السبائك

طرق معالجة المعادن والسبائك

المعادن metals أجسام بلورية تتوزع ذراتها توزعاً منتظماً، وتحتوي على عدد كبير من البلورات الصغيرة متباينة الاتجاهات. والمعادن غير شفافة ولها بريق، تمتاز في الحالة الصلبة بموصلية مرتفعة للحرارة والكهرباء، وإضافة إلى ذلك فإن المعامل الحراري للمقاومة الكهربائية فيها موجب. وتزداد المقاومة الكهربائية بارتفاع درجة حرارة المعدن. أما السبائك alloys (الأشابات) المعدنية فهي خليط من عنصرين معدنيين أو أكثر للحصول على مادة ذات خواص ميكانيكية (مقاومة الشد وحد المتانة والقساوة وغيرها)، أو كيمياوية (مقاومة التآكل) تتفوق على خواص أي من العنصرين. وتأخذ السبيكة اسم المعدن الموجود بنسبة أكبر يعرف باسم المعدن الأساس، أما المعادن والمواد الأخرى المضافة فتعرف بأنها عناصر سبائكية (أشابات). إن معظم المواد المعدنية المستخدمة في الوقت الراهن هي في صورة سبائك فيما عدا القليل منها مثل الأسلاك الكهربائية المصنوعة من النحاس النقي.لمحة تاريخيةعرف الإنسان المعادن واستخدمها منذ أكثر من خمسة آلاف سنة. فاستخدمت في بادئ الأمر المعادن غير الحديدية (الذهب والفضة والقصدير والنحاس وغيرها)، وبعد ذلك بدأ استخدام المعادن الحديدية.إن أول معدن تم اكتشافه والتعرف عليه هو الذهب؛ لوجوده في القشرة الأرضية في صورة منفردة ونقية، وكان ذلك في القرن التاسع عشر قبل الميلاد. وبسبب بريقه وقابليته للطرق فقد تمكن الإنسان من تشكيله في أشكال مختلفة من الحلي والتحف والأدوات. ثم اكتشف لاحقاً النحاس أو سبائكه واستخدمه في العصر الحجري الحديث في صناعة الأدوات والمعدات التي احتاج إليها الإنسان. بعد التطور الواسع في صناعة النحاس وسبائكه والاستفادة منه في كثير من التطبيقات بدأ البحث عن مواد معدنية جديدة ذات خواص أفضل، وهذه كانت بداية الحديد وسبائكه (العصر الحديدي) ويعتقد أنه تم منذ نحو 1500 سنة قبل الميلاد. وتقدم الصينيون إلى حد بعيد في صهر الحديد المليَّف في القرن الرابع الميلادي. واستُخدم الرصاص على نطاق واسع في العصرين اليوناني والروماني (ما بين 600 قبل الميلاد و400 ميلادي) وأنتج بكميات كبيرة لاستعماله مادة عازلة للسطوح وفي صناعة الأنابيب وغيرها.وفي عام 1780 أثبت البريطاني بريستلي Priestley أن الفولاذ اتحاد بين الحديد والكربون. وكان كل من البريطاني بسمر Bessemer والألماني سيمنز Siemens من الأوائل الذين توصلوا إلى أهم طريقتين لاستخلاص الفولاذ من الحديد الصب باستخدام محول بسمر والفرن المفتوح. كما بدأت في هذه الفترة صناعة الأنابيب باستخدام عمليتي الدرفلة واللحام كما عُرفت عمليات البثق.السبائكإن المعادن النقية تكون عادة لينة جداً وضعيفة لذلك لا تصلح للعديد من الاستخدامات الصناعية، كما أن مقاومتها للعوامل الكيميائية المحيطة في أغلب الأحيان ضعيفة مثل مقاومة التآكل. ونتيجة لذلك يتم خلطها مع بعضها لتصنيع السبائك. يحتوي النظام السبائكي على جميع السبائك التي يمكن أن تتكون بإذابة عدة عناصر مع بعضها في جميع التراكيز المحتملة والممكنة. يطلق على السبيكة المكونة من عنصرين اسم سبيكة ثنائية، أما إذا كانت مكونة من ثلاثة عناصر فهي سبيكة ثلاثية.يعتمد تصنيف نظم السبائك المعدنية على الآتي: العناصر المكونة للسبيكة، وتركيب البنية، ونوع مخطط التوازن، وطبيعة التركيب الفيزيائي. ويوضح الشكل 1 الأنواع المختلفة للنظم السبائكية

