن میزان حلالیت آن با استفاده از ترفند کاهش دما است. پیرسختی ‌متداول‌ ترین و دقیق‌ ترین روش بالابردن استحکام در آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر مانند گروه های آلیاژی سری 2000، 6000 و 7000 است. این روش، تاثیر زیادی بر افزایش استحکام آلیاژهای آلومینیوم دارد. به طوری‌که در برخی مواقع می‌توانند جایگزین فولادهای ساده کربنی شوند!

در روش پیرسختی سه مرحله اساسی باید طی شود تا عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم به خروجی مطلوبی دست پیدا کند. این سه مرحله اصلی عبارتند از :

• مرحله اول شامل حرارت دادن آلیاژ در ناحیه تک فاز تا دمایی بالاتر از یوتکتیک و نگه داشتن در این دما است. به طوری که عناصر آلیاژی در این فاز به طور کامل حل شوند (آنیل محلولی).
• مرحله دوم سرد کردن سریع است که به عملیات کوئنچ معروف است. در کوئنچ، آلومینیوم در یک بازه زمانی بسیار بسیار کوتاه در حد چندین ثانیه وارد محیطی با دمای محیطی می شود.
• مرحله سوم به پیرسازی  یا همان Aging است که قطعه در دمایی مشخص (زیر دمای استحاله یوتکتیک) طی مدت زمان مشخصی قرار می گیرد ، تا عناصر آلیاژی اضافی از فاز اولیه خارج شده و به صورت رسوب در ساختار باقی بمانند. چنانچه این عملیات در دمای طبیعی محیط انجام شود، به آن پیرسازی طبیعی و چنانچه در دمای بالای ایجاد شده که عمدتا در کوره های Aging  صورت می گیرد انجام شود، به آن پیرسازی مصنوعی گفته می‌شود .

ذکر این موضوع در مقوله عملیات حرارتی ضروری است که اگر قطعه آلیاژی آلومینیوم در دمای بالا بیشتر از زمان استاندارد نگه داشته شود با پدیده ای به نام Over Aging  روبرو می‌شویم که بسیار شگفت زده می شوید.  اگر بدانید این پدیده استحکام قطعه را کاهش می دهد،بعبارت دیگر خروج از خطوط استاندارد زمانی و دمایی در عملیات حرارتی باعث می‌شود تا نتیجه ای معکوس برای کار حاصل شود.

 عملیات‌های حرارتی مختلف در صنعت آلومینیوم را بررسی می کنیم

1-آنیل Annealing

آنیل، مرسوم ترین روش برای تمای گروه های آلیاژی بشمار می رود. آنیل کامل و آنیل جزئی، تنها عملیات حرارتی هستند که برای کلیه آلیاژها به کار می روند. تنها استثنا در میان گروه های آلیاژی گروه  های سری 5000 هستند که برخی اوقات عملیات پایدار کردن دمای پایین روی آن ها انجام می‌شود.

آنیل کردن بسته به نوع آلیاژ در بازه دمایی 300 تا 410 درجه سانتی گراد صورت می‌گیرد. زمان گرم کردن بسته به حجم قطعات و نوع آلیاژ از نیم تا 3 ساعت در نوسان  است. توجه داشته باشید که پس از عملیات، بیشینه نرخ سرد کردن نباید از 20 درجه سانتی‌گراد در ساعت بیشتر شود تا دمای قطعه به زیر 290 درجه سانتی‌گراد برسد.

زیر این دما، نرخ سرد کردن اهمیتی ندارد. بسته به نوع و کاربری محصولات آلومینیومی می توان تا حدی بسته به نظر متخصصین تولید فرایند آنیل را شخصی سازی نمود که این موضوع بایستی زیر نظر متخصص سلوشن و یا عملیات حرارتی واحد تولیدی صورت بگیرد.

2- انحلال Solutionizing - سلوشن

سلوشن را به جرات می توان گفت کلیدی ترین و پرکاربردترین عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم گفت ، که در روش ها و استاندارد های مختلفی صورت می‌پذیرد. سلوشن برای آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر قابل انجام است و شامل یک فرآیند عملیات حرارتی است که در آن عناصر آلیاژی وارد محلول جامد می شوند و توسط کوئنچ سریع در محلول می‌مانند.

در عملیات سلوشن ابتدا قطعات را با استفاده از استاندارد مشخص برای هر نوع گروه آلیاژی حرارت داده تا عناصر آلیاژی و ترکیبات بین فلزی آن کامل به فاز جامد درآیند . در عملیات سلوشن قطعات آلومینیومی پس از نگهداری در درجه حرارت انحلال بصورت آنی و یکباره درون یک وان یا مخزن آب سرد رها می شوند تا عناصر و ترکیبات بین فلزی موجود در محلول بصورت فوق اشباع باقی‌ بمانند.

