تحقیق قابليت جوش پذيري و جوشكاري مس و آلياژهاي آن
مس، اولين فلزي است كه توسط انسان مورد استفاده قرار گرفت. پنج هزار سال پيش، يوناني ها و روميان باستان، آن را از جزيره قبرس كنوني استخراج مي كردند. يونانيان آن را به نام كالكو (Chalco) و روميان به نام آيس (Aes) مي شناختند و چون از جزيره قبرس استخراج مي شد آن را آيس سيپريم (Cypirum) ناميدند. بعداً در زبان هاي مختلف اروپايي ، به دليل تلفظ هاي متفاوت كلمه، سپيريم شكل هاي متفاوتي به خود گرفت، به طوري كه امروز در انگليسي آن را كوپر (Copper) و درآلماني (Kupfer) و در فرانسه (Cuivre) مي نامند.
اين فلز، به دليل سختي توأم با انعطاف پذيري، هدايت حرارتي و الكتريكي بالا، قبول عمليات مكانيكي گوناگون، شكل پذيري فوق العاده ، مقاومت در برابر خوردگي، رنگ هاي زيبا، غيرمغناطيسي بودن، قابليت ريخته گري مناسب، لحيم كاري نرم و سخت، جوش پذيري، غير سمي بودن، …. و نيز امكان تهيه آلياژهاي گوناگون در كنار ساير فلزات، به يك عنصر بسيار مفيد و غير قابل چشم پوشي در صنايع بشري آمده است.
مس با جرم اتمي 54/63 و ساختار (FCC) در 0c1083 ذوب مي شود. اين عنصر، به دلايل متالورژيكي، به عنوان حلال ترين فلز شناخته شده و به غير از سرب، تقريباً كليه عناصر با آن، قابليت انحلال دارند.
از نظر شيميايي، مس از فلزات نجيب به شمار آمده و در جدول تانسيون، پس از نقره قرار دارد. مس در مجاورت هوا و رطوبت، از يك قشر نازك اكسيد مس كه مخلوطي از CuO و Cu2O است پوشيده مي شود. اين قشر نازك، بقيه فلز را از اكسيده شدن محافظت مي كند. اگر اين اكسيدها مدت زيادي در مجاورت هوا قرار گيرند و يا سطح مس به شدت اكسيده شود، رنگ مايل به سياه، آن ، به تدريج به رنگ سبز كه مخلوطي از سولفات و يا كلرورهاي قليايي است تبديل مي شود كه آن را زنگار (Patina) مي گويند. هواي محيط، در تشكيل اين تركيبات بسيار مؤثر است. به طوري كه اكثراً در نواحي صنعتي، تركيبات سولفات به فرمول 3Cu(OH)2 و CuSo4 و در مجاورت درياها تركيبات كلروري مثل 3Cu(OH)2 و CuCl2 به وجود مي آيد.
مس مذاب، قابليت انحلال شديدي براي گازهاي مختلف دارد و اين پديده، هنگام انجماد به سرعت كاهش مي يابد. مقدار حل شدن گازها در مس، به درجه حرارت و فشار جزيي گازها در محيط خارج بستگي دارد.
گازها در مس بيشتر به صورت بيشتر به صورت اتمي حل مي شوند. مقدار حلاليت گازها را مي توان به صورت رابطه نمايش داد كه در آن C مقدار گاز حل شده بر حسب سانتي متر مكعب در هر 100 گرم فلز مس بوده، P فشار جزئي گاز در محيط خارج و K ضريب ثابتي است كه به درجه حرارت بستگي دارد. با توجه به رابطه بالا مي توان نتيجه گرفت كه افزايش دما با افزايش K و در نتيجه افزايش مقدار گاز حل شده مذاب رابطه مستقيم دارد.
