بیش از یک صد سال است که قوس الکتریکی در جهان شناخته شده و بکار گرفته می شود. اما اولین جوشکاری زیر آب توسط نیروی دریایی بریتانیا انجام شد- در آن زمان یک کارخانه کشتی سازی برای آب بند کردن نشت های موجود در پرچ های زیر کشتی که در آب واقع شده بود از جوشکاری زیر آبی بهره گرفت. در کارهای تولیدی که در زیر آب انجام می پذیرد، جوشکاری زیر آبی یک ابزار مهم و کلیدی به شمار می آید.

در سال 1946 الکترود های ضد آب ویژه ای توسط وان در ویلیجن1 در هلند توسعه یافت. سازه های فرا ساحلی از قبیل دکل های حفاری چاه های نفت، خطوط لوله و سکوهای ویژه ای که در آب ها احداث می شوند، در سالهای اخیر به طرز چشمگیری در حال افزایش اند. بعضی از این سازه ها نواقصی را در عناصر تشکیل دهنده اش و یا حوادث غیر مترقبه از قبیل طوفان تجربه خواهند کرد. در این میان هرگونه روش بازسازی و مرمت در این گونه سازه ها مستلزم استفاده از جوشکاری زیر آبی است.

طبقه بندی
جوشکاری زیر آبی را می توان در دو دسته طبقه بندی کرد:

1: جوشکاری مرطوب
2: جوشکاری خشک

در روش جوشکاری مرطوب، عملیات جوشکاری در زیر آب اجرا شده و مستقیماً با محیط مرطوب سرو کار دارد. در روش جوشکاری خشک، یک اتاقک خشک در نزدیکی محلی که می بایستی جوشکاری شود ایجاد شده و جوشکار کار خود را با قرار گرفتن در داخل اتاقک انجام می دهد.

جوشکاری مرطوب
نام جوشکاری مرطوب حاکی از آن است که جوشکاری که در زیر آب صورت می پذیرد، مستقیماً در معرض محیط مرطوب قرار دارد. در این روش از جوشکاری از نوعی الکترود ویژه استفاده می شود و جوشکاری به صورت دستی درست مانند همان جوشکاری که در فضای بیرون آب انجام می شود، صورت می گیرد. آزادی عملی که جوشکار در حین جوش کاری از این روش دارد، جوشکاری مرطوب را موثر تر و به روشی کارا و از نقطه نظر اقتصادی مقرون به صرفه کرده است. تامین کننده نیروی جوشکاری روی سطح مستقر شده است و توسط کابل ها و شیلنگ ها به غواص یا جوشکار متصل می شود.

منبع تغذیه می بایستی یک دستگاه جریان مستقیم که دارای رده بندی آمپر بین 300 تا 400 است در نظر گرفته شود. دستگاههای جوشکاری ژنراتور موتور اغلب برای جوشکاری مرطوب مورد استفاده قرار می گیرد. پیکره دستگاه جوشکاری می بایستی در پایین، زیر کشتی قرار داده شده باشد. مدار جوشکاری می بایستی شامل نوعی سوئیچ مثبت باشد که معمولاً از یک کلید تیغه ای استفاده می شود و از جوشکار غواص فرمان می گیرد. کلید تیغه ای در مدار الکترود می بایستی در تمام طول جوشکاری در برابر شکسته شدن مقاوم باشد و نیز از امنیت کافی برخوردار باشد. منبع تغذیه جوشکاری می بایستی در حین فرایند جوشکاری تنها به نگهدارنده الکترود وصل باشد. در این روش از جریان مستقیم همراه با الکترود منفی و نیز از نگهدارنده الکترود ویژه ای که در برابر آب عایق هستند استفاده می شود. نگهدارنده های الکترود جوشکاری که در زیر آب بکار گرفته می شوند از یک سر خمیده برای گرفتن الکترود و نگه داشتن آن در خود بهره می برند و ظرفیت پذیرش دو نوع الکترود را دارد.

نوع الکترودی که به کار گرفته می شود بر طبق استاندارد انجمن جوشکاری آمریکا تعیین شده است. این الکترود ها می بایستی ضد آب باشند و تمامی اتصالات نیز باید طوری عایق بندی شده باشد که آب نتواند با قسمت های فلزی کوچکترین تماسی داشته باشد
اگر عایق بندی شکستگی داشته باشد و یا قسمتی از آن ترک داشته باشد، آنگاه آب می تواند با فلز رسانا تماس پیدا کرده ، موجب ایجاد نقص و در نهایت کار نکردن قوس شود. به علاوه اینکه ممکن است خوردگی سریع مس در قسمتی که عایق ترک خورده است، ایجاد شود.

جوشکاری خشک
جوشکاری بیش فشار در اتاقک های پلمپ شده در اطراف سازه یا قطعه ای که می خواهد جوشکاری شود، استفاده می شود. این اتاقک در یک فشار معمولی پر از گاز می شود. این جایگاه روی خطوط لوله قرار گرفته و با هوایی مخلوط از هلیو و اکسیژن که قابل تنفس باشد پر شده و در فشاری که جوشکاری آنجا صورت می پذیرد و یا فشاری بیشتر از آن اجرا می شود. در این روش در اتصالات جوش بسیار با کیفیتی ایجاد می شود به طوری که با اشعه ایکس و دیگر تجهیزات لازم ایجاد می شود. فرایند جوشکاری قوس گاز تنگستن در این قسمت بکار گرفته خواهد شد. محوطه زیر جایگاه در معرض آب قرار دارد. بنابراین جوشکاری در محل خشکی صورت گرفته ولی در فشار هیدرو استاتیکی آب دریا که در محیط مجاور آن قرار دارد.

مزایای جوشکاری خشک
ایمنی غواص: جوشکاری در یک اتاقک صورت گرفته که موجب مصون ماندن جوشکار از جریانات اقیانوسی و یا احتمالاً موجودات دریایی می شود. این جایگاه خشک و گرم از روشنایی مطلوبی برخوردار بوده و از سیستم کنترل محیط خاصی نیز بهره می گیرد.

کیفیت خوب جوش: این روش توانایی ایجاد جوش هایی را دارد که حتی می توان آن را با جوش های موجد در فضای باز و در مجاورت هوا مقایسه کرد. دلیل این امر اینست که دیگر آبی وجود ندارد که بخواهد جوش را خاموش و یا قطع کند.

مزایای جوشکاری مرطوب
جوشکاری مرطوب که در زیر آب به صورت دستی صورت می گیرد، در مرمت و بازسازی سازه های فراساحلی در سالهای اخیر به سرعت در حال رشد و گسترش است.
از جمله فواید جوشکاری مرطوب می توان به موارد زیر اشاره کرد:

_ چند کاره بودن و داشتن هزینه کمتر در جوشکاری مرطوب باعث شده که میل و اشتیاق بیشتری به این روش وجود داشته باشد.
- در این روش جوشکار می تواند به قسمت هایی از سازه های فرا ساحلی دسترسی داشته باشد که با استفاده از روش های دیگر قابل جوشکاری نیست.
-احتیاج به هیچ نوع محصور سازی نبوده و بنابراین زمانی نیز برای آن تلف نخواهد شد. تجهیزات و دستگاههای استاندارد مرسوم به آسانی قابل استفاده است.به وسایل زیادی هم برای انجام یک کار جوشکاری مورد نیاز نیست.