در عملیات سلوشن ممکن است قطعات پس از کوئنچ سازی و یا همان شوک سرد دفرمه شوند و بسته به مختصات فنی قطعات، فرم دهی مجدد آنها به روشهای گوناگون پس از سلوشن انجام خواهد شد.دما و زمان عملیات حرارتی سلوشن نقشی فوق العاده مهم در انحلال عناصر آلیاژی و رسوب گذاری آن ها دارد. برای دستیابی به خواص مکانیکی مناسب، بهتر است که دمای کوره سلوشن نزدیک به دمای یوتکتیک باشد.

در این محدوده، بیشترین میزان انحلال عنصر آلیاژی در محلول جامد وجود دارد. گرم کردن بیش از این مقدار در فرآیند سلوشن ، باعث تضعیف خواص مکانیکی قطعات می شود. عموما کوره های سلوشن در دو نوع برقی و گازی و همچنین دسته بندی های سلوشن عمودی و افقی راه اندازی می شوند که این نوع دسته بندی ها با توجه به فضای در اختیار تولیدکنندگان و همچنین مقرون به صرفه بودن انرژی مورد استفاده آنها تغییر پذیر است.

3- سرد کردن آنی یا همان Quenching

هدف از کوئنچ، باقی ماندن عناصر آلیاژی در محلول جامد تا دمای اتاق است. سرعت کوئنچ یکی از فاکتورهای اساسی و مهم عملیات حرارتی است که بر استحکام قطعه نهایی تاثیر می گذارد همچنین این فرایند مکمل موثری بر عملیات سلوشن می باشد. زمان کوئنچ وابسته به سطح مقطع قطعات تحت عملیات حرارتی است و می تواند از 5 تا 15 ثانیه برای قطعات با ضخامت 4/0 تا 7/12 میلی متر متغیر باشد.

به طور کلی، رسوب گذاری بیشتر آلیاژهای آلومینیوم از دمای حدودی 450 درجه سانتیگراد شروع می شود. بنابراین نباید به آلیاژ اجازه داد تا پیش از کوئنچ به زیر این دما برسد و این اصل یکی از اصول مهم و کلیدی در یک عملیات حرارتی موفق است.

معمولا برای سرد کردن قطعات  آلیاژی در عملیات حرارتی و سلوشن از آب استفاده می شود. اما در مواردی نیاز است که این کار با سرعت کمتری انجام شود که می توان از آب گرم شده تا 65 – 80 درجه سانتی گراد، آب جوش، محلول های آبی پلی آلکالاین گلیکول،  پاشش هوا یا انواع روغن های صنعتی استفاده کرد. این کار برای قطعات با اشکال پیچیده مثل قطعات فورج، اکستروژن و آلیاژهای ریخت شده انجام می شود تا اعوجاج و دفرمگی کمتری در آن ها پدید آید.

4- پیر سختی یا Age Hardening

پس از عملیات سلوشن و کوئنچ، نوبت به عملیات رسوب سختی (پیرسختی) قطعات آلیاژی می رسد. سخت سازی می تواند در دمای محیط (پیرسازی طبیعی) یا توسط یک عملیات حرارتی رسوب پذیری (پیرسازی مصنوعی) انجام شود.در برخی از آلیاژهای آلومینیوم  مخصوصا سری 2000، عملیات کار سرد روی مواد تازه کوئنچ شده به طور چشمگیری پاسخ به عملیات رسوب گذاری بعدی را افزایش می‌دهد.

از این پدیده برای اعمال مقدار کنترل شده‌ای از نورد یا کشیدن برای ایجاد خواص مکانیکی بهتر استفاده می‌شود. زمانی که بنا بر مختصات فنی قطعات پیرسازی طبیعی آلیاژهای آلومینیوم لازم است، از 5 روز برای آلیاژ های سری 2000 تا حدود 30 روز برای آلیاژ های دیگر تفاوت دوره زمانی وجود دارد .

آلیاژ های سری 6000 و 7000 به طور چشمگیری در دمای محیط پایداری کمتری دارند و به تغییر خواص مکانیکی تا سال ها ادامه می‌دهند. در برخی از آلیاژهای آلومینیوم پیرسازی طبیعی ممکن است که با نگهداری در دمای 18- درجه سانتی گراد یا پایین تر به تعویق افتاده یا سرکوب شود.

علایم اختصاری عملیات حرارتی آلومینیم :

T1 : قطعات تولید شده به طور طبیعی پیرسازی می شوند.بعبارت دیگر پس از فرایند تولید محصولات در یک دمای پایدار از محیط پیرامونی پیرسازی شده و به استحکام مدنظر می‌رسند.

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 شکل‌دهی با دمای بالا + پیرسازی مصنوعی

T6 : عملیات حرارتی سلوشن + پیرسازی مصنوعی

T7 : عملیات حرارتی سلوشن+ پایدار سازی

T8 : عملیات حرارتی سلوشن + کار سرد + پیرسازی مصنوعی

T9 : عملیات حرارتی سلوشن+ پیرسازی مصنوعی + کار سرد

T11 : سرد شده از یک فرآیند شکل دهی با دمای بالا + کار سرد + پیرسازی مصنوعی