تهیه کننده: حسین صمدی جهاد دانشگاهی مشهد تیر87
موضوع تحقیق :روی و آلیاژهای روی
روی دارای نقطه ذوب پایین (420 ) و ساختمان بلوری شش گوش فشرده بوده که دارای فشار بخار زیاد می باشد. که در آلیاژ سازی مورد توجه است.
عملیات کار سردی (کار سختی) بر روی,روی خالص انجام نمی شود علت بر اینکه درجه حرارت تبلور مجدد آن در نزدیکی دمای محیط میباشد. آلیاژهای روی را می توان با نورد- کشش- اکسترود و ریخته گری شکل داد که در این میان ریخته گری بخصوص ریخته گری تحت فشار از اهمیت ویژه ای برخوردار است .
روی و آلیاژهای آن به صورت پوششهای فلزی برای ورقه آجر و سطح، زنجیرها، آهن آلات، لوله ، پیچ ها و مخازن سیستم و پوشش سیم موارد استعمال وسیعی پیدا کردهاند ریختهگری فشاری روش شامل قطعات اتومبیل، لوازم خانگی، وسائل دفتر کار. آهن آلات ،قفل ها اسباببازیها و اجناس جدید هستند.
پوششهای گالوانیزه شده یا به وسیله غوطهوری ، آبکاری الکتریکی ، آبکاری مکانیکی یا به وسیله پخش شعله مورد استفاده قرار میگیرند.
آلیاژهای روی تحت نام زاماک به سه دسته اصلی :زاماک2 زاماک3 و زاماک5 تقسیم می شوند و عناصر موجود در آنها عبارتند از: آلومینیوم – مس – منیزیم و به مقدار کمی از عناصر آهن سرب و قلع استفاده می شود.
معمولا تفاوت انواع زاماک در میزان مس موجود در آن بوده به طوری که سایر عناصر آلیاژی ترکیبات نسبتا ثابتی دارند. مثلا مس موجود در زاماک2, 0.1 % و در زاماک 3 75/0 % و در زاماک 5 ,25/1% مس وجود دارد و در زاماک4 منیزیم وجود نداشته و درصد مس ,در این نوع زاماک به 3% و درصد آلومینیوم به 4% می رسد
آلیاژهای ریختگی فشاری روی قیمت کمتر و استحکام خوبی دارند. آنها را میتوان تا حدود محدودی ریختهگری کرد، به تراشکاری کمتری نیاز دارند و مقاومت خوبی نسبت به خوردگی سطحی از خود نشان میدهند.
آلیاژهای ریختهگری روی که معمولا مصرف میشوند در جدول زیر آمده است، هر گاه حدود ناخالصی از حد مجاز تجاوز کند. این آلیاژهای ریختگی روی مستعد خوردگی بین دانهای تاب خوردگی و ترکبرداری میشوند.
شکل1- عکس متالوگرافی آلیاژ زاماک 3 در ریختهگری تحت فشار
شکل1
این عکس با میزان انجمادکم گرفته شده است به طوری که در آن دندریتهای اولیه روی که از فاز بتا غنی هستند در اطراف مناطق سفید رنگ دیده می شوند ساختار یوتکتویندی در این حالت از فاز بتا به علاوه فاز آلفا تشکیل شده است. شایان ذکر است که این فاز از در درجه حرارت (یوتکتويیدی) تشکیل شده است.
فازهای موجود در این شکل به صورت زیر هستند:
محلول جامد جانشینی اصلی که شامل فاز اصلی روی و مقدار کمی لومینیوم است.
ע: محلول جامد متوسط شامل درصدر از عناصر روی و آلومینیوم
α: محلول جامد روی در آلومینیوم
با توجه به فازهای گفته شده و درصد عناصر موجود محدوده حرارتی را مثلا برای آلیاژ زاماک 3 بررسی میکنیم
1- بین درجه حرارت 382 – 387 درجه سانتیگراد، محدوده خطی لیکوییدوس و سالیدوس به گونهای است که در آنجا کریستالهای اولیه بتا به وجود آمدهاند.
2- در درجه حرارت 382درجه سانتيگراد منطقه یوتکتیک است که در نهایت کریستالهایßوگامادر این ناحیه به وجود آمدهاند. در زیر این درجه حرارت آلیاژ کاملا جامد است.
3- در درجه حرارت 275درجه سانتيگرادفازگاما در زیر خط یوتکتیک تبدیل به آلفاوبتا میشود.
