يكي از مهمترين و قديمي ترين مواد مورد اســـتفاده فلزات مي باشـــند كه انواع بســـيار گسترده اي دارند.

۱-۲-۳- آهن و تركيبات آن

آهن به شكل طبيعي به صورت تركيب شيميايي با اكسيژن، گوگرد و سيليسيم (سنگ آهن) وجود دارد. اين تركيب بايد احياي شيميايي شود، تا آهن عنصري توليد شود.

روش هاي مختلف توليد فولاد در قراضه آهن و چدن:

1-روش بسيمر-توماس¹، از طريق تزريق هاي داغ در آهن مذاب عناصر نامطلوب مثل كربن اضافي از طريق اكسيژن هوا اكسيد شده به سرباره منتقل مي شود.

2-روش زيمنس-مارتين²، شبيه روش اول است ولي استفاده از آهن قراضه را در فرآيند ممكن مي كند و براي توليد فولاد مخصوص كاربرد دارد.

3-روش احياي اكسيژن LD يا BOF ،شبيه فرآيند زيمنس-مارتین است ولی بجای هوا از اكسيژن براي پالايش آهن خام استفاده ميشود. آهن خام با 30-20 درصد قراضه بعنوان مواد اوليه در كانورتور مصرف ميشود.

4-كوره هاي قوس الكتريكي، روش فولادسازي نوين است كه با روش هاي سنتي وابسته به كربن زدايي آهن خام تفاوت دارد. اين روش توليد در كانورتورهاي قوس الكتريكي انجام ميشود كه بر اساس ذوب آهن قراضه است.

روشهاي LD و قوس الكتريكي از فّناوري بسيار پيشرفته و از نظر اقتصادي مقرون به صرفه اند. توليد فولاد از آهن در كانورتورها انجام ميشود كه مراحل آن شامل كاهش كربن، پالايش ناخالصي ها، اضافه كردن عناصر آلياژي و اكسيژن زدايي است. تهيه فولاد به روش هاي فوق به صورت شمش و يا با روش هاي ريخته گري مداوم براي نورد آماده ميشود. خواص فولاد به تركيب شيميايي، نحوه توليد آن و عمليات حرارتي و مكانيكي انجام گرفته روي آن بستگي دارد.

بالا بردن استحكام يا سخت گرداني فولادها براي بهبود خواص استحكامي آنهاست. به طور دقيق تر براي بالا بردن تنش تسليم (مقاومت در برابر تغيير شكل پلاستيكي) بكار برده ميشود.

تصویر آهن مذاب

۱-۱-۲-۳- چدن

خانواده اي از فلزات آهنـي، كـه بـه طور معمول 2 تـا 4 درصـد وزنـي كـربن و مقـداري سيليسيم دارد. تفاوت انواع چدن در ميزان كربن موجود در آنها مي باشد.

الف) چدن خاكستري

ب) چدن سفيد

ج) چدن چكش خوار

د) چدن داكتيل

و) چدن با گرافيت فشرده

نمونه هايي از چدن

۲-۱-۲-۳- فولاد

فولادهـا نيـز آليـاژ آهـن و كـربن هسـتند ولـي ميـزان كـربن آنهـا كمتـر از چـدن است. معمـولاً فولادهـا در كـوره اجاق گـاز يـا كـانورتور اكسـيژن قليـايي توليـد مـي شوند. در هر دو فرآيند، كـربن موجـود در آليـاژ در اثـر سـوختن بـا اكسـيژن كـاهش مي یابد و نيز مبناي ساخت فولاد سيستم دوتايي آهن- كاربيد آهن است.

تصویر شمش های فولادی

اگـر فولادهـاي حـاوي 4 درصـد وزنـي كـربن، تـا دمـاي اتـاق سـرد شـوند ايـن نـوع فولاد به دست مي آيد.

فولادهاي كم كربن يا كمتـر از 0/2 درصـد وزنـي كـربن بـراي سـاخت فـرآورده هـايي مانند ورق هـاي نـورد شـده مـورد مصـرف در بدنـه اتومبيـل اسـتفاده مـي شـود. ايـن فولادها را ميتوان در عمليات خمكاري استفاده نمود.

