تحقیق مقاله قابلیت جوش پذیری و جوشکاری مس و آلیاژ های آن

مس، اولین فلزی است که توسط انسان مورد استفاده قرار گرفت. پنج هزار سال پیش، یونانی ها و رومیان باستان، آن را از جزیره قبرس کنونی استخراج می کردند. یونانیان آن را به نام کالکو (Chalco) و رومیان به نام آیس (Aes) می شناختند و چون از جزیره قبرس استخراج می شد آن را آیس سیپریم (Cypirum) نامیدند. بعداً در زبان های مختلف اروپایی ، به دلیل تلفظ های متفاوت کلمه، سپیریم شکل های متفاوتی به خود گرفت، به طوری که امروز در انگلیسی آن را کوپر (Copper) و درآلمانی (Kupfer) و در فرانسه (‍Cuivre) می نامند.

این فلز، به دلیل سختی توأم با انعطاف پذیری، هدایت حرارتی و الکتریکی بالا، قبول عملیات مکانیکی گوناگون، شکل پذیری فوق العاده ، مقاومت در برابر خوردگی، رنگ های زیبا، غیرمغناطیسی بودن، قابلیت ریخته گری مناسب، لحیم کاری نرم و سخت، جوش پذیری، غیر سمی بودن، .... و نیز امکان تهیه آلیاژهای گوناگون در کنار سایر فلزات، به یک عنصر بسیار مفید و غیر قابل چشم پوشی در صنایع بشری آمده است.

مس با جرم اتمی 54/63 و ساختار (FCC) در 0c1083 ذوب می شود. این عنصر، به دلایل متالورژیکی، به عنوان حلال ترین فلز شناخته شده و به غیر از سرب، تقریباً کلیه عناصر با آن، قابلیت انحلال دارند.

از نظر شیمیایی، مس از فلزات نجیب به شمار آمده و در جدول تانسیون، پس از نقره قرار دارد. مس در مجاورت هوا و رطوبت، از یک قشر نازک اکسید مس که مخلوطی از CuO و Cu2O است پوشیده می شود. این قشر نازک، بقیه فلز را از اکسیده شدن محافظت می کند. اگر این اکسیدها مدت زیادی در مجاورت هوا قرار گیرند و یا سطح مس به شدت اکسیده شود، رنگ مایل به سیاه، آن ، به تدریج به رنگ سبز که مخلوطی از سولفات و یا کلرورهای قلیایی است تبدیل می شود که آن را زنگار (Patina) می گویند. هوای محیط، در تشکیل این ترکیبات بسیار مؤثر است. به طوری که اکثراً در نواحی صنعتی، ترکیبات سولفات به فرمول 3Cu(OH)2 و CuSo4 و در مجاورت دریاها ترکیبات کلروری مثل 3Cu(OH)2 و CuCl2 به وجود می آید.

مس مذاب، قابلیت انحلال شدیدی برای گازهای مختلف دارد و این پدیده، هنگام انجماد به سرعت کاهش می یابد. مقدار حل شدن گازها در مس، به درجه حرارت و فشار جزیی گازها در محیط خارج بستگی دارد.

گازها در مس بیشتر به صورت بیشتر به صورت اتمی حل می شوند. مقدار حلالیت گازها را می توان به صورت رابطه  نمایش داد که در آن C مقدار گاز حل شده بر حسب سانتی متر مکعب در هر 100 گرم فلز مس بوده، P فشار جزئی گاز در محیط خارج و K ضریب ثابتی است که به درجه حرارت بستگی دارد. با توجه به رابطه بالا می توان نتیجه گرفت که افزایش دما با افزایش K و در نتیجه افزایش مقدار گاز حل شده مذاب رابطه مستقیم دارد.

بررسی حلالیت گازها در مس و آلیاژهای آن

گازهایی مثل اکسیژن، هیدروژن و ... در مس قابل حل بوده و تأثیراتی بر آن می گذارد و که بدین قرار است :

- حلالیت اکسیژن

اکسیژن، به صورت اتمی در درجه حرارت اوتکتیک 1065 درجه سانیتگراد حدود 009/0 درصد و درجه حرارت محیط حدود 002/0 درصد در مس قابل حل است. در صورتی که مقدار اکسیژن، این حدود باشد، با مس وارد ترکیب شده و اتکتیکی به صورت Cu-Cu2O با حدود 39/0 درصد اکسیژن تشکیل می دهد.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

Cu-Cu2O شکل (1) دیاگرام تعادلی

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل (2) حلالیت اکسیژن در مس

همانگونه که از منحنی های شکل (1) و (2) مشخص است، ترکیب اکسید فلزی Cu2O در درجه حرارت 1000 تا 1050 درجه سانتی گراد پایدار است. در درجه حرارت های پایین تر، این ترکیب به CuO تبدیل می شود. بنابراین پس از جوشکاری، براساس یکی از واکنش های زیر، CuO در اثر سرد شدن تشکیل خواهد شد.