ابر رسانایی، شگفتی دنیای بدون مقاومت

زمانی که در سال 1908 دانشمند هلندی "کامرلینگ اونز" (1) موفق به میعان هلیوم شد، در بین فیزیکدانان سه نظریه در رابطه با رسانایی الکتریکی مواد وجود داشت.
1- مقاومت در دمای محیط با کاهش دما، کاهش می یابد. بعضی می پنداشتند که در دماهای پایین نیز چنین است.
2- با کاهش دما مقاومت تا یک حدی کاهش می یابد.
3- گروهی نیز تصور می کردند که در دماهای نزدیک به صفر مطلق با کاهش دما، مقاومت الکتریکی افزایش می یابد. استدلال آنها این بود که در این دماها، حرکت الکترون ها یعنی حاملات بار الکتریکی، سخت می شود.
سه سال بعد، اونز اقدام به سرد کردن جیوه به کمک هلیوم مایع کرد. او می خواست بداند در دماهایی پایین واقعاً چه اتفاقی برای مقاومت الکتریکی مواد می افتد. نموداری که او برای جیوه به دست آورد، غیرمنتظره بود و شباهتی به نظریات بالا نداشت. او مشاهده کرد که در دمای حدود 4/2 کلوین، مقاومت الکتریکی جیوه دچار افت ناگهانی شده و ناپدید می شود. او ابررسانایی را کشف کرده بود!
اونز در ادامه کارهایش نشان داد که قلع و سرب نیز می توانند ابر رسانا شوند. در سال های بعد، دانشمندان بسیاری در زمینه ابررسانایی تحقیق کردند و مواد ابررسانای گوناگونی را کشف کردند که نشان داد ابررسانایی، پدیده ای نادر نیست.
همان طور که گفته شد، ابررساناها موادی هستند که مقاومت الکتریکی آنها، وقتی دما از حد معینی پایین تر برود، از بین می رود. این دما که در آن ماده به ابررسانا تبدیل می شود، به "دمای گُذار" موسوم است. به عبارت دیگر، جریان درون یک مدار ابر رسانشی بسته با گذشت زمان کاهش نمی یابد. ابر رساناها را به دو نوع I و II تقسیم می کنند. بسیاری از عناصر ابررساناهای نوع I هستند اما ابررساناهای نوع II بیشتر شامل آلیاژها و ترکیبات بین فلزی هستند. تفاوت اصلی بین این دو نوع ابررسانا، مربوط به تفاوت در رفتار آنها در برابر میدان مغناطیسی خارجی است.
با آن که پدیده ابر رسانایی در سال 1911 کشف شده بود، اما یک نظریه موفق برای توجیه آن اولین بار در سال 1957 توسط سه فیزیکدان به نام های "باردین"، "کوپر" و "شریفر" ارائه شد. این نظریه به نام BSC (2) معروف است و این سه دانشمند جایزه نوبل سال 1972 را برای این نظریه دریافت کردند. باردین قبل از این، جایزه نوبل دیگری را برای ساخت ترانزیستور گرفته بود و او اولین کسی بود که در یک رشته، دوبار جایزه نوبل را گرفت (پس از او "فردریک سانگر" (3) در رشته شیمی دوبار جایزه نوبل را برد). به بیان ساده می توان گفت که بر اساس نظریه BSC، شارش جفت الکترون های کوپر، ردپا و مسیری را برای شارش الکترون های دیگر به وجود می آورند. جزئیات مربوط به این نظریه نیازمند دانشی قوی از ریاضیات و فیزیک است.

خواص و کاربردها

هنگامی که یک ماده ابر رسانا داخل میدان مغناطیسی قرار می گیرد، به میدان مغناطیسی اجازه نمی دهد تا از درون آن عبور کند. در این حالت، جریان هایی داخل ابررسانا به وجود می آیند تا میدان خارجی را خنثی کنند. این خاصیت طرد کردن میدان مغناطیسی، "اثر مایسنر" (4) نام دارد. بنابراین، اگر آهن ربایی را روی یک ماده ابررسانا قرار دهیم، میدان مغناطیسی به وجود آمده توسط ابررسانا، سبب شناور شدن آهن ربا می شود.
این بدان معناست که می توان توسط ابررسانا و با بهره گیری از مایسنر، مواد مغناطیسی را شناور ساخت. در حال حاضر در کشورهایی همچون آلمان و ژاپن، تحقیقات برای ساخت قطارهای معلق و بدون تماس با ریل ادامه دارد. در واگن های این قطارها، مغناطیس های ابررسانشی قرارمی دهند و ریل های آن را نیز از حلقه های رسانا می سازند. وقتی قطار توسط یکی از روش های عادی سرعت می گیرد، جریان هایی در حلقه های رسانا طوری القا می شوند که با میدان مغناطیسی اولیه مخالفت می کند (قانون لنز (5)) و قطار را روی ریل معلق نگه می دارد. چنین قطارهای سریع السیری به دلیل نبود نیروی اصطکاک بین ریل و قطار، می توانند با سرعت های بسیار بالاحرکت کنند. نمونه ای از این قطارها در ژاپن آزمایش شده است که سرعتی درحدود 580 کیلومتر بر ساعت دارد.
اگرچه ابر رساناها به دلیل نیاز به دمای پایین، در خانه و یا محل کار استفاده نمی شوند، اما در دستگاه هایی همچون شتاب دهنده های ذرات و دستگاه های عکس برداری پزشکی، به خاطر ویژگی شان در تولید میدان های مغناطیسی بزرگ، به شکل گسترده کاربرد دارند. تنها در ساخت راکتور گرماهسته ای آزمایشی بین المللی (ITER)‌(6) حدود 600 تن ابر رسانا از جنس Nb3sn و 250 تن ابر رسانا از جنس NbTi استفاده می شود.

آینده ابر رسانایی

در سال 1986 "مولر" (7) و "بدنورز" (8) ماده ابررسانایی را یافتند که در دمای 35 درجه کلوین ابررسانا بود. این ماده بر خلاف ابررساناهای قبلی، از جنس فلزها و آلیاژهای فلزی نبود بلکه ماده سرامیکی اکسید مس لانتانوم باریوم بود. این کشف بسیار مهمی بود، زیرا ساز و کار آن با نظریه کلاسیک BSC توجیه نمی شد. آنها یک سال بعد جایزه نوبل را برای کشف این ابررسانا دریافت کردند. از آن زمان به بعد، تلاش های دانشمندان باعث شناسایی مواد ابررسانای دیگری و با دمای گذار بالاتر شده است. این مواد بر پایه اکسید مس هستند و دمای گذار برخی از آنها به 135 درجه کلوین هم می رسد. به این ابررساناها، "ابررساناهای دمای بالا" گفته می شود. دمای گذاراین ابررساناها به اندازه ای بالاست که می توان از نیتروژن مایع به جای هلیوم مایع، برای خنک کردن استفاده کرد. تولید نیتروژن مایع ارزان تر و راحت تر است که این سبب شده است تا کاربرد ابررساناها گسترش یابد.
تحقیقات برای یافتن مواد با دمای گذار بالاتر همچنان ادامه دارد. دانشمندان امیدوارند روزی موادی را کشف کنند که در دمای محیط ابررسانا باشند. به عبارت دیگر، دمای گذارشان بیش از 293 درجه کلوین باشد. این مواد می توانند باعث انقلابی در فناوری شوند. در این صورت، می توانیم انتظار گسترش کاربرد این مواد و حتی انتظار استفاده از آنها در خانه هایمان را داشته باشیم. آینده، از آن سیم های اَبَررسانا است.