فولادهاي پركربن كـه حـدود 0/8 درصـد وزنـي كـربن دارنـد حـاوي مقـادير زيـادي كاربيد هستند و در پـي آن بسـيار سـخت و بـا دوام هسـتند. بـراي سـاخت فـرآورده هايي مانند ريل راه آهن از ايـن فولادهـا اسـتفاده مـي شـود. بـراي بـالا بـردن خـواص مكانيكي و قابليت جوشكاري فولادها بايد آنها را اكسيژن زدايي كرد.

۳-۱-۲-۳- فولادهای چندفازی

در بســياري از مــوارد ايــن تمايــل وجــود دارد كــه بــا تغييــرات ســاختاري خــواص فولاد را تغييـر داد. بـه عنوان مثال مـيتـوان فولادهـاي دوفـازي يـا چنـد فـازي توليـد كـرد. (كـه ايـن فـولادهـا كاربردهـاي ويـژه اي در صـنايع نظـامي و خودروسـازي كـه استحكام بالا و سبك بودن موردنياز است، استفاده ميشوند.)

۴-۱-۲-۳- فولادهای آلیاژی

بـراي توليـد فولادهـاي ضـدزنگ كـه بـه سـبب مقاومـت زيـاد در مقابـل خـوردگي شهرت دارنـد، حـاوي مقـدار زيـادي (10 تـا 20 درصـد وزنـي) كـروم و نيكـل مـي باشــند. مقــادير زيــاد عناصــر آليــاژي مــيتواننــد فــاز آســتنيتي را پايــدار كننــد، بطوریکه حتی در حرارت اتاق نیز پایدار باشند.

روش هاي بهبود خواص استحكامي فولادها بر اساس جلوگيري از حركت نابجایی ها

۱-سخت گرداني با انحلال اتم هاي خارجي ١

2-سخت گرداني با ايجاد رسوب هاي فازي ٢

3-سخت گرداني با ريز كردن ساختار 3

4-سخت گرداني با كار پلاستيكي

۲-۲-۳- آلومينيم

آلومینیوم چگالي تقريباً 2770kg/m دارد كه در مقايســـه با چگالي فولاد 7750kg/m به مراتب كمتر مي باشد. آلومينيم خالص داراي استحكام كششي حدود 90MPa اســت، كه اين ميزان را ميتوان با انجام كار ســرد يا افزودن عناصــر آلياژي به طور چشمگيري افزايش داد. مدول الاستيسيته آلومينيم و آلياژهاي آن تقريباً 71.7GPa است كه در حدود يك سوم مدول الاستيسيته فولاد مي باشد. از ويژگي هاي برجسته آلومينيم و آلياژهاي آن ميتوان به نسبت بالاي استحكام به وزن، مقاومت خوب در برابر خوردگي، رسانايي گرمايي و الكتريكي بالا اشاره كرد. پايين بودن نسبي قيمت و بالا بودن استحكام آلومينيم و آلياژهاي آن سبب شده است كه اين فلز غيرآهني بيشترين كاربر را در ساخت قطعات داشته باشد.

قطعات آلومينيومي را به روش هاي ريخته گري ماســه اي، ريخته گري تحت فشــار، ســرد كاري يا گرم كاري و حديده كاري ميتوان ســاخت. آلياژهاي آن قابليت ماشــينكاري، پرسكاري، لحيمكاري، جوشكاري و زرد جوشكاري هستند. آلومينيوم خالص در دما °660 سانتی گراد ذوب ميشـــود كه براي توليد قطعات به روش ريخته گري ماســـه اي يا ريخته گري با قالب هاي فلزي بسيار مناسب است.

آلومينيم به صورت ورق، مفتول، تسمه، زرورق، ميلگرد، لوله و پروفيل هاي ساختماني و حديده كاري شده در بازار موجود است. در جوشكاري يا لحيم كاري قطعات آلومينيمي بايســـتي به نكات خاص توجه كرد، چراكه همه آلياژهاي اين فلز قابليت جوشـــكاري ندارند.