2Cu2O + O2    4 Cu2O

Cu2O     CuO +Cu

در اثر جوشکاری و در درجه حرارت های بالاتر از 1050 درجه سانتیگراد، Cu2O تجزیه شده و اکسیژن آزاد می کند که در اثر فعل و انفعالات شیمیایی جانشینی با سایر عناسر موجود، ترکیب شده و بخار آب و سایر اکسیدهای فلزی، تولید می کند.

همچنین در هنگام پیشگرم کردن و شروع جوشکاری در حرات های حدود 700 درجه سانتی گراد، مس با یک شعله سبز رنگ با اکسیژن محیط ترکیب شده و CuO تولید می کند :

که در درجه حرارت های بالاتر CuO  حاصله بهCu2O    تبدیل خواهد شد.

با توجه به این نتایج و بررسی انجام شده می توان گفت که مقدار جذب اکسیژن در مس مذاب به زمان بستگی دارد و از این رو، برای محافظت مس مذاب از ورود اکسیژن، بهترین روش استفاده از جوشکاری با سرعت بالا و وجود گازهای محافظ حوضچه است.

حلالیت هیدروژن

هیدروژن در مس مذاب، در 1083 درجه سانتیگراد به میزان 6 سانتی متر مکعب در هر 100 گرم از فلز حل می شود ولی در حضور عناصر آلیاژی مثل قلع، روی یا آلومینیوم این حلالیت به شدت کاهش می یابد. به طور مثال ، در آْلیاژ مس با 10 درصد آلومینیوم، حلالیت هیدروژن تا 50 درصد کاهش می یابد. جذب هیدروژن توسط حوضچه مذاب از منابع مختلف مثل هوای محیط، مواد مصرفی، رطوبت و چربی و غیره انجام می گیرد. با انجماد مس نیز، میزان حلالیت آن تا حدود  کاهش می یابد. در صنعت مس، تأثیر هیدروژن چه در حالت مذاب و چه در حالت جامد، یکی از فاکتورهای مهم به حساب می آید. در حالت جامد، اگر مس در درجه حرارت های بالا با هیدروژن در تماس باشد، هیدروژن به دلیل دارا بودن شعاع اتمی بسیار کوچکتر نسبت به مس می تواند در مس نفوذ کرده و سپس تشکیل ملکول H2 بدهد و اگر در مس اکسیژن وجود داشته باشد، واکنش زیر حاصل خواهد شد :

بخار آب تولید شده بر خلاف هیدروژن، در مس نامحلول است و بنابراین در اطراف مرزدانه ها جمع و به علت تراکم و فشار زیادی که ایجاد می کند، مرزدانه ها را سست، ضعیف و شکننده می کند. (3). این خاصیت خطرناک به هیدروژن تردی شهرت پیدا کرده، بنابراین در زمان جوشکاری باید از قطعات مسی و پر کننده هایی استفاده کرد که قبلاً اکسیژن زدایی شده باشند.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل (3) هیدروژن تردی در مس

شکل (4) حلالیت هیدروژن در درجه حرارت های مختلف در مس

بر اساس آنچه گفته شد، نتیجه گرفته می شود که معمولاً هیدروژن مازاد بر حلالیت، به دو صورت در مس بروز می نماید:

- هیدروژن ملکولی که تحت تأثیر فشار داخلی و در جه حرارت مس مذاب انبساط یافته، و تخلخل های درشت در وسط جوش ایجاد می کند

- هیدروژن اتمی آزاد شده که در اثر فعل و انفعلاتی تولید بخار آب می کند و در واقع تأثیر مشترک هیدروژن و اکسیژن را به قطعه مسی به صورت تخلخل های ریز و پراکنده، تحمیل می کند.