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

الشكل (1) الأنواع المختلفة للنظم السبائكية1ـ السبائك المتجانسة (وحيدة الطور): هي السبائك (الخلائط) متعددة البلورات، وتتميز بالخواص الآتية:أ- التركيب الكيميائي منتظم في جميع أجزائها فلا يوجد اختلاف في تركيز العناصر في الحبيبات المختلفة.ب- وحيدة التركيب البلوري فلا يختلف من موقع إلى آخر.تتكون السبائك وحيدة الطور من المحاليل الصلبة التبادلية أو التداخلية. وتتصف السبائك وحيدة الطور بالمزايا الآتية:- زيادة المقاومة والصلادة، والسبب في ذلك أن ذرات العنصر المذاب تعوق حركة ذرات العنصر المذيب.- انخفاض التوصيل الحراري والكهربائي ويعود السبب في ذلك إلى عدم انتظام المجال الكهربائي في بلورات السبيكة.2ـ السبائك غير المتجانسة (متعددة الأطوار): تتكون السبيكة من عدة أطوار مختلفة عن بعضها من حيث البنية البلورية وكذلك تكون البنية المجهرية متباينة، ويختلف التركيب الكيميائي من طور إلى آخر مجاور له، أي إن نسب العناصر المكونة للسبيكة تختلف بين طور وآخر. من أهم السبائك متعددة الأطوار سبائك الحديد وسبائك النحاس. تتميز السبائك متعددة الأطوار في الاستخدامات والتطبيقات الصناعية نظراً لقابليتها للمعالجات الحرارية، وبذلك يمكن التحكم في خواصها الميكانيكية مثل الصلادة والمتانة والمرونة وغيرها والوصول بها إلى تحقيق الشروط المطلوبة، ويعتمد ذلك على:

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

الشكل (2) المحلول الصلب التبادلي- التحكم في تركيب كل طور من أطوار السبيكة على حدة.- تغيير النسب بين كميات الأطوار المكونة للسبيكة.3ـ المحاليل الصلبة: عند ذكر المحاليل الصلبة يتبادر مباشرة إلى الأذهان السوائل التي أذيبت فيها بعض المواد الصلبة. إن المحاليل الصلبة عبارة عن سبيكة معدنية تم صهرها، فإذا كانت قابلة للذوبان بعضها مع بعض في الحالة الصلبة، ينتج عند تبريدها وتجمدها مركب مكون من المادة المذيبة وهي العنصر الذي تكون نسبته الأكبر في السبيكة، ومن المادة المذابة وهي العنصر ذو التركيز الأقل. يبدو هذا المركب عند فحصه بالمجهر الضوئي كأنه معدن نقي ومن المستحيل التمييز بين أي من مركباته، ولكن التحليل الطيفي يؤكد أنه مكون من عنصرين أو أكثر مذابة مع بعضها بعضاً.تقسم المحاليل الصلبة إلى:أ- المحاليل الصلبة التبادلية Substitutional Solid Solutions: تحل ذرات المعدن المذاب محل ذرات العنصر المذيب وتدخل في بناء الهيكل الشبكي. يكون إحلال الذرات في معظم سبائك المحاليل الصلبة بشكل غير منتظم ويدعى هذا بالمحلول الصلب التبادلي العشوائي (الشكل 2)، تزداد فرصة الإحلال العشوائي بزيادة درجة الحرارة.في حالات نادرة تتشكل محاليل صلبة منتظمة ويعرف هذا المحلول باسم الشبكية المتفوقة. يحتمل وجود المحاليل الصلبة المنتظمة عند درجات الحرارة المنخفضة وتتميز هذه السبائك بصلادة عالية مع درجة من الهشاشة (التقصف).يمكن أن يكون الذوبان في المحاليل الصلبة التبادلية محدوداً كما في حالة سبائك الألومنيوم - نيكل. أو يكون الذوبان مطلقاً مثل سبائك النحاس - نيكل.