مقاومت خوردگي آلياژهاي آلومينيم بستگي به كيفيت پوشش اكسيدي نازكي دارد كه بر روي سطح آنها تشكيل مي شود. ازآنجاكه آلومينيوم فلز فعالي است، اين پوشش به سرعت بر روي آن شكل ميگيرد.

مس، ســيلســيم، منگنز، منيزيم و روي از مهمترين عناصــر آلياژي آلومينيم هســتند.

آلياژهاي آلومينيم را به دودسته آلياژهاي ريخته گري يا آلياژهاي غير ريخته گري تقسيم مي کنند.

آلومينيم 2017 از آلياژهاي شناخته شده آلومينيوم است كه پذيراي عمليات حرارتي هسـت (با 4 درصــد مس، 0/5 درصــد منيزيم و 0/5 درصــد منگنز). اين آلياژ در ظرف چهار روز در دماي اتاق سرد مي شود. به علت پير شدن سريع، اين آلياژ را بايد پس از آب دهي تا قبل از شكل دهي در دماي زير صفر نگهداري كرد، يا اينكه آن را بلافا صله پس از آبدهي شكل داد.

3-2-3- منیزیم

چگالي منيزيم حدود 1800kg/m³ اســت. ازآنجاكه منيزم ســبكترين فلز صــنعتي اســت، بيشــترين كاربرد آن در صــنايع هواپيمايي و خودروســازي اســت. گرچه امروزه كاربردهاي بسيار ديگري نيز پيداكرده است.

بااينكه آلياژهاي منيزيم داراي اســـتحكام بالايي نيســـتند اما به علت پايين بودن وزن، نســـبت اســـتحكام به وزن آنها قابل مقايســـه با آلياژهاي آلومينيم و فولاد هســـتند. با اين وجود بيشــترين كاربرد آلياژهاي آلومينيم در مواردي اســت كه اســتحكام نقش تعيين كننده اي ندارد. منيزيم قادر به تحمل دماهاي بالا نيســـت و در دماي حدود °100C نقطه استحكام تسليم آن به طور چشمگيري كاهش مي یابد.

آلومينيم و آلياژهاي آن داراي مدول الاستيسيته كششي و فشاري 45GPa هستند، گرچه استحكام فشاري برخي آلياژها بيشتر از استحكام كششي آنها است. بررسي ها نشـان ميدهند كه انجام كار سـرد بر روي آلياژهاي منيزم مدول الاسـتيسـيته آنها را كاهش ميدهد.

۴-۲-۳- تیتانیم

تيتانيم و آلياژهاي آن ازنظر اسـتحكام بسـيار شـبيه به فولادهاي با اسـتحكام متوسـط هســتند، اما وزن آن نصــف وزن فولادهاسـت. اين ماده مقاومت بســيار خوبي در مقابل خوردگي از خود نشـــان ميدهد. غير مغناطيس اســـت و از رســـانايي گرمايي پايين و مقاومت حرارتي بالايي برخوردار ميباشـد. مدول الاسـتيسـته آن بين فولاد و آلومينيم یعنی 16.5Mpsi است.

به علت مزاياي فراوان آن در مقايسه با فولاد و آلومينيم، كاربرد آن به حوزه هاي صنعت
هوافضا، صنايع دريايي، صنايع شيميايي و تجهيزات فرآوري، سيستم هاي انتقال سيال و ساخت پروتزهاي انساني گسترده شده است. ازجمله معايب تيتانيم ميتوان به قيمت بالاي آن در مقايسه با فولاد و آلومينيم و مشكل ماشينكاري آن اشاره كرد.

۵-۲-۳- مس

تركيب آلياژ مس و روي را برنج مي نامند. تركيب اين آلياژ با عناصر ديگر را معمولا برنز ميگويند. گاهي اوقات نام عنصــر آلياژي به همراه برنز آورده ميشــود. براي مثال، برنز قلع دار يا برنز فسفر دار، در ادامه به بررسي برخي از آلياژها پرداخته خواهد شد.