نکته آخر این که در هر درجه حرارت، افزایش مقدار اکسیژن به تقلیل حلالیت هیدروژن و بالعکس منجر می شود. در نمودار شکل (5)  نسبت حلالیت اکسیژن و هیدروژن در مس مذاب در دمای حدود 1200 درجه سانتی گراد، نشان داده شده است.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل (5) حلالیت توأم اکسیژن و هیدروژن در مس مذاب

- حلالیت سایر گازها

در جوشکاری مس، گازهایی مثل نیتروژن و Co2 کلاً بی تأثیر بوده و حتی می توانند حوضچه مذاب را از گازهای ناخالص دیگر حفاظت نمایند. اما حضور گازهای گوگردی مثل SO2 ، علاوه بر ایجاد حباب های گازی و در نهایت تخلخل، با ایجاد سولفور مس Cu2S تأثیر زیادی در کاهش خواص مکانیکی مس خواهند داشت.

تأثیرات عناصر آلیاژی بر خواص جوش پذیری مس

عناثر آلیاژی مختلف، بر حسب خواص و شرایط خاص خود، تأثیرات گوناگونی بر خواص فیزیکی و مکانیکی مس به ویژه در حالت جوشکاری اعمال می کنند.

عناصر افزودنی برای بهبود قابلیت ماشینکاری مثل سرب، گوگرد و تلوریم

سرب مایع در داخل آلیاژهای مس، یکی از عیوبی است که ناشی ازخروج سرب از شبکه کریستالی در آخرین مراحل انجماد است. در حقیقت وجود عناصری مثل سیلیسیم، آلومینیوم و گازهای محلول در مایع، باعث راندن سرب از داخل شبکه خواهد شد.

وجود گوگرد، تلوریم و حتی عناصری مثل سلینم و تیتانیوم، هرچند خواص ماشینکاری را افزایش می دهند، اما علاوه بر افزایش مقاومت الکتریکی، سبب سرخ شکنندگی (Redshortness) مس نیز می گردند و از این رو، در کاهش خواص جوش پذیری مس مؤثرند.

روی

روی یکی از عناصر آلیاژ کننده اصلی مس به شمار می آید. آنچه در این بحث قابل ذکر است، تأثیر شدید روی، بر افزایش قابلیت جوش پذیری مس است. نکته قابل توجه دیگر بخارات سمی است که در حین جوشکاری ترکیبات مس و روی متصاعد می شوند که باید کاملاً مد نظر قرار گیرند.

قلع

به طور کلی قلع، در حدود 1 تا 10 درصد با افزایش حساسیت مس به بروز ترک های گرم، قابلیت جوش پذیری را کاهش می دهد. علاوه بر این، اکسید قلعی که در جریان جوشکاری حاصل شده و به صورت پودر سفیدی در کناره های جوش دیده می شود، بسیار شکننده بوده و استحکام جوش را تا حد زیادی از بین می برد. تنها حسن وجود مقادیر ناچیز قلع، کاهش بخارات سمی در جریان جوشکاری مس محتوی روی است.

بریلیوم، آلومینیوم و نیکل

وجود مقدار کمی از بریلیوم در مس، باعث می شود که خواص مکانیکی فلز حاصل با مس کاملاً متفاوت باشد. مقدار بریلیوم اضافه شده به مس، همواره از 2 درصد بیشتر و از 5/2 درصد کمتر است. زیرا اگر مقدار آن از 2 درصد کمتر باشد عملاً اثری روی خواص مکانیکی مس نداشته و اگر مقدار آن از 5/2 درصد تجاوز کند، آلیاژی شکننده به وجود می آید. خواص مکانیکی آلیاژ به عملیات حرارتی روی آن بستگی دارد. در هنگام جوشکاری باید با انتخاب صحیح نوع جریان و شدت قوس، لایه سخت اکسید برلیوم را از سطح آلیاژ زدود. مورد استعمال آلیاژ در مواقعی است که به فلزی احتیاج باشد که در هنگام ساختن جسم مورد نظر نرم و چکش خوار بوده و پس از ساختن جسم با انجام عملیات معینی بتوان آن را سخت کرد و جسم ساخته شده، خواص عالی مکانیکی داشته باشد. از مشخصات دیگر این آلیاژ، مقاومت عالی آن به خوردگی در مقابل هوا است.

نیکل در مس حل شده و باعث ریز شدن دانه ها می گردد. به طور کلی، نیکل سبب بالا رفتن استحکام کششی خواهد شد، بدون آن که از مقدار فاز  بکاهد. این عنصر مقاومت به خوردگی آلیاژ را به خصوص در مقابل آب دریا بالا می برد. آلیاژ را به خصوص در مقابل آب دریا بالا می برد. مقدار نیکل در این آلیاژها در حدود 2 تا 7 درصد است. آلیاژهای مس- نیکل را می توان مورد عملیات حرارتی قرار داد. مهمترین خاصیتی که این آلیاژ پیدا می کند، حفظ کردن سختی در حرارت های نسبتاً بالا تا حدود 500 درجه سانتیگراد و تغییر در انبساط حرارتی آن است. در هنگام جوشکاری این آلیاژها نیز برداشتن لایه اکسید نیکل سطح آلیاژ ضروری است که البته زحمت بسیار کمتری نسبت به لایه اکسید برلیوم و آلومینیوم دارد.