بررسي حلاليت گازها در مس و آلياژهاي آن
گازهايي مثل اكسيژن، هيدروژن و … در مس قابل حل بوده و تأثيراتي بر آن مي گذارد و كه بدين قرار است :
– حلاليت اكسيژن
اكسيژن، به صورت اتمي در درجه حرارت اوتكتيك 1065 درجه سانيتگراد حدود 009/0 درصد و درجه حرارت محيط حدود 002/0 درصد در مس قابل حل است. در صورتي كه مقدار اكسيژن، اين حدود باشد، با مس وارد تركيب شده و اتكتيكي به صورت Cu-Cu2O با حدود 39/0 درصد اكسيژن تشكيل مي دهد
Cu-Cu2O شكل (1) دياگرام تعادلي
شكل (2) حلاليت اكسيژن در مس
همانگونه كه از منحني هاي شكل (1) و (2) مشخص است، تركيب اكسيد فلزي Cu2O در درجه حرارت 1000 تا 1050 درجه سانتي گراد پايدار است. در درجه حرارت هاي پايين تر، اين تركيب به CuO تبديل مي شود. بنابراين پس از جوشكاري، براساس يكي از واكنش هاي زير، CuO در اثر سرد شدن تشكيل خواهد شد.
2Cu2O + O2 4 Cu2O
Cu2O CuO +Cu
در اثر جوشكاري و در درجه حرارت هاي بالاتر از 1050 درجه سانتيگراد، Cu2O تجزيه شده و اكسيژن آزاد مي كند كه در اثر فعل و انفعالات شيميايي جانشيني با ساير عناسر موجود، تركيب شده و بخار آب و ساير اكسيدهاي فلزي، توليد مي كند.
همچنين در هنگام پيشگرم كردن و شروع جوشكاري در حرات هاي حدود 700 درجه سانتي گراد، مس با يك شعله سبز رنگ با اكسيژن محيط تركيب شده و CuO توليد مي كند :
كه در درجه حرارت هاي بالاتر CuO حاصله بهCu2O تبديل خواهد شد.
با توجه به اين نتايج و بررسي انجام شده مي توان گفت كه مقدار جذب اكسيژن در مس مذاب به زمان بستگي دارد و از اين رو، براي محافظت مس مذاب از ورود اكسيژن، بهترين روش استفاده از جوشكاري با سرعت بالا و وجود گازهاي محافظ حوضچه است.
حلاليت هيدروژن
هيدروژن در مس مذاب، در 1083 درجه سانتيگراد به ميزان 6 سانتي متر مكعب در هر 100 گرم از فلز حل مي شود ولي در حضور عناصر آلياژي مثل قلع، روي يا آلومينيوم اين حلاليت به شدت كاهش مي يابد. به طور مثال ، در آْلياژ مس با 10 درصد آلومينيوم، حلاليت هيدروژن تا 50 درصد كاهش مي يابد. جذب هيدروژن توسط حوضچه مذاب از منابع مختلف مثل هواي محيط، مواد مصرفي، رطوبت و چربي و غيره انجام مي گيرد. با انجماد مس نيز، ميزان حلاليت آن تا حدود كاهش مي يابد. در صنعت مس، تأثير هيدروژن چه در حالت مذاب و چه در حالت جامد، يكي از فاكتورهاي مهم به حساب مي آيد. در حالت جامد، اگر مس در درجه حرارت هاي بالا با هيدروژن در تماس باشد، هيدروژن به دليل دارا بودن شعاع اتمي بسيار كوچكتر نسبت به مس مي تواند در مس نفوذ كرده و سپس تشكيل ملكول H2 بدهد و اگر در مس اكسيژن وجود داشته باشد، واكنش زير حاصل خواهد شد :
بخار آب توليد شده بر خلاف هيدروژن، در مس نامحلول است و بنابراين در اطراف مرزدانه ها جمع و به علت تراكم و فشار زيادي كه ايجاد مي كند، مرزدانه ها را سست، ضعيف و شكننده مي كند. (3). اين خاصيت خطرناك به هيدروژن تردي شهرت پيدا كرده، بنابراين در زمان جوشكاري بايد از قطعات مسي و پر كننده هايي استفاده كرد كه قبلاً اكسيژن زدايي شده باشند.