برنج با 5 تا 15 درصد روي

ســـردكاري بر روي اين نوع برنج ها به ويژه هنگاميكه ميزان روي آنها نزديك به 15 درصد باشد به راحتي قابل انجام است. اين برنج ها از قابليت شكل پذيري خوب و مقاومت خوردگي بالايي برخوردارند، اما به سـختي ماشـينكاري ميشـوند. آلياژهايي كه در اين گروه جاي ميگيرند عبارت اند از: برنج طلاكاري (با 5 در صد روي)، برنز صنعتي (با 10 درصد روي) و برنج قرمز با 15 درصد روي.

برنج طلاكاري بيشترين كاربرد را در صنعت طلا و جواهرسازي براي ساخت روكش هاي طلايي دارد. شكل پذيري آن آلياژ مانند مس استحكام آن بيشتر مي باشد؛ در ضمن قابليت ماشـــينكاري ضـــعيف تر دارد. برنج قرمز علاوه بر مقاومت خوردگي خوب از اســتحكام بالايي نيز در دماهاي زياد برخوردار اســت به همين علت از آن در ســاخت لوله هاي آب داغ رادياتورها و كنداسورها استفاده مي كنند.

برنج با 20 تا 36 درصد روي

آلياژهايي كه در اين گروه قرار مي گيرند عبارت اند از: برنج كم روي (با 20 درصد روي)، برنج فشــنگ (با 30 درصــد روي)، برنج معمولي با (با 35 درصــد روي). از آنجا كه روي ارزانتر از مس است. آلياژهايي كه داراي روي بيشتر و مس كمتر هستند قيمت پايين تري دارند. اين آلياژها قابليت ماشــينكاري بهتر و اســتحكام بالاتري دارند اما خوردگي آنها پايين اســت و امكان ترك خوردگي فصلي در نقاط تنش هاي پسماند در آنها وجود دارد. برنج كم روي بســيار شــبيه برنج قرمز اســت و براي قطعاتي كه نياز به عمليات عميق كشــي دارند اســـتفاده ميشـــود. در ميان آلياژهاي مس-روي، برنج فشـــنگ داراي بهترين تركيب شـكل پذيري و اسـتحكام اسـت. پوكه هاي فشـنگ در ابتدا كاملاً به روش سـختكاري ساخته مي شدند. فرآيند ساخت از چندين مرحله عميق كشي تشكيل ميشد كه پس از هر بار كشش، قطعه باز پخت مي شد تا براي مرحله بعد آماده شود گرچه قابليت گرمكاري برنج معمولي ضعيف است. اگر مقادير اندكي سرب به برنج افزوده شود، قابليت ماشينكاري آن بسيار بالا مي رود و تا حدي نيز قابليت گرم كاري آن بهتر ميشود. افزودن سرب به برنج، خواص جوشكاري و انجام كار سرد را دچار مشكل ميكند. از آلياژهاي اين گروه ميتوان به برنج كم سرب (با 32/5 درصـد روي،0/5 درصـد سـرب)، برنج پُرسـرب (با 34 درصـد روي،2 درصـد سرب)، برنج خوشتراش (با 35/5 درصد روي،3 درصد سرب) اشاره كرد. برنج كم سرب نه تنها داراي قابليت ماشــينكاري خوبي اســت، بلكه خواص ســرد كاري مطلوبي دارد به گونه اي كه مناسب ساخت قطعات مختلف ماشين تراش است. برنج پرسرب كه گاهي اوقات برنج حكاكي نيز ناميده ميشود، براي ســاخت ابزارآلات، قفل و قطعات ســاعت به كار ميرود. برنج مفرغ (با 28 درصــد روي) داراي 1 درصد قلع است كه مقاومت خوردگي خوبي به ويژه در مقابل آب دريا به آن ميدهد. اين آلياژ داراي استحكام و شكل پذيري خوبي است و قابليت ماشينكاري و نورد آن ضعيف است. به علت مقاومت بالا در برابر خوردگي، از آن در ساخت تجهيزات نيروگاهي و وسايل شيميايي استفاده ميشود. برنج آلومينيوم دار (با 22 در صد روي) داراي 2 درصــد آلومينيوم اســت و به علت نزديك بودن خواص آن با برنج مفرغ داراي كاربردهاي مشــابه اســت. به علت مقاومت بالاي برنج آلومينيوم دار در مقابل خوردگي ناشــي از جريان هاي ســريع آب اســتفاده از آن براي ســاخت لوله، در مقايســه با برنج مفرغ دار از ارجحيت بيشتري برخوردار است.