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

الشكل (3) المحلول الصلب التداخليب- المحاليل الصلبة التداخلية: Interstitial Solid Solutionsوتعرف أحياناً بالمحاليل البينية حيث تتوضع ذرات العنصر المذاب في الفراغات بين ذرات المعدن الأساسي (الشكل3)، لا يحدث هذا النوع من الذوبان إلا إذا كانت ذرات العنصر المذاب أصغر حجماً بكثير من حجم ذرات العنصر المذيب، حتى تتمكن من احتلال الفراغات بين الذرات. إن إمكانية تشكل هذه المحاليل تكون أكبر عندما يكون قطر الذرة المذابة أقل من 59.0 من حجم الذرات المذيبة. لقد وجد أن المعادن الانتقالية أكثر قابلية لتشكيل المحاليل الصلبة التداخلية من المعادن الأخرى. وأهم العناصر الانتقالية: الحديد، النيكل، الكروم، الفناديوم، المنغنيز، التنغستن، الموليبدنيوم والتيتانيوم.أهم مثال على المحاليل الصلبة التداخلية، ذوبان الكربون في الحديد لتكوين محاليل صلبة مختلفة من الكربيدات التي هي أساس صلادة الفولاذ. إن التغير في قابلية إذابة الكربون في الحديد يرتبط بتغير البنية البلورية من الهياكل الشبكية المكعبة حجمية التمركز إلى وجهية التمركز، فنجد أن أعلى نسبة لذوبان الكربون في حديد (Fe a) تساوي 0.02% عند درجة الحرارة 723 ْم، في حين تصل نسبة ذوبان الكربون في حديد (Fe g?) إلى 2.06 عند درجة الحرارة 1147 ْم.تركيب السبائكيمكن التعبير عن تركيب السبائك إما بنسبة مئوية للوزن (نسبة مئوية وزنية wt%) وإما بنسبة مئوية للذرات (نسبة مئوية ذرية at%). إن حدود الإذابة هي عدد الذرات التي يمكن أن تحل محل الذرات الأخرى أكثر من نسبة وزنية، ولكن في الاستخدامات الهندسية يتم التعبير عن تكوين السبائك وتركيبها بنسبة وزن كل عنصر إلى وزن السبيكة الكلي. لذلك من الضروري معرفة العلاقة بين النسبة المئوية الوزنية والنسبة المئوية الذرية، وكيف يتم التحويل بينهما. فعند معرفة النسبة المئوية الوزنية لعنصرين يمكن تحديد النسبة المئوية الذرية للعنصر الأول من العلاقة (1)، والنسبة المئوية الذرية للعنصر الثاني من العلاقة (2).

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

معالجة المعادنتعد المعالجة الحرارية للمعادن أهم حلقات تقنيات إنتاج القطع نصف المصنعة لتحسين خواص المعدن (مثل قابلية التشكيل والقص وغيرها)، أو عملية نهائية لإعطاء المعدن مجموعة من الخواص الميكانيكية والفيزيائية والكيميائية. ويتم تحقيق هذه الغاية بإعطاء القطعة المعدنية كمية من الحرارة ثم تبريدها بحسب برنامج معين، وتتغير البنية البلورية للمعدن في أثناء ذلك.تعتمد المعالجة الحرارية للمعادن على ثلاث عمليات أساسية:1ـ التسخين: ويتم بوضع المعدن في فرن بارد Farnaceوتسخينه تدريجياً مع الفرن، أو بوضع المعدن في فرن درجة حرارته هي درجة الحرارة المراد تسخين المعدن إليها. وبهذا فإن السطح الخارجي للمعدن يتلامس مع الجو الساخن للفرن الذي يختلف باختلاف نوع الفرن المستخدم.2ـ الإبقاء في درجة الحرارة (زمن الإبقاء): إن الغاية من إبقاء المعدن في درجة حرارة عالية هي قبل كل شيء إيصال الحرارة إلى الطبقات الداخلية من المعدن وكذلك إحداث التغيرات الطورية المنتظرة في المعدن.3ـ التبريد: لدى الانتهاء من العمليتين السابقتين لا بد من تبريد المعدن إلى الدرجة العادية من الحرارة. وتختلف سرعة التبريد باختلاف نوع المعالجة المطبقة على المعدن. ونحصل على أصغر سرعة تبريد بترك المعدن والفرن يبردان معاً. كما يمكن الوصول إلى سرعة تبريد صغيرة بوضع المعدن في رمل أو رماد ساخن. أما التبريد الطبيعي فيتم بترك المعدن يبرد في مكان جاف وهواء ساكن. وتنتهي أكثر أنواع المعالجة بالتبريد البطيء أو التبريد الطبيعي. ولا يستعمل التبريد السريع إلا من أجل سقاية المعدن، وأهم مغاطس التبريد السريع هي الماء أو الزيت.يمكن حسب درجات حرارة التسخين وسرعة التبريد إجراء الأنواع الآتية من المعالجات الحرارية للمعادن: إزالة الإجهادات stresses وإعادة التبلور والتطرية والتنسيق والإحماء الانتشاري والتقسية والإرجاع.تجريف المعادنإن الاستعمال الرئيسي لتجريف المعادن هو الحصول على أجزاء (قطع) بالمقاسات والأشكال الهندسية المطلوبة، ويتم هذا أساساً بإزالة الطبقة الزائدة من المعدن على شكل رايش (نحاتة). والأنواع الأساسية لتجريف المعادن هي الخراطة والكشط والثقب والتفريز والتنعيم والصقل. وتنفذ جميع أنواع التجريف هذه على آلات تجريف المعادن (قطع المعادن) بأدوات تجريف مختلفة كأقلام الخراطة ومقاطع التفريز وريش الثقب وغيرها. وتعدّ عملية الخراطة وقلم الخراطة أساساً لجميع أنواع عمليات التجريف وأدواته [ الفرز والفرازة].

