تحقیق مشخصات عمومي آلومينيم و آلياژهاي آن
- مشخصات فيزيكي :
آلومينيوم يكي از عناصر گروه سديم در جدول تناوبي است كه با تعداد پروتون 13 و نوترون 14 طبقه بندي الكتروني آن به صورت زير مي باشد
كه در نتيجه مي توان علاوه بر ظرفيت 3،ظرفيت 1را نيز در بعضي شرايط براي آلومينيوم در نظر گرفت
آلومينيوم از يك نوع ايزوتوپ تشكيل شده است وجرم اتمي آن در اندازه گيرهاي فيزيكي 1099/26 در اندازه گيرهاي شيميايي 98/26 تعيين گرديده است . شعاع اتمي اين عنصر در c o 25برابر 42885/1 آنگسترم و شعاع يوني آن از طريق روش گلداسميت برابر A 57/0بدست آمده است كه در ساختمان FCC وبدون هيچ گونه تغيير شكل آلوترو پيكي متبلور مي شود .
مهمترين آلياژهاي صنعتي و تجارتي آلومينيوم عبارت از آلياژهاي اين عنصر و عناصر دوره تناوبي سديم مانند (منيزيم ، سليسيم ) و عناصر دوره وابسته تناوب مانند مس ويا آلياژهاي توامي اين دو گروه است .
سيليسيم و منيزيم با اعداد اتمي 14و12 همسايه هاي اصلي آلومينيوم مي باشند و بسياري از كار بردهاي تكنولوژيكي آلومينيوم بر اساس چنين همسايگي استوار است .ثابت كريستالي آلومينيومْ A 0414/4a= و مطابق شرايط فيزيكي قطر اتمي آن فرمول8577/2 dAl = مي باشد . بديهي است حلاليت آلومينيوم به نسبت زيادي به قطر اتمي آن بستگي دارد و مطابق آنچه در مباحث متالورژي فيزيكي بيان مي گردد اختلاف قطر اتم هاي حلال ومحلول نبايد از 15%تجاوز نمايد،در حالي كه شكل ساختماني و الكترونهاي مدار آخر نيزدر اين حلاليت بي تاثير نيستند .
در موردمنيزيم و سيليسيم فاكتور اندازه اتمي نسبت به آلومينيوم مطابق روابط زير است
و اختلاف الكتروني مدار آخر نيز به ترتيب( 1+) براي منيزيم و(1ـ)براي سيليسيم مي باشد. در مورد تشابه ساختماني نيز در حالي كه عدد همسايگي آلومينيوم 12است اعداد همسايگي منيزيم وسيليسيم به ترتيب (6و6) (منشور فشرده )و(4ساختمان الماس)هستند كه در مجموع مي توان انتظار داشت كه حلاليت جامد سيليسيم در آلومينيوم ناچيز وحلاليت منيزيم از مقدار بيشتري برخودار باشد.
حلاليت نفوذ عناصر در آلومينيوم تابع قطر دهانه نفوذ جانبي
وقطر دهانه نفوذ مركزي
بنابراين اتم هاي با قطر كوچك (كربن54/1،ازت40/1،بر 75/1،ئيدروژن 74/0و اكسيژن20/1)را مي توان پيش بيني نمود كه از طريق بين نشيني ونفوذي در آلومينيوم محلول جامد تشكيل دهند ولي تاثير انرژي آزاد مناسب در تشكيل تركيبات بين فلزي غير فلزي مانع حلاليت عناصر فوق (به جز ئيدروژن)در آلومينيوم ميگردد و تشكيل تركيباتي مانندرا باعث ميشوند .
از بحث فوق نتيجه مي شود كه عناصر با قطر اتمي بيشتر از 17/1 آنگسترم نمي توانند در فلز آلومينيوم به طريق بين نشيني حل شوند و ئيدروژن تنها عنصري است كه حلاليت آن در حالت جامد مسلم ميباشد.
از آنجا كه انرژي آزاد تركيبات آلومينيوم به سهولت تامين مي گردد بسياري از اتمهاي كوچك حتي در حالت مذاب نيز با آلومينيوم تركيب مي شوند كه همين امر باعث حضور تركيبات مختلفي در ذوب و ساختمان ريخته گري آلومينيوم مي شود.
از مباحث متالوژي و ترموديناميكي استنباط مي شود كه ضريب نفوذ عناصر در آلومينيوم
كه در آن
ثابت نفوذي
Q انرژي انتقال بر حسب Cal/mol
R ثابت گازها 987/1 Cal/mol
T درجه حرارت مطلق مي باشد
مطالعات تجربي ثابت كرده است كه D (ضريب نفوذي) شديدا تحت تاثير درجه حرارت قرار دارد و مقدار Q و در مورد عناصري كه آلياژهاي صنعتي را توليد مي كنند مشخص است كه از جداول ترموديناميكي استخراج مي شود.
ثابت كريستالي آلومينيوم در اثر درجه حرارت انبساط مي يابد، بطوري كه ضريب انبساط خطي اين عنصر كه در C ْ20 برابر است در درجه حرارت C 200 ، و در C ْ 500 برابر مي باشد. از طرف ديگر انبساط ثابت كريستالي اين عنصر در مقابل محلولهاي جامد در هر حالت از قانون و گارد تبعيت مي كند.
