تاثیر آلومینویم در فولادها

آلومینیوم فلز سبک به رنگ نقره ای بوده که با لایه نازکی از اکسید آلومینیوم پوشیده شده است که این اکسید به محض تماس آن با هوا با سرعت زیاد تشکیل می شود.اکسید آلومینیوم نقطه ذوب بسیار بالاتری از آلومینیوم خالص دارد.آلومینیوم در حالت فلزی سمی نیست و خاصیت مغناطیسی ندارد.استحکام کششی آن در حالت خالص تقریبا 49 Mpa و در حالت آلیاژی تا 400 Mpa نیز می رسد.چگالی آن تقریبا یک سوم چگالی آهن است و داکتیل و چکش خواری بالایی دارد و به راحتی ریخته گری یا ماشینکاری می شود.به دلیل وجود اکسید آلومینیوم بر روی سطح آن،مقاومت خوردگی و ماندگاری بسیار بالایی دارد.این فلز رسانایی بسیار خوبی برای حرارت و گرما است.

چینی ها تقریبا از سال 300 ق م از آلومینیوم استفاده می کردند. یونانی ها و رومی های قدیمی از  نمک های آن به عنوان رنگدانه و قابض برای بند آمدن زخم ها استفاده میکردند.در سال 1761 میلادی،گیتون موروی(Guyton de Morveau) پیشنهاد کرد که فلز پایه آلوم را آلومین نام گذاری نمایند. در سال 1808،همفری دیوی(Humphry Davy) این فلز را شناسایی نمود و آن را ابتدا آلومیوم(Alumium) و سپس آلومینیوم(Aluminum) نام نهاد.

فریدریش وهلر (Friedrich Wohler) از طریق مخلوط کردن کلرید آلومینیوم بی آب با پتاسیوم در سال 1827 توانست آلومینوم را جدا نماید.البته دو سال بعد توسط شیمیدان و فیزیکدان دانمارکی به نام هانس کریستین اورستد(Hans Christian Orsted) ،آلومینوم به شکل ناخالص تولید شد.ازاینرو از وی به عنوان اولین کسی که توانست آلومینیوم را کشف نماید،یاد می شود.روش وهلر در سال 1846 توسط دانشمند فرانسوی به نام هنری دویل (Henri Saint Claire Deville) اصلاح یافت و در این روش بهبود،سدیم جایگزین پتاسیمی گردید که بسیار گران بود.

در سال 1886،مقاله ای توسط چارلز مارتین هال(Charles Martin Hall) منتشر شد که در آن فرآیند الکترولیتی برای استخراج آلومینیوم توضیح داده شده بود که مشابه با روشی بود که همزمان توسط پاول هرولت(Pault Heroult) در اروپا ارایه شده بود.این روش که بنام روش هال-هرولت نامیده می شود،سبب شد که روش استخراج آلومینیوم از کانی ها بسیار ارزان شده که هنوز هم از روش های اصلی برای استخراج آلومینوم در سراسر دنیا محسوب می شود.البته یادآوری این نکته مهم است که با این روش استحصال آلومینیوم بسیار خالص ممکن نیست.

آلومینیوم یک عنصر سمی است که می تواند مسبب تغییر عملکرد دیواره های خونی مغز شود.شاید به جرات می توان گفت که این عنصر جزو معدود عناصری است که هیچ تاثیرمثبتی بر کارکرد سلول های زنده ندارد.برخی اشخاص به آن حساسیت نشان می دهند از جمله جوش هایی که با خارش همراهند،اختلالات گوارشی و عدم توانایی در جذب مواد مغذی در هنگام پخت با ظرف های آلومینیومی.در اشخاص دیگر ،آلومینیوم عنصر سمی نمی باشد ولی اگر به مقدار زیادی توسط اشخاص استفاده شوند،میتواند مسمومیت هایی را در پی داشته باشد.