برنج با 36 تا 40 درصد روي

آلياژهاي برنج با بيش از 38 درصــد روي داراي قابليت شـكل پذيري كمتري نســبت به برنج فشنگ هستند و انجام كار سرد بر روي آنها نيز امكان پذير نيست. از اين آلياژ كار گرم و حديده كاري استفاده ميكنند. فلز مونتز (با 40 درصد روي) داراي قيمت ارزان و تا حدودي مقاوم در برابر خوردگي اســـت. برنج دريايي تقريباً داراي همان مقدار مونتز است با اين تفاوت كه حاوي 0/75 درصد قلع مي باشد. وجود قلع در اين آلياژ سبب بالا رفتن مقاومت آن در برابر خوردگي ميشود.

برنز

برنز سيلسيم دار، علاوه بر مس داراي 3 درصد سيلسيم و 1 درصد منيزم است. اين آلياژ خواص مكانيكي مشــابه فولاد نرم و مقاومت خوردگي خوبي اســت. برنز ســيلســيم دار پذيراي كار سرد، كار گرم و جوشكاري است. از اين آلياژ در مواردي استفاده مي كنند كه علاوه بر مقاومت خوردگي خوب، استحكام بالا نيز موردنظر باشد.

برنز فسفردار، كه داراي 11 در صد قلع و مقادير اندكي فسفر است و مقاومت خوبي در برابر خوردگي و خســتگي دارد. اين آلياژ از اســتحكام بالا، ظرفيت جذب انرژي زياد و مقاومت سايشی خوبي برخوردار است. با داشتن اين ويژگي ها، اين آلياژ ميتواند ماده مناسبي براي ساخت فنرها باشد.

برنز آلومينيوم دار، آلياژي با حداكثر 12 درصـــد آلومينيوم اســـت كه پذيراي عمليات حرارتي ميباشــد. اين آلياژ داراي مقاومت خوردگي و اســتحكامي بهتر از برنج اســت. علاوه بر اين، خواص آن را ميتوان در محدوده گسترده اي به كمك سردكاري، عمليات حرارتي يا انتخاب تركيب عناصر تغيير داد و چنانچه تا ميزان 4 درصد آهن به آن اضافه كنيم، آلياژي با حد دوام بالا، مقاومت ضربه و مقاومت سايشي خوب به دست خواهد آمد.

برنز آلومينيومدار، آلياژي با حداكثر 12 درصـــد آلومينيوم اســـت كه پذيراي عمليات حرارتي ميباشد. اين آلياژ داراي مقاومت خوردگي و استحكامي بهتر از برنج است علاوه بر اين، خواص آن را ميتوان در محدوده گســـترده اي به كمك ســـردكاري، عمليات حرارتي يا انتخاب تركيب عناصـــر تغيير داد، و چنانچه تا ميزان 4 درصـــد آهن به آن اضافه كنيم، آلياژي با حد دوام بالا، مقاومت ضربه اي و مقاومت سايشي خوب به دست خواهد آمد.

برنز بريليم دار، يكي ديگر از آلياژهاي پذيراي حرارتي اســت كه داراي 2 درصــد بريليم مي باشد. اين آلياژ علاوه بر استحكام و سختي بالا از مقاومت خوردگي و سايشي خوبي نيز برخوردار اســـت. باوجود قيمت بالا، از آن در ســـاخت فنرهاي و قطعاتي كه تحت بارهاي خستگي محيط هاي خورنده قرار دارند استفاده ميشود. با اندكي تغيير ميتوان بسياري از آلياژهاي مس را به روش ريخته گري به دست آورد.

[۱]Bessemer –Thomas

[۲]Simens-Martin

[۳]Bosic oxygen furnace

[۱]Hardening

[۱]Solution hardening

[۲]precipitiation hardening

[۳]Fine- grain treatmeit

[۴]Deformation hardening