آلیاژهای مس- برلیوم- نیکل دار، دارای خواص مکانیکی و هدایت الکتریکی بالاتری نسبت به آلیاژ دوتایی هرکدام است. زیرا در این حالت، ترکیب بین فلزی بین بریلیوم و نیکل به وجود آمده در نتیجه، عملیات حرارتی در توزیع این ترکیب بین فلزی و افزایش بعضی خواص مکانیکی آلیاژ کاملاً مؤثر بوده و مورد لزوم است. این آلیاژها، در ساعت سازی دقیق برای ساختن رقاصک ساعت و فنرها به کار می روند و چون خاصیت مغناطیسی ندارند به فولادهای مشابه ترجیح داده می شوند.

آلومینیوم و مس دارای یک اتکتیک و یک اتکتوئید می باشند. فاز  در سرما و گرما چکش خوار بوده و آلیاژ تا 4/9 درصد آلومینیوم در سرما به صورت فاز  است. شبکه  در گرما چکش خوار بودهولی تا حرارت 565 درجه سانتیگراد پایدار است و پس از آن تجزیه می شود. بدین ترتیب، شبکه  در حالت تعادل در درجه حرارتی کمتر از 565 درجه نمی تواند وجود داشته باشد. وجود اتکوئید در دیاگرام تعادل دو فلز، امکان آب دادن آلیاژ را نشان می دهد و با آب دادن می توان شبکه  را خارج از دامنه پایدار بودن خود در سرما نیز به دست آورد. در حالت عادی، فاز  در درجه حرارت 565 درجه سانتیگراد تجزیه شده و تولید  می کند که شبکه  کاملاً سخت و شکننده است.

آلیاژهای مس- آلومینیوم، محتوی تا 5 درصد آلومینیوم، دارای جوش پذیری خوبی هستند اما وقتی درصد آلومینیوم تا 10 درصد افزایش پیدا می کند، آلیاژها ترد و سخت می شوند. آلیاژهای مس- آلومینیوم اغلب به صورت چندتایی بوده و با خود مقادیری آهن، نیکل یا منگنز دارند. هر سه عنصر گفته شده تأثیرات تقریباً نزدیکی روی آلیاژ مذکور دارند.

خواص مکانیکی این آلیاژها، تقریباً شبیه فولادهاست اما از مقاومت به خوردگی بسیار بالاتری برخوردارند. برای جوشکاری این آلیاژها، برداشتن لایه اکسید آلومینیوم سطحی از اهمیت ویژه ای برخوردار است، پس برای این منظور، استفاده از تمهیداتی که در بخش جوشکاری آلومینیوم ذکر شد، توصیه شده است. فاصله حرارتی انجماد آلیاژهای مس و آلومینیوم عملاً بسیار کم بوده و در نتیجه انقباض متمرکز حاصل در قطعه جوشکاری شده، نسبتاً عمیق خواهد بود و باید تدابیر لازم را در این مورد پیش بینی شود.

سیلیسیم

افزایش سیلسیم به مس باعث می شود که مقاومت به خوردگی آلیاژ بالا برود. مقدار سیلسیم در حدود 4 درصد توصیه شده است. این آلیاژ، در مقابل اسیدها و آمونیاک کاملاً مقاوم است و دارای خواص مشابه با برنزهاست ولی قیمت آن خیلی ارزان تر و سیالیت و خواص جوش پذیری بالاتری دارد. به طور کلی، اگر مقدار سیلیسیم در آلیاژ کم باشد (حدود 1/0 تا 5/0 درصد) روی خواص الکتریکی مس اثر نکرده ولی باعث افزایش خواص مکانیکی خواهد شد.

سیلیسیم با نیکل، ترکیب بین فلزی به فرمول Ni2Si می دهد که به طور یکنواخت در مس پخش شده و سختی آلیاژ را به حدود 200 برینل می رساند در حالی که استحکام کششی آن 60 تا 70 کیلوگرم بر میلی مترمربع خواهد بود. وجود مقادیری آهن نیز با ایجاد ترکیب بین فلزی Fe2Si باعث بهبود خواص مکانیکی فلزی خواهد شد. سیلسیم علاوه بر این، یک اکسیژن زدای موفق است.