نقطه ذوب آلومينيوم C ْ 659 و نقطه جوش آن C ْ 2057 است ولي فشار بخار آلومينيوم C ْ 1000 تقريبا برابر ميليمتر جيوه مي باشد كه از رابطه كلي زير استخراج مي شود.
به دليل ايجاد فشار بخار و شدت اكسيداسيون عملا كاربرد آلومينيوم مذاب در حرارتهاي بيش از C ْ 1000 غير ممكن است. گرماي نهان گداز آلومينيوم برابر 2480 كالري بر اتم گرم مي باشد و بر طبق روابط فيزيكي آنتروپي گداز آن
مقايسه انتروپي گداز و تغييرات انتروپي از درجه محيط تا نقطه ذوب نمايشگر تغييرات وسيعي است كه در انتقال فاز از مايع به جامد وبالعكس در ساختمان كريستالي فلز حاصل مي گردد.
نسبت تغيرات مذكور براي چند عنصر در زير نشان داده شده است
انتروپي گداز تغييرات انتروپي تا نقطه ذوب فلز
54/0 46/2 53/4 كادميوم
47/0 55/2 45/5 روي
37/0 75/2 51/7 آلومينيوم
31/0 32/2 54/7 منيزيم
24/0 30/2 79/9 مس
23/0 21/2 78/9 طلا
13/0 2 50/15 آهن
بايد توجه داشت كه رابطه براي فلزات خالص و تركيبات فلزي كه نقطه تجانس در منحني مايع و جامد پديد مي آيد صادق است و در سايرموارد نمي تواند مورد استفاده قرار گيرد. آلومينيوم در حالت مذاب انبساط زيادي پيدا مي نمايد بطوريكه وزن مخصوص آن از 69/2 در درجه حرارت محيط به 38/2 در حالت مذاب تقليل مي يابد و از اين رو انقباض حجمي آن حدود 10% مي باشد كه با توجه به وزن مخصوص جامد در درجه حرارت C ْ650 ، كه برابر 50/2 است انقباض در فاصله انجماد به 8/6 % تقليل مي يابد.
آلومينيوم جامد با ساختمان كريستالي FCC و عدد همسايگي حدود 11 و فاصله همسايگي 12 و فاصله همسايگي ْ A 86/2 ، بعد از ذوب داراي عدد همسايگي حدود 11 و فاصله همسايگي بيش از ْ A 3 مي گردد و از اين رو ضريب انبساط خطي آن در مرحله ذوب نيز ، حدود 4% است .
گرماي نهان گداز اين عنصر 5/2 كيلو كالري بر مول مي باشد كه در مقايسه با گرماي تبخير آب 6/69 كيلو كالري بر مول نسبت آن حدود 27 و به همين دليل در جريان ذوب ، امكان تبخير و تصعيد آلومينيوم بسيار كم است. اين نكته در مورد عناصري مانند منيزيم، روي و كادميوم كه گرماي نهان گداز آنها به ترتيب 08/2، 72/1 و 53/1 كيلو كالري بر مول و نسبت آنها از 16 كمتر است حائز اهميت است كه امكان تبخير و تصعيد چنين عناصري در مرحله ذوب را افزايش مي دهد.
2-1 مشخصات ريخته گري وذوب :
آلومينيوم و آلياژهاي آن به دليل نقطه ذوب كم و برخورداري از سياليت بالنسبه خوب و همچنين گسترش خواص مكانيكي و فيزيكي در اثر آلياژسازي و قبول پديده هاي عمليات حرارتي و عمليات مكانيكي، در صتايع امروز از اهميت زيادي بر خوردارند و روز به روز موارد مصرف اين آلياژ ها توسعه مي يابد. عناصر مختلف مانند سليسيم ، منيزيم ، مس ، در خواص ريخته گري و مكانيكي اين عنصر شديدا تاثير مي كنند و يك رشته آلياژهاي صنعتي را پديد مي آورند كه از مقاومت مكانيكي، مقاومت به خورندگي و قابليت ماشين كاري بسيار مطلوب برخوردارند. قابليت جذب گاز و فعل و انفعالات شيميايي در حالت مذاب از اهم مطالبي است كه در ذوب و ريخته گري آلومينيوم مورد بحث قرار مي گيرد و از اين رو مستقلا در بخش سوم اين كتاب مطالعه مي شوند.
1-2-1 تقسيم بندي آلياژها :
آلياژهاي آلومينيوم در اولين مرحله به دو دسته تقسيم مي گردند :
الف ـ آلياژهاي نوردي Wrought Alloys كه قابليت پذيرش انواع و اقسام كارهاي مكانيكي نورد ، اكستروژن ، وفلزگري را دارند.
ب ـ آلياهاي ريختگي Casting Alloys كه در شكل ريزي و ريخته گري هاي آلومينيوم با گسترش بسيار مورد استفاده اند .
تحقیق مشخصات عمومي آلومينيم و آلياژهاي آن