پی نوشت ها :

1- kamerlingh onnes
2- Bardeen,cooper,and schrieffer
3- frederick sanger
4- Meissner effect
5- Lenz law
بر اساس قانون لنز، جهت جریان القایی به شکلی است که میدان مغناطیسی حاصل از آن با تغییرات شار مخالفت می کند.
6- International Thermonuclear Experimental Reactor
پروژه بین المللی و تحقیقاتی ساخت بزرگ ترین راکتور همجوشی هسته ای/
7- Muller
8- Bednorz

اصول فرزکاری

قطعات مختلفی که جنسشان از فولاد، چدن، فلزات غیرآهنی و یا مواد مصنوعی بوده و لازم باشد که دارای سطوح هموار و یا خمیده و یا اینکه دارای شکاف و دندانه و غیره باشند می‌توان فرزکاری کرد. سطوح جانبی قطعاتی که فرز می‌شوند ممکن است روتراشی شده و یا پرداخت شده باشد لیکن قطعاتی که احتیاج به سطح تراشیده شده خیلی پرداخت داشته باشند مانند راهنماهای ماشین‌های ابزار پس از فرزکاری آن‌ها را شابر زده و یا بوسیله سنگ پرداخت می‌کنند.

طریقه عمل فرزکاری :

در موقع فرزکاری در اثر گردش تیغه فرز که لبه‌های برنده آن روی محیط دایره‌ای قرار دارند از کار براده‌هایی قطع شده و برداشته می‌شوند تیغه فرز را ابزار چند لبه (دنده) نیز نامیده‌اند و برای آن که دنده‌های تیغه در کار نفوذ داشته باشند فرم گوه‌ای دارند (مانند رنده تراشکاری).حرکت دورانی تیغه فرز حرکت اصلی یا برش نام دارد.برای ایجاد ضخامت براده کار دارای یک حرکت مستقیم الخط و یا به اصطلاح حرکت بار است. حرکت اصلی و بار بوسیله ماشین فرز صورت می‌گیرد. در فرزکاری هر یک از دنده‌های تیغه فرز در حین گردش دروانی خود فقط مدت کوتاهی براده‌گیری می‌کنند و تا نوبت‌ بعدی بدون آن که براده بگیرند آزاد گردش کرده و خنک می‌شوند لذا این ابزار مثل رنده تراشکاری در اثر برش تحت فشار دائم واقع نمی‌گردد.

فرزکاری بوسیله بدنه و یا پیشانی تیغه فرز (فرز غلطکی و تیغه فرز ساده) :

موقعی که قطعه‌ای را با بدنه فرز غلطکی می‌تراشند محور تیغه به موازات سطح کار واقع می‌شود.تیغه فرز فرم غلطکی را داشته و با لبه‌هایی که در دورادور بدنه‌اش دارد از قطعه کار براده جدا می‌کند و براده‌های جداشده فرم (واو) را دارند. در تراش با پیشانی تیغه فرز محور تیغه فرز عمود بر محور کار قرار می‌گیرد. در این حال تیغه فرز تنها با دندانه‌های محیط خود کار نکرده بلکه مقطع دندانه‌ها که همان پیشانی فرز باشد نیز کار می‌کنند و براده‌هایی که گرفته می‌شود دارای ضخامت یک نواخت هستند.

مقایسه تراش با بدنه و تراش با پیشانی فرز :

وقتی بدنه تیغه فرز از کار براده بر می‌دارد چون براده‌ها ضخامت نامتساوی دارند فشار بر ماشین فرز یک نواخت نیست و در نتیجه اگر تیغه فرز لنگی محیطی مختصری داشته باشد جلوگیری از آن به سهولت مقدور نخواهد بود.وجود این لنگی باعث می‌شود که روی سطح فرز شده کار برای هر دور گردش تیغه یک علامت موجی (موج فرز) نقش ببندد.اما موقعی که پیشانی فرز براده بر می‌دارد همان طور که قبلاً هم ذکر شد ضخامت براده سرتاسر یک نواخت است و به همین جهت هم فشار وارده بر ماشین یک نواخت خواهد بود و در نتیجه قدرت براده‌گیری ماشین به طور عموم در حدود 15 درصد الی 20 درصد نسبت به طریقه قبل بیشتر خواهد بود و چنان چه تیغه فرز هم لنگی محیطی مختصری داشته باشد در این حال روی هموار بودن سطح تراشیده شده هیچ اثری نداشته و به همین جهت هم سطوح بدست آمده نسبت به تراش با بدنه تیغه صافتر خواهند بود.لذا توصیه می‌شود که حتی‌الامکان سطوح هموار کار را به این طریقه فرزکاری نمایند.

فرزکاری با حرکت همراه و معکوس :

در فرزکاری غلطکی یا با بدنه تیغه حرکت بار قاعد تا بر خلاف جهت گردش تیغه فرز تنظیم می‌شود لیکن ممکن است که جهت حرکت بار را نیز با جهت حرکت تیغه همراه کرد.در طریقه اول که جهت حرکت تیغه و کار یکی نیست و اکثراً کار با تیغه فرزهای غلطکی این حالت را دارند براده ابتداء از نقطه نازکتر جدا می‌گردد و قبل از آنکه دنده‌های تیغه فرز در داخل کار نفوذ کند روی سطح کار سر می‌خورد و به این جهت اصطکاک زیادی تولید شده و نیروی برش سعی دارد که قطعه کار را به بالا بکشد.
در طریقه دیگر که حرکت بار در همان جهت گردش تیغه فرز انجام می‌شود برخلاف حالت قبل دنده‌های برنده تیغه از ضخیم‌ترین نقطه شروع به براده‌گیری می‌کنند و چون در اینجا قطعه کار محکم به تکیه‌گاه خود فشرده می‌شود از این طریقه برای فرزکاری قطعات نازک استفاده می‌نمایند بعلاوه این طریقه را نیز برای حالا تکیه عمق برش زیاد باشد بکار می‌برند لیکن بایستی در نظر داشت که وضع ساختمانی ماشین اقتضای انجام این گونه کار (جهت حرکت بار با جهت گردش تیغه فرز همراه باشد) را داشته باشد نکته‌ای که قبل از هر چیز باید مراعات شود این است که میل پیچ میز نبایستی لق باشد زیرا در غیر اینصورت قطعه کار به سمت تیغه فرز کشیده می‌شود.