AL- Zn شکل 4-1 نمودار فازی آلیاژ
-در درجه حرارت پایینتر از این مقدار میآید. حد حلالیت آلومنیوم در روی β کاهش می یابد این مقدار
کاهش از 1٪ از 382 درجه سانتيگراد به 05/0 ٪ در درجه حرارت اتاق می رسد این عمل در حالی اتفاق میافتد که در حد حلالیت روی در آلومنیوم از 32٪ به کمتر از 1٪ می رسد.
5-نسبت وزنی β به گامادر درجه حرارت یوتکتیک 382 درجه سانتيگراد در حدود 5 به 1 است.
6-نسبت وزنی β به آلفا در درجه حرارت اتاق در حدود 24 به 1 است.
ارتباط بین فازهای و حد حلالیت آنها در شرایطی اتفاق می افتد که نمودار فوق در حال تعادل باشد برای مثال، مثلا میزان سرعت انجماد کم و یا سرد کردن آهسته صورت گیرد. این در حالی است که طبیعت عملیات دایکاست انجماد سریع آلیاژ را می طلبد، بنابراین معمولادر عمل قطعات ریخته شده را با آب خنک کرده که این عمل از تغییر فاز و حد حلالیت در محدوده خواسته شده جلوگیری میکند.
این پدیده به گونهای است که آلیاژی تاثیر انجماد و سرعت سرد کردن قرار گرفته و در نهایت باعث تغییر در پیرسازی (ایجینگ) میشود.
آلیاژهای آلومینیوم – روی همانطور که در نمودار فازی مربوطه مشاهده شد، در اثر کاهش درجه حرارت، تغییر می کنند
در ریختهگری تحت فشار نسبت به ریخته گری تبریدی، از قسمتهای انتقالی و تغییر فازی و همچنین از رسوب شدن محلولهای جامد جلوگیری به عمل میآید.
بنابراین یک تعادلی با عمل پیرسازی در این ریختهگری به وجود میآید.
در نتیجه این عمل باعث به وجود آمدن تغییرات کوچکی در خواص مکانیکی میشود. مطالعهای که به وسیله ASTM 20 سال انجام گرفته است این تغییرات را نشان میدهد. ( در اشکال 4-4 آمده است) مقدارهای به دست آمده تحت عمل پیرسازی با بررسیها اشکال زیر ربط نشان می دهد که آلیاژ 3 دارای پایداری خوب نسبت به آلیاژ شماره 5 است. 1/0 آلیاژ شماره 5 سختتر و پراستحکامتر از آلیاژ شماره 3 است ولی آلیاژ شماره 5 دارای استحکام به ضربه کمتری نیاز است.
با توجه به مطالب گفته شده در این زمینه به وضوح میتوان نتایج زیر را به دست آورد.
1-آلیاژهای روی میتوانند در ماشینهایی که دارای سرعت عمل بالایی هستند ریختهگری شوند.
2-استحکام به ضربه آلیاژهای روی ریخته شده، بالاتر از آلیاژهای دیگر است البته این امر در مورد آلیاژهای روی پایه مس تفاوت دارد.
3-آلیاژهای روی ریخته شده به راحتی ماشینکاری می شوند اگر به ماشینکاری نیاز باشد.
4 -آلیاژهای روی ریختگی توسط عملیاتهای آندايزه کردن و پوشش های پلیمری شفاف، تمام کاری می شوند.
5-آلیاژهای ریختگی روی کم و بیش گران هستند. ( نسبت به بعضی از آلیاژها)
تاثیر عناصر آلیاژی
در انتها بحث روی و آلیاژهای آن، اثر عناصر را روی آلیاژهای روی به طور مختصر بررسی میکنیم
اثر روی ، هر چه میزان روی در آلیاژ بیشتر باشد به علت این که روی دارای نقطه ذوب پایینی است، میزان استحکام بیشتر میشود همچنین مقاومت به خوردگی نیز افزایش مییابد.
اثر آلومینیوم : یکی دیگر از عناصری که در این آلیاژها اهمیت دارد آلومینیوم است چرا که این عنصر باعث افزایش استحکام کششی، مقاومت به خزش، استحکام به ضربه و سختی درروی می شود. اما با این تفاسیر باید میزان آلومینیوم را به دقت کنترل کرد چون در صورتی که مقدار آن بیشتر از5/3 تا 3/4 ٪ شود استحکامهای فوق را به مقدار زیادی کاهش میدهد.
از جمله دیگر خواص میتوان کاهش مقدار اکسید سرباره و همچنین کاهش حمله به دیوارههای قالب و وسایل فولادی ( از جنبه خوردگی) را نام برد
اثر منیزیم : سختی را افزایش داده ولی استحکام به ضربه درصد ازدیاد طول همچنین سیالیت مذاب آلیاژ را کاهش میدهد.