اما این عنصردر فولاد سازی  ،اکسیژن زدای بسیار قوی بوده ، پایدار کننده نیتروژن و اصلاح کننده اندازه دانه است.برای این منظور درصد آلومینیوم کمتری نیاز است. آلومینیوم باعث پایداری فاز فریت در ریزساختار می شود. در درصدهای حدود 1 درصد فاز فریت بطور کامل پایدار می شود.

به دلیل ماهیت فیزیکی و شیمیایی این عنصر در ترکیب با اکسیژن ، فیلم سطحی بسیار محکم اکسید آلومینیوم در سطح تشکیل می دهد که مقاومت خوردگی سطحی را افزایش می دهد. اگر در نقطه ای این فیلم آسیب بیند، دوباره آن سطح اکسیدشده و فیلم اکسیدی تازه ای  برروی آن تشکیل می شود.ضـــخامت اکسیدی در حدود 10 nm و بالاتر است. این خاصیت را توانایی حفاظت از خود (Self-protective capability)  می گویند.

البته برای بهبود مقاومت خوردگی بیشتر از کروم  بمیزان 10 % و بالاتر استفاده می کنندولی این عنصر گران است و مقرون به صرفه نیست.افزودن آلومینیوم به ترکیب فولاد تاثیرات نامطلوب ناخواسته  دیگری نیز در پی دارد.آنچه که باید در نظر گرفت اینست که قبل ازاینکه مقاومت خوردگی را بیفزاید،،فریت زا است. قابلیت انحلال آلومینیوم در فریت تقریبا 35 % است که در درصدهای بالا ، تمایل به تشکیل محلول جامد با درجه نظم بالا (Fe₃Al) زیاد می شود.اگر استحاله برگشت پذیر آلفا به گاما وجود نداشته باشد، مشکل بزرگ شدن دانه ها وجود خواهد داشت فلذا محدودیت هایی در چقرمگی  و داکتیلتی بوجود می آید.

آلومینیوم تاثیر عالی بر روی مقاومت در برابر پیرکرنشی داشته و به علت تشکیل ذرات سخت نیترید آلومینیوم ، بیشتر به عنوان عنصر آلیاژی در فولادهای نیتروره شونده بکار می رود. در فولادهای رسوب سختی شونده ،با تشکیل ترکیبات بین فلزی ،استحکام در شرایط پیر شده را افزایش می دهد.

قابلیت انحلال آلومینوم در گاما و آلفا به ترتیب 1.1 و 35  درصد است که با افزایش درصد کربن در فولاد ،درصد انحلال در گاما افزایش می یابد. آلومینوم با تشکیل محلول جامد ،استحکام فریت را زیاد کرده و اگر در گاما حل شود ، سختی پذیری را تا حد متوسطی افزایش می دهد. از طرفی تمایل چندانی به تشکیل کاربید ندارد ولی به عنوان گرافیت زا عمل می کند.

در بین عناصر آلیاژی کنترل کننده اندازه دانه آستنیتی، آلومینوم بیشترین تاثیر را دارد.آخرین تئوری که اینگونه عملکرد آلومینوم را توضیح می دهد اینست که آلومینوم با تشکیل نیترید آلومینوم  مانعی در برابر حرکت مرزدانه های آستنیت  تشکیل می دهد.فولادهای کربنی ساده حاوی آلومینوم مقاومت پیرکرنشی بالایی داشته و استحکام ضربه شان بهبود می یابد. از طرفی بدلیل یکنواختی ساختار شان، قابلیت ماشینکاری آنها اصلاح می شود.

اکسیژن زدایی با آلومینوم تاثیر بسیار زیادی بر اندازه ، شکل و توزیع آخالهای سولفیدی دارد.در مطالعه تاثیرات آلومینوم ، این نکته حاصل شد که در صورت کافی نبودن درصد آلومینوم برای اکسیژن زدایی ، آخالهای سولفیدی بصورت اشکال کروی با اندازه های متفاوت و توزیع تصادفی در می آیند که تیپ یک را تشکیل می دهند.اگر فولادها  بطور کامل با آلومینوم اکسیژن زدایی شده باشند ولی درصد اضافی از این عنصر در ترکیب فولاد موجود نباشد، در این حالت شکل آخالها کره های بسیار ریز با شکل یوتکتیکی  بوده که در مرزدانه های اولیه قرار می گیرند.(تیپ دو) . تیپ سه در صورتی بدست می آید که اولا فولاد بطور کامل اکسیژن زدایی شده  و از طرف دیگر درصدی از این عنصر در ترکیب وجود داشته باشد.در این حالت، شکل آخالها کروی درشت و حجیم با توزیع تصادفی خواهد بود.