انواع ماشین های فرز و ساختمان آنها :

فرم و بزرگی قطعات فرزکاری از نظر مراعات نکات اقتصادی ایجاب می‌کند که ماشینهای فرز انواع ساختمانی مختلف داشته باشند:

ماشین فرز افقی :

این ماشین تقریباً برای انجام کلیه کارهای عادی فرز مورد استفاده واقع می‌شود و از این جهت نام فرز افقی به آن داده‌اند که میل فرز آن افقی یاطاقان بندی شده است.
بدنه ماشین حامل این میل فرز که افقی یاطاقان شده است به اضافه دستگاه حرکت اصلی و بار و هم چنین میز گونیا با کشوی عرضی و میز فرز و سایر متعلقات آن می‌باشد.
میل فرز معمولاً در یاطاقان ساچمه‌ای یا لغزنده پایداری می شود و برای آنکه کار کاملاً بدون سر و صدا انجام شود ابعاد میل فرز را به اندازه کافی بزرگ انتخاب کرده‌اند. برای محکم بستن ابزارهای فرزکاری سر میل فرز دارای یک مخروط داخلی و یک مخروط خارجی است.
دستگاه حرکت اصلی به میل فرز حرکت دورانی که همان حرکت اصل باشد می‌دهد و برای آن که تیغه فرز با سرعت برش مناسب و صحیحی بگردد عده‌گردش ماشین متغیر است. ماشینهای قدیمی دارای دستگاه حرکت پله‌ای هستند لیکن ماشین‌های مدرن بوسیله موتور فلانش (سرخود) کار می‌کنند و با کمک جعبه‌دنده و اهرمی ممکن است با 12 سرعت مختلف و یا بیشتر آن نیز کار کرد.
دستگاه بار قطعه کار را روی میز ماشین فرز محکم می‌بندند و برای عبور دادن کار از جلوی تیغه فرز میز گونیا در جهت ارتفاع و کشوی عرضی در جهت عرضی و خود میز ماشین در جهت طولی قابل حرکت هستند برای به حرکت درآوردن آنها میله‌های پیچ شده که وصل به چرخهای دستی می‌باشند عمل می‌کنند بعلاوه میز ماشین بوسیله دستگاه بار نیز می‌تواند حرکت کند. این حرکت مستقیماً از دستگاه حرکت اصلی و یا غیرمستقیم توسط موتور بار مخصوصی صورت می‌گیرد و بوسیله دستگاه خار متحرک یا دستگاه جعبه‌دنده ایکه حرکت عرضی دارد می‌توان سرعت های بار مختلف و مناسب بکار برد.برای وصل دستگاه بار با میل پیچ شده میز ماشین از یک میله خاردار و یک دستگاه حلزون استفاده می‌شود و طول بار را ممکن است بوسیله بستهای مخصوص مناسب با کار محدود کرد.
ماشینهای فرز بزرگ اغلب با دنده‌هایی که حرکت سریع دارند مجهز می‌شوند و با به حرکت درآوردن این دنده‌ها قطعه کار در مدت خیلی کوتاه مقابل تیغه فرز قرار می‌گیرد.

ماشین فرز عمودی :

با این ماشین اغلب کارهای پیشانی تراشی انجام می‌شود میل فرز این ماشین به حال عمودی در قسمت فوقانی بدنه یاطاقان‌بندی شده و این قسمت فوقانی به دور محوری قابل گردش بوده بطوری که ممکن است میله فرز را که در آن یاطاقان شده در وضع مایلی نیز ثابت نگه داشت. حرکت اصلی و بار در این ماشین نیز کاملاً مطابق با ماشین فرز افقی صورت می‌گیرد.

ماشین فرز اونیورسال :

فرق اساسی این ماشین با ماشینهای فرز فوق‌الذکر اینست که میز آن بسمت راست و چپ قابل گردش بوده و در نتیجه موارد استعمال این ماشین برای انواع مختلف کارها مانند درآوردن شکافهای مارپیچ و نظایر آن ها زیاد است.

ماشین فرز طولی :

مورد استعمال این ماشین منحصراً برای کارهای سنگین است.

ماشین فرز عرضی :

از این ماشین برای انجام کارهای سری استفاده می‌شود.وضع ساختمانی ماشین طوری است که میل فرز و بدنه‌اش قابلیت حرکت ارتفاعی دارند حرکت بار آن توسط میز صورت می‌گیرد. ماشینهای فرز عرضی بزرگ اغلب دارای چندین میل فرز می‌باشند.

ماشین‌های فرز پیچ بری :

این نوع فرزها انواع ساختمانی مختلف داشته و برای پیچ‌بری آنها را بکار می‌برند.

ماشین‌های فرز چرخنده‌تراش :

این ماشینها هم انواع مختلف بسیار دارند.

ماشین‌های فرز الگوتراشی :

ماشینهایی هستند که برای ساختن کارهایی که دارای سطوح محدود نامنظمی می‌باشند به کار برده می‌شوند مانند تراش قالبها طبق شابلن یا الگو.

ابزارهای فرزکاری :

تیغه فرزها را اکثراً از فولاد تندکار (SS) تهیه می‌کنند دلیل آن هم این است که با این فولاد سرعت برش را به مراتب بیشتر از فولاد ابزار می‌توان انتخاب کرد. اغلب لبه برنده فرزها را از فولاد سخت می‌سازند چون قیمت فولاد تند کار گران است لذا در فرزهای بزرگ بدنه آنها را از فولاد ساختمانی تهیه کرده و لبه‌های برنده‌ای از فولاد تندکار به آن وصل می‌کنند و اگر جنس کار طوری باشد که اثر سائیدگی زیادی روی لبه برنده ایجاد کند در این حال لبه برنده فرز را از فولاد سخت تهیه می‌کنند.

انواع تیغه فرزها :

اصولاً بر حسب فرم دنده تیغه فرزها را به دو دسته یکی تیغه فرزهای دنده تیز (فرز شده) و دیگری پشت تراشیده تقسیم می‌کنند تیغه فرزهای متداول تحت نرم درآمده‌اند.

تیغه‌های فرز شده :

قدرت برش تیغه فرز و مرغوبیت سطح خارجی قطعه کار تا حد زیادی ارتباط با لبه برنده تیغه دارد. لبه‌های برنده این ابزار نیز مانند سایر ابزارهای برنده فرم گوه‌ای داشته و از طریق فرزکاری ساخته می‌شوند.
مقدار زاویه لبه برنده متناسب با جنس قطعه کار خواهد بود. هم چنین تقسیم‌بندی دنده‌های تیغه فرز هم بستگی با جنس قطعه کار دارد.
موقع فرزکاری مواد نرم براده‌های جدا شده بزرگ بوده و بوسیله فواصل بزرگ بین دنده‌های تیغه فرزهای دنده درشت بخار سطح کار هدایت می‌شوند در تیغه‌فرزهای نرم شده سه تیپ ابزار W , H , N وجود دارد.
لبه‌های برنده فرم مارپیچ که ممکن است مارپیچ چپ و یا راست داشته باشند موقع براده‌برداری یک نیروی قیچی شدن در جهت محور تیغه بوجود می‌آورند. این نیرو (فشار محوری) باید بر خلاف بدنه میل فرز اثر داشته باشد والاّ درن فرز از میله باز خواهد شد.
بر حسب دین فرزی چپ براست که بر خلاف جهت حرکت عقربه ساعت (نسبت به دستگاه اصلی حرکت) گردش کند و راست بر تیغه فرزی را گویند که در جهت حرکت عقربه ساعت گردش داشته باشد.

فرزهای تیغچه‌دار :

این تیغه‌فرزها دارای تیغچه‌های جداجدا هستند که در بدنه تیغه فرز کار گذاشته شده و چنان چه به تیغچه‌ای صدمه‌ای وارد شود به سهولت می‌توان آن را عوض کرد این گونه تیغه فرزها را بیشتر برای پیشانی تراشی سطوح بزرگ مورد استفاده قرار می‌دهند.