مقاومت به خوردگی را افزایش میدهد ولی این کار هم میتوان با مقدار کمی نیکل به دست آورد. اگر چه نیکل در آلیاژ با تشکیل ترکیب Ni2AL3 باعث افزایش سرباره در بالا و همچنین افزایش شکنندگی و سختی نقاطی در قطعه نهایی می شود.
اثر مس: در واقع دو اثر مهم مس، افزایش استحکام کششی، خزشی و سختی و همچنین افزایش مقاومت به خوردگی است. اگر چه آلیاژهایی که دارای مقدار مس باشند در نهایت به صورت ناپایدار با استحکام به ضربه پایینی هستند به همین دلیل سعی می شود مقدار مس تا 25/1 ٪ محدود شود.
اثر آهن: آهن به عنوان یک ناخالصی در آلیاژهای ریختهگری تحت فشار به شمار میرود چرا که حد حلالیت آهن در آلیاژ روی آلومینیوم پایین بوده و باعث:
1- افزایش سرباره در بالای مذاب شده ( برای مثال ترکیب FeAl3 در قسمت بالای مذاب شناور میشود)
2- شکنندگی در آلیاژهای ریختگی افزایش مییابد.
3- مشکلات ماشینکاری در قطعه نهایی وجود دارد.
اثر سرب ، کادمیم و قلع: اثرات زیان آور این عناصر بسیار مهم بوده
کادمیم و قلع: اثرات زیان آور این عناصر بسیار مهم بوده و به گونهای نیست که در همان ابتدای امر خود را نشان دهد اصولا اثرات این عناصر در قطعه بعد از گذشت زمان مخصوصا در هوای مرطوب دیده میشود. در واقع قطعه نهایی باعث پارگی و ایجاد ترک میشود.
7) اثر نیکل، کرم و منگنز: یکی از اثرات مهم این آلیاژ در مذاب ایجاد ترکیبات Mn2AL5 , CrAL4, Ni2AL3 است که تحت اصلی سرباره مذاب را تشکیل میدهند. در واقع این عناصر با ترکیب با آلومینیوم باعث افزایش سرباره میشوند. در مواقع طبق تحقیقات انجام شده این ترکیبات بین فلزی در بسیاری از موارد هم باعث کاهش حد حلالیت میشوند.
موضوع تحقیق :روی و آلیاژهای روی
روی دارای نقطه ذوب پایین (420 ) و ساختمان بلوری شش گوش فشرده بوده که دارای فشار بخار زیاد می باشد. که در آلیاژ سازی مورد توجه است.
عملیات کار سردی (کار سختی) بر روی,روی خالص انجام نمی شود علت بر اینکه درجه حرارت تبلور مجدد آن در نزدیکی دمای محیط میباشد. آلیاژهای روی را می توان با نورد- کشش- اکسترود و ریخته گری شکل داد که در این میان ریخته گری بخصوص ریخته گری تحت فشار از اهمیت ویژه ای برخوردار است .
روی و آلیاژهای آن به صورت پوششهای فلزی برای ورقه آجر و سطح، زنجیرها، آهن آلات، لوله ، پیچ ها و مخازن سیستم و پوشش سیم موارد استعمال وسیعی پیدا کردهاند ریختهگری فشاری روش شامل قطعات اتومبیل، لوازم خانگی، وسائل دفتر کار. آهن آلات ،قفل ها اسباببازیها و اجناس جدید هستند.
پوششهای گالوانیزه شده یا به وسیله غوطهوری ، آبکاری الکتریکی ، آبکاری مکانیکی یا به وسیله پخش شعله مورد استفاده قرار میگیرند.
آلیاژهای روی تحت نام زاماک به سه دسته اصلی :زاماک2 زاماک3 و زاماک5 تقسیم می شوند و عناصر موجود در آنها عبارتند از: آلومینیوم – مس – منیزیم و به مقدار کمی از عناصر آهن سرب و قلع استفاده می شود.
معمولا تفاوت انواع زاماک در میزان مس موجود در آن بوده به طوری که سایر عناصر آلیاژی ترکیبات نسبتا ثابتی دارند. مثلا مس موجود در زاماک2, 0.1 % و در زاماک 3 75/0 % و در زاماک 5 ,25/1% مس وجود دارد و در زاماک4 منیزیم وجود نداشته و درصد مس ,در این نوع زاماک به 3% و درصد آلومینیوم به 4% می رسد
آلیاژهای ریختگی فشاری روی قیمت کمتر و استحکام خوبی دارند. آنها را میتوان تا حدود محدودی ریختهگری کرد، به تراشکاری کمتری نیاز دارند و مقاومت خوبی نسبت به خوردگی سطحی از خود نشان میدهند.