کمترین داکتیلیتی در تیپ دو بدست می آید که بدترین حالت می باشد.در حالیکه بهترین حالت و بالاترین داکتیلیتی در تیپ یک بدست می آید.مقدار آلومینوم در تیپ یک در محدوده 0.015-0.025 % و درصد آن در تیپ سه برابر 0.010 درصد می باشد.

در نیتریداسیون فولادهای غیرآلیاژی ،نیتریدهای آهن (Fe₄N,Fe₂N) تشکیل می شود که بسیار نرم هستند و سختی آنها کمتر از 200 HB  خواهد بود.در فولادهای نیتروآلوی، نیتریدهای آلومینوم و کروم بسیار پایدار بوده و لایه سطحی سختی بالایی خواهند داشت ولی ضخامت این لایه چندان بالا نیست(0.004 in) در فولادهایی که دارای 1 % Al می باشند، نیتریدهای آهن بسیار ترد در سطح تشکیل می شوند . فلذا در این گونه موارد برای جلوگیری از پوسته شدن در حین کار، بهتر است سطح بمیزان 0.001 in سنگ زنی شود.

آلیاژهای مغناطیس نیکل- آلومینوم دارای 6-13 % آلومینوم می باشند.این در حالی است که استحاله مارتنزیتی با ایجاد تنش های داخلی ، خواص مغناطیسی به فولادهای مغناطیس معمولی می دهد.در این آلیاژها سخت گردانی مغناطیسی با مکانیسم رسوب ایجاد می شود.آلیاژ مغناطیس دایم Alni دارای 3.5% Cu,24% Ni,13% Al  است.آلیاژ با نرخ بحرانی از دمای انحلال سرد می شود و در طی سرد کردن در محدوده 1200-800 C غیرمغناطیس بوده و فازهای با توزیع ریز رسوب می کند.تنش های داخلی در طی سرد شدن اشاعه یافته و توزیع رسوب پراکنده شرایط خوبی را برای خواص مغناطیس دایمی فراهم می آورد.

آلیاژهای مغناطیس دایم که دارای آلومینوم هستند،بیشترین HB در مقایسه با مغناطیس های حاوی کبالت و تنگستن معمولی دارند از جمله Alnico,Alomax,Ticonal,Hycomax.

آلومینوم بهمراه تیتانیوم به ترکیب برخی از آلیاژهای پایه نیکلی که دردماهای بالا بکار می روند، اضافه می شود تا تشکیل رسوبات پراکنده در دماهای پایین را تسهیل دهد. این رسوبات ترکیبات نیکل- آلومینوم-تیتانیوم هستند.آلیاژ Nimonic با این مکانیسم سخت گردانی می شود و امکان دارد که در دمای 700 C رسوب سختی شود.در شرایط عملیات حرارتی شده ، این آلیاژ نسبت استحکام به وزن خوب، تنش شکست خوب در دماهای بالا و مقاومت خزشی قابل قبول داشته و در موتورهای هواپیماهای مدرن که در معرض دماهای بسیار بالا هستند ، کاربرد دارند.

در آلیاژ Nitralloy N آلومینوم بدو منظور گسترش رسوب سختی و نیز تاثیر آن در نیتریداسیون وجود دارد.بعد از نیتریداسیون، یک سطح سخت معمولی تشکیل می شود ولی در همان زمان مرکز قطعه به اندازه 15-20 ton/in² بدلیل فرآیند رسوب سختی استحکام گردانی می شود.