تیغه فرزهای پشت تراشیده :

برای فرزکاری سطوح غیرتخت تیغه‌های فرز شده نمی‌توانند مورد استفاده واقع شوند زیرا این دسته از تیغه فرزها در نتیجه تیز کردن مجدد پروفیل خود را از دست می‌دهند.لذا برای منحنی ها،قوسهای دایره و سایر پروفیلها و هم چنین اغلب اوقات برای فرز کردن شکافها تیغه فرزهای پشت تراشیده فرم دار به کار برده می‌شوند عمل پشت تراشی برای این تیغه‌ها از این جهت لازم است که زاویه آزاد پیدا کنند. زاویه براده آنها اکثراً برابر با صفر درجه است و موقع تیز کردن آنها را از سطح پیشانی سنگ می‌زنند و به این طریق در فرم یا پروفیل تیغه فرز تغییری حاصل نمی‌شود.

تیغه فرزهای مرکب :

تیغه فرزهای مرکب عبارت از چند تیغه فرز شده و یا پشت تراشیده است که دارای قطرهای متفاوت بوده و پهلوی هم سوار شده باشند.توسط این گونه تیغه‌ها می‌توان پروفیل که شامل فرمهای مختلف باشد در یک برش بدست آورد و با بکار بردن چند تیغه مختلف که با هم روی یک درن سوار شده باشند انواع کارهای مختلف را می‌توان انجام داد و به این طریق می‌توان از بکار بردن تیغه فرزهای فرم دار گران قیمت صرفه‌جویی کرد.
منبع:www.manufacturengineers.blogfa.com

کاربرد انواع مختلف فولاد (2)

عمده‌ترین صادرکنندگان و واردکنندگان فولاد

با توجه به آمار ارایه شده برای سال 2001 میلادی، ژاپن و روسیه به ترتیب با صادرات 5,29 و 6,25 میلیون تن، بزرگ ترین صادرکننده فولاد جهان بودند؛ درحالی که کشورهای آمریکا و چین به ترتیب با واردات 8,27 و 6,25 میلیون تن،‌ عنوان بزرگ ترین واردکنندگان فولاد در جهان را به خود اختصاص دادند. جالب تر اینکه در این سال، چین به عنوان بزرگ ترین تولیدکننده جهان با 9,150 میلیون تن و آمریکا به عنوان سومین تولیدکننده جهانی فولاد با تولیدی معادل 1,90 میلیون تن در سال معرفی شده بودند. این امر بیان گر این موضوع است که در سال 2001، اگرچه چین و آمریکا جزو بزرگ ترین تولیدکنندگان فولاد بوده اند، ولی حتی به اندازه مصرف داخلی کشورهای خود نیز محصولات فولادی تولید نکرده بودند.
در این بین اطلاع از وضعیت کشور ایران نیز خواندنی و جالب توجه است. ایران در سال 2001 توانست 9,6 میلیون تن فولاد تولید کند که از این مقدار تنها 600 هزارتن آن را به کشورهای دیگر صادر نمود؛ ‌این درحالی است که ایران با واردات 7,4 میلیون تن فولاد رتبه 17 جهانی واردکنندگان فولاد را در این سال به خود اختصاص داد. البته در حال حاضر ایران توانسته است سقف صادرات فولاد خود را به حدود 5,1 میلیون تن در سال برساند.

جایگاه فولاد ایران در خاورمیانه

با توجه به آمار موجود، در سال 2002، از میان کشورهای خاورمیانه ایران با تولید 3,7 میلیون تن و عربستان سعودی با تولید 6,3 میلیون تن فولاد خام، مهم ترین تولیدکنندگان هستند و این درحالی است که مجموع تولید سایر کشورهای خاورمیانه درحدود 3,1 میلیون تن است.
نکته جالب دیگر در مورد کشورهای خاورمیانه، درصد تولید و مصرف جهانی فولاد در این کشورهاست. در سال 2002، کشورهای خاورمیانه تنها موفق به تولید 2,1 درصد از فولاد جهان شده بودند و این در حالی است که مصرف حدود 2 درصد فولاد جهان برای این کشورها گزارش شده است. این امر می تواند به عنوان یک مزیت برای صنعت فولاد ایران مطرح باشد به این صورت که در کشورهای همسایه ایران، فولاد زیادی تولید نمی شود ضمن اینکه این کشورها از بازار مصرف نسبتا‌‌ً خوبی نیز برخوردار هستند. بنابراین برای محصولات فولادی کشور می-توان یک بازار مصرف بسیار مناسب در کشورهایی مثل عراق، بحرین، افغانستان، پاکستان و حتی ترکمنستان، آذربایجان و ارمنستان پیش-بینی کرد.

تولیدات چدن در ایران و جهان

درسال 2002 میلادی کشورهای چین، ژاپن و روسیه به ترتیب با تولید 7,170 و 81 و 2,46 میلیون تن چدن بزرگ ترین تولیدکنندگان این محصول بودند. ایران در این سال 2,2 میلیون تن چدن تولید نمود که تمام این مقدار در کشور مصرف شد و در این زمینه صادرات و وارداتی صورت نگرفت.

اشتغال زایی صنعت فولاد

از دیرباز یکی از جنبه‌های مهم صنایع فولادی در جهان،اشتغالزایی این صنعت بوده است به گونه‌ای که در این صنعت، نیروی کار زیادی به طور مستقیم و غیرمستقیم به کار گرفته می‌شده‌اند؛ اما بررسی‌های صورت گرفته از کاهش 65 درصدی نیروی کار در صنعت فولاد جهان بین سال های 1974 تا 2000 میلادی خبر می دهند که علت آن را می‌توان جایگزینی تکنولوژی‌های جدید نظیر ریخته‌گری مداوم و همچنین فرآیندهای کنترل کامپیوتری در این صنعت دانست.
البته لازم به ذکر است که نیروی کار به کار گرفته شده در صنعت فولاد کشور، با کشورهای پیشرفته و صنعتی بسیار متفاوت است؛ به‌طوریکه در این کشورها برای تولید هر میلیون تن فولاد به طور مستقیم در حدود 1500 نفر نیروی کار لازم است ولی در ایران، برای تولید یک میلیون تن فولاد به نیروی کار مستقیمی در حدود 4 الی 5 هزار نفر نیاز است که در حدود 3 برابر آمار جهانی کشورهای پیشرفته است.

کاربرد فولاد در قالب‌های تزریق پلاستیک

انتخاب نوع فولاد نقش مؤثری در عمر، عملکرد و هزینه قالب دارد. در این جا به نقش فولاد در قالب سازی، تأثیر عناصر آلیاژی در فولاد، دسته بندی فولادها، فولادهای اجزای قالب و فولادهای مورداستفاده برای محفظه قالب های پلاستیک (کروکویته) می پردازیم.

نقش فولاد در قالب سازی

نمودار زیر، نشانگر هزینه طراحی، مواد، ماشینکاری، مونتاژ، سود و سربار قالب است و نشان می دهد که حدود 28 درصد هزینه کل قالب مربوط به مواد است و این مقدار با توجه به شکل هندسی و پیچیدگی قطعه، تغییر خواهد کرد.

چنانچه در شکل ملاحظه می شود بیشتر هزینه های تولید، توسط قالب به-صورت غیر مستقیم وابسته به فولاد است که با عدم انتخاب فولاد مناسب، باعث تحمیل هزینه های اضافی به قالب شود.