آلیاژهای ریختهگری روی که معمولا مصرف میشوند در جدول زیر آمده است، هر گاه حدود ناخالصی از حد مجاز تجاوز کند. این آلیاژهای ریختگی روی مستعد خوردگی بین دانهای تاب خوردگی و ترکبرداری میشوند.
شکل1- عکس متالوگرافی آلیاژ زاماک 3 در ریختهگری تحت فشار
شکل1
این عکس با میزان انجمادکم گرفته شده است به طوری که در آن دندریتهای اولیه روی که از فاز بتا غنی هستند در اطراف مناطق سفید رنگ دیده می شوند ساختار یوتکتویندی در این حالت از فاز بتا به علاوه فاز آلفا تشکیل شده است. شایان ذکر است که این فاز از در درجه حرارت (یوتکتويیدی) تشکیل شده است.
فازهای موجود در این شکل به صورت زیر هستند:
محلول جامد جانشینی اصلی که شامل فاز اصلی روی و مقدار کمی لومینیوم است.
ע: محلول جامد متوسط شامل درصدر از عناصر روی و آلومینیوم
α: محلول جامد روی در آلومینیوم
با توجه به فازهای گفته شده و درصد عناصر موجود محدوده حرارتی را مثلا برای آلیاژ زاماک 3 بررسی میکنیم
1- بین درجه حرارت 382 – 387 درجه سانتیگراد، محدوده خطی لیکوییدوس و سالیدوس به گونهای است که در آنجا کریستالهای اولیه بتا به وجود آمدهاند.
2- در درجه حرارت 382درجه سانتيگراد منطقه یوتکتیک است که در نهایت کریستالهایßوگامادر این ناحیه به وجود آمدهاند. در زیر این درجه حرارت آلیاژ کاملا جامد است.
3- در درجه حرارت 275درجه سانتيگرادفازگاما در زیر خط یوتکتیک تبدیل به آلفاوبتا میشود.
AL- Zn شکل 4-1 نمودار فازی آلیاژ
-در درجه حرارت پایینتر از این مقدار میآید. حد حلالیت آلومنیوم در روی β کاهش می یابد این مقدار
کاهش از 1٪ از 382 درجه سانتيگراد به 05/0 ٪ در درجه حرارت اتاق می رسد این عمل در حالی اتفاق میافتد که در حد حلالیت روی در آلومنیوم از 32٪ به کمتر از 1٪ می رسد.
5-نسبت وزنی β به گامادر درجه حرارت یوتکتیک 382 درجه سانتيگراد در حدود 5 به 1 است.
6-نسبت وزنی β به آلفا در درجه حرارت اتاق در حدود 24 به 1 است.
ارتباط بین فازهای و حد حلالیت آنها در شرایطی اتفاق می افتد که نمودار فوق در حال تعادل باشد برای مثال، مثلا میزان سرعت انجماد کم و یا سرد کردن آهسته صورت گیرد. این در حالی است که طبیعت عملیات دایکاست انجماد سریع آلیاژ را می طلبد، بنابراین معمولادر عمل قطعات ریخته شده را با آب خنک کرده که این عمل از تغییر فاز و حد حلالیت در محدوده خواسته شده جلوگیری میکند.
این پدیده به گونهای است که آلیاژی تاثیر انجماد و سرعت سرد کردن قرار گرفته و در نهایت باعث تغییر در پیرسازی (ایجینگ) میشود.
آلیاژهای آلومینیوم – روی همانطور که در نمودار فازی مربوطه مشاهده شد، در اثر کاهش درجه حرارت، تغییر می کنند
در ریختهگری تحت فشار نسبت به ریخته گری تبریدی، از قسمتهای انتقالی و تغییر فازی و همچنین از رسوب شدن محلولهای جامد جلوگیری به عمل میآید.
بنابراین یک تعادلی با عمل پیرسازی در این ریختهگری به وجود میآید.
در نتیجه این عمل باعث به وجود آمدن تغییرات کوچکی در خواص مکانیکی میشود. مطالعهای که به وسیله ASTM 20 سال انجام گرفته است این تغییرات را نشان میدهد. ( در اشکال 4-4 آمده است) مقدارهای به دست آمده تحت عمل پیرسازی با بررسیها اشکال زیر ربط نشان می دهد که آلیاژ 3 دارای پایداری خوب نسبت به آلیاژ شماره 5 است. 1/0 آلیاژ شماره 5 سختتر و پراستحکامتر از آلیاژ شماره 3 است ولی آلیاژ شماره 5 دارای استحکام به ضربه کمتری نیاز است.