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

الشكل (4) الحركة الأساسية وحركة التغذية عند الخراطة


[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

االشكل (5) عملية الثني في قالبلتنفيذ عملية التجريف لا بد من وجود حركتين: حركة أساسية (حركة عاملة) وحركة للتغذية، وتحدد سرعة التجريف بسرعة الحركة الأساسية. وتكون الحركة الأساسية في عملية الخراطة هي الحركة الدورانية للمعدن (المشغولة)، وحركة التغذية هي الحركة الانتقالية لقلم القطع (الشكل 4). فعند حركة القلم بحركة مستقيمة موازية لمحور المشغولة تكون التغذية طولية وأما عند الحركة العمودية على محور المشغولة فتكون التغذية عرضية.ثني المعادنالثني هو إحدى عمليات التشوه الدائم للمعدن التي تعطيه شكلاً منحنياً، إذ بتأثير الاجهادات المتشكلة في مقطع المعدن تحدث عملية الثني. وتتم العملية بشكل حر أو في قالب die. يثبت أحد أطراف القطعة ويثنى الطرف الآخر بضربات من المطرقة. وتتناقص ثخانة المعدن مكان الثني، لذلك يجب كبس المعدن قبل ثنيه للحصول على مقطع متماثل. وتثنى المطروقات ذات المقطع الكبير على مكابس مرفقية. وتستخدم القوالب لإعطاء القطع عند الثني شكلاً معيناً.أثناء عملية الثني تحدث حالة شد بالطبقات الخارجية للمعدن الجاري ثنيه وضغط بالطبقات الداخلية (الشكل 5)، مع العلم أن الضغط النسبي للطبقات الداخلية والشد النسبي للطبقات الخارجية يزيد كلما قل نصف قطر الثني؛ لهذا فإن أدنى قيمة لنصف قطر الثني تختار على أساس شروط لا تسمح بانهيار الطبقات المشدودة للمعدن وتحسب بالمعادلة:rmin = (0.25 - 2.5) h

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
الشكل (6) عملية سحب المعادنحيث h خانة المعدن بالملم. وفي أثناء ثني المعدن على البارد تحدث انفعالات مرنة ولدنة بالقرب من زوايا الثني. وتؤدي مرونة المعدن إلى تغيير زاوية الثني بمقدار يعادل زاوية الارتداد المرن.سحب المعادنالسحب drawing هو عملية تشكيل المعدن على البارد بسحبه خلال فتحة أصغر من مقطعه. ويستعمل السحب لإنتاج أسلاك وأنابيب رقيقة الجدران ومقاطع عرضية مختلفة. يحصل المعدن بعد السحب على أبعاد مضبوطة وسطح أملس ومقاومة ومتانة مرتفعة نتيجة لتشغيله على البارد. ويجرى السحب بشد المعدن من خلال قالب السحب (الشكل6) الذي يصنع عادة من الفولاذ السبائكي أو من سبائك قاسية. ويتم السحب على آلات السحب القابضية أو البكرية. وتستعمل الأولى لسحب القضبان القصيرة والأنابيب، والثانية للحصول على أسلاك رفيعة وطويلة. ولتقليل الاحتكاك الخارجي وتآكل الفتحات يستعمل التزييت بوساطة خليط من مسحوق الصابون والطباشير والغرافيت. ويمكن إجراء معالجة إعادة التبلور بين عمليات السحب لإزالة القساوة الناشئة عن التشغيل على البارد