خصوصیات قطعه که برای ساخت قالب و انتخاب فولاد مربوطه مؤثر است عبارتند از:
• صافی سطح
• گرین کاری
• خورنده بودن یا ساینده بودن جنس قطعه
• دقت ابعادی
• تیراژ تولیدی
• زمان ساخت
جنس قطعات پلاستیکی متنوع است و با توجه به خواص مختلف مواد و به فولادهای متفاوت برای ساخت قالب، نیاز است. در زیر برخی ازانواع پلاستیک هاو خصوصیات فولادهای مناسب برای آنها ارائه شده است.

PC(Poly Carbonate),PMMA(Polymethyl Methacrylate Acrylic) - :

معمولاً برای لنز های چراغ استفاده می شوند و فولاد مورداستفاده می-بایست خاصیت پولیش پذیری خوب و مقاوم در مقابل خش و اکسید شدن را دارا باشد باتوجه به‌اینکه PC خاصیت جریان پذیری خوبی ندارد و ماده سختی است، فولاد مورداستفاده برای پلیمر فوق باید تنش تسلیم بالا و چقرمگی خوبی داشته باشد.

- POM (Polyoxymethylene), PA(Nylon):

دمای تزریق این مواد نسبتاً بالا است و برای بست ها و کلیپ ها، استفاده می شود. با توجه به حساسیت های ابعادی این نوع قطعات، فولاد این قالب ها می بایست سخت و مقاوم در مقابل سایش باشد.

- PA(Naylon)+GF:

با توجه به سایندگی الیاف شیشه، فولاد باید مقاوم به سایش باشد.

-PP(Polypropylene):

این نوع پلیمر، برای قطعات سپر و گل ‌پخش‌کن استفاده می شود. با توجه به حجم قطعه باید فولاد مربوطه، دارای ثبات ابعادی مناسب، مقاوم در مقابل تنش های فشاری و دارای قابلیت ماشینکاری خوبی بوده و خواص مکانیکی آن یکنواخت باشد.

- PP(Polypropylene), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene):

برای قطعات تزیینی خودرو استفاده می شود که معمولاً سطح اینگونه قطعات چرمی کاری (گرین) هستند و فولاد قالب می بایست خاصیت خوبی برای عملیات چرمی کاری (اسیدکاری یا گرین) داشته باشد.

- PVC (Polyvinyl Chloride):

این پلیمر به علت آزادسازی گاز کلر و ترکیب آن با آب موجود در هوا،اسیدکلریک تولید می کند و باعث خوردگی قالب می شود. بنابراین استفاده از فولادهای مقاوم در مقابل خورندگی برای قالب های فوق پیشنهاد می‌شود.
با عدم انتخاب فولاد صحیح، عمر قالب کوتاه می شود و قطعه تولیدی کیفیت مطلوب را نخواهدداشت که منجر به ساخت مجدد قالب و هزینه های اضافی می شود.

خواص فولاد

استحکام فولاد پارامتر کلی کیفیت است که برای سنجش آن باید معیارهای گوناگون مکانیکی خواص وجود داشته باشد. این معیارها در ادامه، ارائه شده است .

خصوصیات مکانیکی فولادها

- تنش تسلیم (Yield Stress) : میزان تنش کششی که در آن قططه شروع به تغییر شکل پلاستیک می کند.
- چکشخواری(Ductility Brittleness): قابلیت شکل پذیری ماده درحالت پلاستیک را بدون خطر شکست، چکشخواری می گویند.
- خزش (creep): مدت زمانی که طول می کشد که قطعه ای، تحت تنش کششی تغییر شکل دائم، داشته باشد.
-چقرمگی(Toughness): مقدار کار لازم برای شکستن واحد حجم ماده است.
- سختی(Hardness): مقاومت در مقابل فرو رفتن مواد دیگر در سطح قطعه را سختی یا مقاومت در مقابل خراش می گویند.
- استحکام در دمای بالا: خواص مکانیکی قطعه نباید با افزایش دما تغییر محسوسی کند.
خصوصیاتی از فولاد که در قالب های پلاستیک در نظر گرفته می شود و با توجه به انتظارات ما از هر کدام از آنها، نوع فولاد انتخاب می-شود.
• قابلیت ماشینکاری
• قابلیت پولیشکاری
• عملیات حرارتی
• عملیات به‌سازی سطح
• مقاوم در برابر سایش
• مقاوم در مقابل خوردگی
• مقاوم در مقابل تنش های فشاری
• قابلیت جوشکاری
• چقرمگی

فولادهای قالب های پلاستیک

فولادهای قالب های پلاستیک با توجه به چقرمگی آنها (نوع عملیات حرارتی) در گروه های زیر به بازار عرضه می شوند:
پیش سخت شده (Pre Hardened)
آنیل(Annealed)
پیر سخت شونده(Age Hardening)

فولادهای پیش سخت شده (Pre Hardened):

این فولادها به‌صورت سخت کاری شده و باز پخت شده به بازار ارائه می شوند و مستقیماً می توان نقش قالب را روی آنها اجرا و بهره برداری کرد.

مزایای این فولادها

- کوتاه شدن فرایند های ساخت: این فولاد، در فرایند بهره برداری، قبلاً سخت کاری شده و نیازی به عملیات حرارتی و فرایند ماشین کاری بعد از آن را ندارد.
- عدم ایجاد ترک های ریز در اثر عملیات حرارتی: معمولاًٌ فولادها بعد از عملیات حرارتی در اثر شوک های حرارتی تابیده و در سطح آنها ترک های ریزی به‌وجود می آید. نظر به اینکه این گونه فولادها پیش از عرضه به بازار توسط تولید کننده فولاد سختکاری شده اند و بعد از فرایندهای ماشینکاری نیازی به‌عملیات حرارتی ندارند، ترک های ریز و پسماند تنش های حرارتی در فولاد، وجود نخواهد داشت و طول عمر آن بالاتر خواهدبود.

معایب این فولادها

- زمان ماشین کاری این فولادها با توجه به سختی آنها بیشتر از فولادهای آنیل شده است.
- با توجه به اینکه سختی اینگونه فولادها به‌تدریج از سطح به عمق کم می شود، قالب هایی که توسط اینگونه فولادها تهیه می شوند دارای سختی یکنواخت نیستند.
- برای رزین هایی که بسیار ساینده یا دارای دمای پروسه بسیار بالا هستند، مناسب نیستند.

فولادهای پیر سخت شونده(Age Hardening)

سختی این فولادها شبیه فولادهای پیش سخت شده است که برای افزایش سختی آن می توان فولاد را عملیات حرارتی کرد.
باتوجه به‌اینکه دمای گرم شدن آن به‌هنگام عملیات حرارتی حدود 500 الی 600 درجه سانتیگراد است، فولاد دچار تابیدگی یا ترک های سطحی نمی شود و می توان آن را بدون فرایندهای جانبی، استفاده کرد.
ثبات ابعادی اینگونه فولادها در طولانی مدت خوب است.
مراحل بهره برداری از فولاد
ماشینکاری نیمه نهایی یا نهایی
عملیات حرارتی
ماشینکاری نهایی چنانچه مورد نیاز باشد
مراحل فرایندهای بهره برداری اینگونه فولادها بیشتر از پیش سخت شده است.