با توجه به مطالب گفته شده در این زمینه به وضوح میتوان نتایج زیر را به دست آورد.
1-آلیاژهای روی میتوانند در ماشینهایی که دارای سرعت عمل بالایی هستند ریختهگری شوند.
2-استحکام به ضربه آلیاژهای روی ریخته شده، بالاتر از آلیاژهای دیگر است البته این امر در مورد آلیاژهای روی پایه مس تفاوت دارد.
3-آلیاژهای روی ریخته شده به راحتی ماشینکاری می شوند اگر به ماشینکاری نیاز باشد.
4 -آلیاژهای روی ریختگی توسط عملیاتهای آندايزه کردن و پوشش های پلیمری شفاف، تمام کاری می شوند.
5-آلیاژهای ریختگی روی کم و بیش گران هستند. ( نسبت به بعضی از آلیاژها)
تاثیر عناصر آلیاژی
در انتها بحث روی و آلیاژهای آن، اثر عناصر را روی آلیاژهای روی به طور مختصر بررسی میکنیم
اثر روی ، هر چه میزان روی در آلیاژ بیشتر باشد به علت این که روی دارای نقطه ذوب پایینی است، میزان استحکام بیشتر میشود همچنین مقاومت به خوردگی نیز افزایش مییابد.
اثر آلومینیوم : یکی دیگر از عناصری که در این آلیاژها اهمیت دارد آلومینیوم است چرا که این عنصر باعث افزایش استحکام کششی، مقاومت به خزش، استحکام به ضربه و سختی درروی می شود. اما با این تفاسیر باید میزان آلومینیوم را به دقت کنترل کرد چون در صورتی که مقدار آن بیشتر از5/3 تا 3/4 ٪ شود استحکامهای فوق را به مقدار زیادی کاهش میدهد.
از جمله دیگر خواص میتوان کاهش مقدار اکسید سرباره و همچنین کاهش حمله به دیوارههای قالب و وسایل فولادی ( از جنبه خوردگی) را نام برد
اثر منیزیم : سختی را افزایش داده ولی استحکام به ضربه درصد ازدیاد طول همچنین سیالیت مذاب آلیاژ را کاهش میدهد.
مقاومت به خوردگی را افزایش میدهد ولی این کار هم میتوان با مقدار کمی نیکل به دست آورد. اگر چه نیکل در آلیاژ با تشکیل ترکیب Ni2AL3 باعث افزایش سرباره در بالا و همچنین افزایش شکنندگی و سختی نقاطی در قطعه نهایی می شود.
اثر مس: در واقع دو اثر مهم مس، افزایش استحکام کششی، خزشی و سختی و همچنین افزایش مقاومت به خوردگی است. اگر چه آلیاژهایی که دارای مقدار مس باشند در نهایت به صورت ناپایدار با استحکام به ضربه پایینی هستند به همین دلیل سعی می شود مقدار مس تا 25/1 ٪ محدود شود.
اثر آهن: آهن به عنوان یک ناخالصی در آلیاژهای ریختهگری تحت فشار به شمار میرود چرا که حد حلالیت آهن در آلیاژ روی آلومینیوم پایین بوده و باعث:
1- افزایش سرباره در بالای مذاب شده ( برای مثال ترکیب FeAl3 در قسمت بالای مذاب شناور میشود)
2- شکنندگی در آلیاژهای ریختگی افزایش مییابد.
3- مشکلات ماشینکاری در قطعه نهایی وجود دارد.
اثر سرب ، کادمیم و قلع: اثرات زیان آور این عناصر بسیار مهم بوده
کادمیم و قلع: اثرات زیان آور این عناصر بسیار مهم بوده و به گونهای نیست که در همان ابتدای امر خود را نشان دهد اصولا اثرات این عناصر در قطعه بعد از گذشت زمان مخصوصا در هوای مرطوب دیده میشود. در واقع قطعه نهایی باعث پارگی و ایجاد ترک میشود.
7) اثر نیکل، کرم و منگنز: یکی از اثرات مهم این آلیاژ در مذاب ایجاد ترکیبات Mn2AL5 , CrAL4, Ni2AL3 است که تحت اصلی سرباره مذاب را تشکیل میدهند. در واقع این عناصر با ترکیب با آلومینیوم باعث افزایش سرباره میشوند. در مواقع طبق تحقیقات انجام شده این ترکیبات بین فلزی در بسیاری از موارد هم باعث کاهش حد حلالیت میشوند.