آلومینوم می تواند در مواد 18/8 تاثیر بسزایی در رسوب سختی آنها داشته باشد.در چنین مواردی 1% Al  اضافه می شود.با این درصد آلومینوم ، مقدار مشخصی از فریت دلتا در ریزساختار تشکیل می شود  که کارپذیری گرم را تا حد زیادی کاهش میدهد. آلیاژهای از این نوع می توان به 17/7 PH و 15/5 PH اشاره کرد.مواد PH  ( رسوب سختی شونده) این مزیت را در مقایسه با فولادهای سخت شونده عادی دارند که مکانیسم رسوب  تحت تاثیر اثرات اندازه دانه نبوده و در کل مقطع میتوان به سخت گردانی یکنواختی دست یافت.

مقاومت اکسیداسیون آلیاژهای کروم-آهن در دماهای بالا با افزودن آلومینوم بهتر می شود.آلیاژ Fe-20%Cr-5%Al مقاومت (Resistivity) در حدود یک پنجم برابر بیشتر از مواد کروم-نیکل معمولی دارد.اگر مقدار آلومینوم این آلیاژ تا 10 %  بیشتر شود، مقاومت آن دو برابر مواد کروم – نیکل می شود.

گروه دیگری از مقاومت ها که از لحاظ ترکیب و خواص مشابهند، ولی کبالت در ترکیبشان وجود دارد، سری های Kanthal بوده که حاوی 3 %Co,5% Al,25 % Cr  هست. البته آلیاژ های با 37.5 % Cr,7.5% Al نیز تولید می شوند ولی فولادهای 13% Cr-5 % Al نیز در مقاومت های صنایع سنگین کاربرد دارند.

چدنها با آلومینوم تا 2 درصد می توانند بصورت افزودنی جامد، آلیاژی شوند. ولی اگر بخواهیم درصد آلومینوم بیشتر از این مقدار باشد باید دو ذوب با هم مخلوط شوند.فیلم اکسیدی محکمی بر روی ذوب تشکیل می شود که اگر در ریخته گری دقت لازم نشود، افت خواص مکانیکی و ریخته گری را در پی خواهد داشت.

در چدنها ، آلومینوم تا 4 درصد گرافیت زایی را افزایش می دهد. از 4-10 %Al کاربید یوتکتیــک پایدار می شـــــــود و بین 10-18 % Al کاربید ها دیگر غالب هستند.بین 18-24 % Al گرافیت زایی مجددا اتفاق افتاده و با افزایش درصد آن ، گرافیت زایی ارتقاء می یابد.و در 24 % Al کل کربن بصورت گرافیت در می آید.با ازدیاد درصد آلومینوم پایداری کاربید نیز بیشتر می شود و در 29 % Al هیچ گونه گرافیتی در ریزساختار دیده نمی شود.

چدنهای با آلومینوم بالا ، مقاومت خوبی در برابر رشد دانه و پوسته برداری Scalling دارند. در درصدهای بالای 3  ، پوسته برداری یک دفعه کاهش می یابد.در زیر این مقدار تاثیر چندانی بر رشد ندارد ولی در درصدهای بالاتر از آن، با افزایش درصد آلومینوم مقدار آن شدیدا کاهش می یابد و در محدوده 8-20 % به یک مقدار مینیمم می رسد که در آن گرافیتی وجود ندارد و یا اگر وجود داشته باشد خیلی کم است.آلیاژی بنام Crafler بهترین مقاومت در برابر رشد و پوسته برداری دردماهای بالاتر از 1000 C را دارد و در ترکیب آن 7-7.5 % Al و 0.75 % Cr می توان یافت.

آلومینوم در ترکیب فروسیلیس ها و یا سایر فروآلیاژهای حاوی سیلیس وجود دارد و اگر بخواهیم جوانه زنی بنحو احسن انجام شود ، بهتر است درصد آلومینوم در این آلیاژهای بیشتر از 1 درصد باشد.

افزودن 0.02 %Al به ترکیب چدن مالیبل ، جوانه زنی کروی را بیشتر کرده و بدلیل احتمال ترکیب آن با نیتروژن، مالیبلیزاسیون را تسهیل می سازد.