فولادهای آنیل

این فولادها به‌صورت آنیل شده به بازار ارائه می شوند.
مراحل بهره برداری از فولاد
ماشینکاری اولیه
عملیات حرارتی
ماشینکاری نهایی

مزایای این فولادها

باتوجه به‌اینکه بعد از ماشینکاری روی فولاد، عملیات حرارتی بر روی آن انجام می‌شود، برخلاف فولادهای پیش سخت شده سطح محفظه قالب دارای سختی و خصوصیات مکانیکی یکنواختی خواهدبود. به‌دلیل آنیل‌بودن فولاد در هنگام ماشینکاری، زمان این فرایند کوتاه تر می شود.

مقاوم بودن نسبت به سایش و چقرمگی
معایب

بعد از عملیات حرارتی احتمال ایجاد ترک های ریز در سطح قطعه و تابیدگی آن وجود دارد که پس از آن با عملیات ماشینکاری نهایی از بین می رود. این موضوع باعث طولانی تر شدن فرایندهای ساخت قالب می-شود.

فولادهای ماریجینگ ( 18 % Ni)

یکی از نیازهای اساسی صنایع پیشرفته احتیاج به موادی با قابلیت اطمینان بالا از استحکام و تافنس شکست می باشد . در این راستا محققان زیادی فولادهای استحکام بالای مختلفی را گسترش داده اند ؛ که در این میان تنها فولادهای ماریجینگ توانسته اند به هر دو نیاز صنایع پیشرفته پاسخ گویند . مهمترین کاربرد این فولاد ها در صنایع نظامی ، هوافضا ، اجزاء الکترومکانیکی و ... است.
این فولادها که تعلق به خانواده آلیاژهای پایه آهن دارند . ابتدا تحت پروسه استحاله مارتنزیت قرار می گیرند و سپس به وسیله پیری یا رسوب سختی دنبال می شوند . که کلمه Maraging از دو کلمه Martensite و Aging گرفته شده است .
فولادهای ماریجینگ دارای 18 % Ni به دو کلاس گسترده تقسیم می شوند. که بستگی به عناصر تقویت کننده در آنالیز شیمیایی آنها دارد . فولاد ماریجینگ اورجینال در اوایل 1960 معرفی شد ، که کبالت به عنوان عنصر تقویت کننده و استحکام بخش ( 7-12% ) در فولاد ماریجینگ 18 % Ni بکار برده می شد . در اوایل دهه 70 کار بر روی این فولادها کمرنگ شد . که دلیل آن افزایش قیمت کبالت بود که منجر به نوع جدیدی از فولادهای ماریجینگ شد ، این دسته تیتانیوم را به عنوان عامل اصلی تقویت کننده به همراه داشتند. درجه تقویت کبالت یا " C-type 18 Ni Maraging " به وسیله حرف " C " در شناسائی این کلاس انتخاب می شود ؛ همچنین درجه استحکام تیتانیوم یا " T-type 18 Ni Maraging " را با حرف " T " نشان می دهند.
این دو نوع فولاد با توجه به میزان استحکام آنها به 200 ، 250، 300، 350 درجه پیری طبقه بندی می شوند و به طور C-200 و T-200 آنها را نمایش می دهند . استحکام دهی به وسیله رسوب دهی آسان اجزاء فلزی در حین عملیات پیر سازی صورت می گیرد . که این رسوب سختی به واسطه عناصر آلیاژی همچون Co , Mo , Ti در مارتنزیت Fe-Ni با کربن بسیار کم 0.03% یا کمتر صورت می گیرد.
فولاد های ماریجینگ در شرایط آنیل محلول سازی تهیه می شوند پس دارای چقرمگی و نرمی نسبی ( 28 - 32 RC ) هستند . پس به سهولت شکل می گیرند و ماشین می شوند . خواص کامل آنها از طریق پیرسازی مارتنزیت بدست می آید .

خصوصیات فولادهای ماریجینگ :

الف ) خواص مکانیکی عالی :
1-استحکام نهایی و استحکام تسلیم بالا
2-تافنس ، داکتیلیتی و مقاومت به ضربه بالا در مقایسه با فولاد کوئنچ و تمپر شده با استحکام مشابه
3-استحکام خستگی زیاد
4-استحکام فشاری بالا
5-سختی و مقاومت به سایش کافی برای بعضی از ابزار های کاربردی
ب) خصوصیات عملیات حرارتی :
1-دمای مورد نیاز برای کوره پایین است
2-رسوب سختی و عملیات حرارتی پیری
3-انقباض یکنواخت و قابل پیش بینی در طول عملیات حرارتی
4-حداقل اعوجاج در طول عملیات حرارتی
5-سخت شدن بدون کوئنچ کردن
6-درصد پایین کربن ، که جلوگیری از مشکل دکربوره شدن می کند.
ج) کارپذیری عالی
1-ماشینکاری آسان
2-مقاومت بالا در برابر انتشار ترک
3-شکل پذیری آسان در حالت سرد ، گرم و داغ
4-قابلیت جوشکاری خوب به خاطر درصد پایین کربن
5-مقاومت به خوردگی خوب که نرخ خوردگی آن در حدود نصف فولادهای کوئنچ و تمپر شده است
این فاکتورها نشان می دهد که فولادهای ماریجینگ در کاربردهایی مثل شفت ها و اجزایی که تحت خستگی ضربه ای همچون کلاچ ها و چکش ها بهترین استفاده را دارد.

تولید و فرآوری فولادهای ماریجینگ

روش متداول برای تولید فولادهای ماریجینگ به ترتیب زیر است :
1-ذوب و ریخته گری
2-همگن سازی
3-آهنگری و نورد گرم
4-آنیل معمولی
5-پیر سازی
در فولادهای ماریجینگ رسیدن به استحکام و تافنس بالا مستلزم کنترل دقیق ریزساختار می باشد. از طرف دیگر چون آخال های موجود در زمینه این نوع فولادها تاثیر منفی شدیدی بر روی تافنس شکست دارند. باید ترکیب ، ابعاد و توزیع آخال ها کنترل گردد. در این نوع فولادها به علت زیاد بودن عناصر آلیاژی جدایش شدید این عناصر در حین انجماد وجود دارد که این جدایش تاثیر زیادی بر روی کاهش قابلیت آهنگری ، نورد گرم و .. خواهد داشت . پس لازم است که شرایط انجمادی مناسب به صورت کنترل شده و سریع برای فولادها مهیا گردد. برای تهیه این فولادها از روش ذوب چند مرحله ای استفاده می شود. روش استاندارد برای تهیه فولادهای ماریجینگ استفاده از روش ذوب تحت خلاء دو مرحله ای می باشد که در آن ابتدا به روش ذوب القائی تحت خلاء آلیاژ سازی صورت گرفته و سپس شمش تهیه شده به روش ذوب مجدد قوسی تحت خلاء الیاژ سازی صورت گرفته و سپس شمش تهیه شده به روش ذوب مجدد قوسی تحت خلا تصفیه می گردد.
عملیات حرارتی همگن کردن نیز به منظور افزایش قابلیت شکل پذیری شمش ها صورت می گیرد . همگن سازی فولاد ماریجینگ در 1250 c0 به مدت 2 الی 3 ساعت انجام می گیرد و به دنبال آن فولاد تحت کار مکانیکی گرم قرار گرفته و یا اینکه سریع سرد می گردد. این فولادها تحت انواع کارهای مکانیکی از قبیل آهنگری ، نورد ، اکستروژن گرم قرار می گیرند . بعد از مراحل فوق فولادهای ماریجینگ تحت عملیات آستنیته و سپس پیری قرار می گیرند.

عملیات حرارتی فولادهای ماریجینگ

فولادهای ماریجنینگ فولادهای پر آلیاژ-کم کربن-آهن ونیکل باساختار مارتنزیتی هستند که دارای ترکیبی عالی از استحکام وتافنسی به مراتب بالاتر از فولادهای پر کربن کوینچ شده می باشند.
این فولادها دو کاربرد بحرانی ومتمایز فولادهای کربن آبداده که استحکام بالا وتافنس وانعطاف پذیری خوب مورد نیاز است را دارا میباشد . فولادهای کربنی آبداده استحکامشان را از مکانیسمهای تغییر فاز وسخت گردانی بدست میآورند. ( مثل شکل گیری مارتنزیت و بینیت ) واین استحکام پس از رسوب گیری کاربیدها در طول مدت تمپر کردن بدست می آید. درمقایسه فولادهای ماریجینگ استحکامشان را از شکل گیری یک فولاد مارتنزیتی کم کربن انعطاف پذیرو سخت آهن ونیکل بدست می آورند که می توانند بوسیله رسوب گیری ترکیبات بین فلزی در طول مدت پیرسختی استحکام بیشتری داشته باشند. دوره ماریجینگ بر اساس پیرسختی ساختار مارتنزیتی وضع شده است.

متالورژی فیزیکی:

قبلا اشاره شد که استحکام وتافنس خوب فولادهای ماریجینگ بوسیله پیر سختی یک ساختار مارتنزیتی کم کربن بسیار انعطاف پذیربا استحکام نسبتا خوب بدست میآید.در حین پیرسازی ساختار مارتنزیتی هدف اصل روش توزیع یکنواخت رسوبات بین فلزی خوب است که صرف تقویت کردن بافت مارتنزیتی می شود. یکی دیگر از هدفهای اصلی در مدت پیر سازی فولادهای ماریجینگ کم کردن یا حذف کردن برگشت فاز نیمه پایدارمارتنزیت به آستنیت و فریت می باشد .

شکل گیری مارتنزیت :

مارتنزیت فولادهای ماریجینگ معمولا مکعب مرکز دار (bcc ) کم کربن است که این مارتنزیت شامل چگالی بالای نابجایی می باشد اما نه به صورت دوقلویی. در حین سرد شدن بعد از تابکاری انحلالی آستنینت fcc بوسیله بازگشت برشی کم نفوذ تجزیه به ساختارهای متعادل به ساختار bcc تبدیل میشود.این تبدیل آستنیت به مارتنزیت ناپایدار اتفاق نمی افتد تا دمای شروع مارتنزیت (Ms) بدست آید ودمای شروع مارتنزیت باید به اندازه کافی بالا باشد بنابراین یک تبدیل کامل به مارتنزیت قبل از خنک شدن فولاد تا دمای اتاق اتفاق می افتد.
بیشتر انواع فولادهای ماریجینگ دمای شروع مارتنزیت حدود 200 تا300 درجه سانتیگراد را دارند ودر دمای اتاق به طور کامل مارتنزیت هستند . نتیجه ساختار مارتنزیت یک فولاد نسبتا قوی و فوق العاده انعطاف پذیر میباشد .
عناصر آلیاژی دمای شروع مارتنزیت را بطور قابل ملاحظه ای تغییر می دهد اما تغییر مشخصه این استحاله به مقدار زیادی بستگی به سرعت سرد شدن دارد.
اغلب عناصرآلیاژی اضافه شده در فولادهای ماریجینگ (به استثناء کبالت ) درجه حرارت شروع مارتنزیت را کاهش می دهند.
یکی از دونوع ممکن مارتنزیت که در سیستم آلیاژی آهن- نیکل ممکن است شکل بگیرد بستگی به مقدار نیکل در ماده مورد سوال میباشد.در سرعتهای سرد کردن بالا در فولادهای شامل 5 تا 10 درصد نیکل ،و بیش از 10 درصد پایین آوردن سرعت سرد کردن، لازمه شکل گیری مارتنزیت در فولادها می انجامد وشکل گیری کامل ساختار مارتنزیتی را تعیین می کند.در فولادهای شامل 25 درصد نیکل ، مارتنزیت لایه ای وبالای 25 درصد مارتنزیت دو قلویی داریم .مطالعه برروی آلیاژهای مارجنیگ آهن – 7 درصد کبالت 5 درصد مولیبدن و4/. درصد تیتانیم در ( ماریجینگ 18 درصد نیکل 250 ) شامل مقادیر متفاوت نیکل نشان می دهد که یک ساختار مارتنزیتی لایه ای با مقادیر نیکل بیش از 23 درصد بدست می آید .
اگر چه مقادیر نیکل بیش از 23 درصد شکل گیری مارتنزیت دو قلویی را نتیجه داده است . معمولا یک ساختار مارتنزیتی لایه ای در فولادهای ماریجینگ ترجیح داده می شود زیرا در مدت پیر سازی این ساختار سخت تر از یک ساختار مارتنزیتی دو قلویی میباشد.

چگونگی انجام عملیات حرارتی فولادهای ماریجینگ:

تابکاری انحلالی : تابکاری انحلالی مستلزم حرارت دادن آلیاژی به اندازه کافی،بالای درجه حرارت پایان آستنیت و نگهداری در زمان کافی تا جا گیری عناصر در محلول جامد و سرد کردن آن تا دمای اتاق .متداول ترین سیکل عملیات حرارتی برای فولادهای ماریجینگ 18 درصد نیکل 200 ،250 300 درگیر کردن آلیاژهای در دمای 815 درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت و سپس سرد کردن آن بوسیله هوا.تولید برای کاربردهای فورجینگ معمولا در حالت آنیل نشده خریداری می شود زیرا حرارت دادن سیکل تابکاری حرارتی قبلی را خنثی میکند .استفاده از خلا ، کنترل گردش هوای اتمسفر ، تمام نمک خنثی یا کوره های سیال تخت برای حداقل کردن صدمات سطحی ممکن است مورد نیاز باشد .
اثرزمان و درجه حرارت تابکاری بر خواص پیرسازی: اطلاعات نشان میدهد که بیشترین استحکام در دمای تابکاری انحلالی 800 تا815 درجه بوجود می آید. استحکام وانعطاف پذیری پایین تر با درجه حرارت تابکاری از 760 تا 800 درجه ناشی از انحلال ناقل عناصر سخت کننده میباشد و کاهش استحکام مربوط به درجه حرارت تابکاری انحلالی بالای 815 درجه ناشی از درشتی ساختار دانه ها میباشد. سرعت سرد شدن بعد از تابکاری انحلالی از اهمیت کمتری برخورداراست چون اثر کمتری بر خواص زیر ساختاری ومکانیکی دارد.
اصلاح دانه ها بوسیله سیکل حرارتی : سیکل حرارتی فولادهای ماریجینگ بین درجه حرارت پایان مارتنزیت و دمای بسیار بالاتر از دمای تابکاری انحلال می تواند برای اصلاح ساختار دانه هایی که درشت هستند استفاده شود.این عمل استحاله برشی کم نفوذ ، مارتنزیت به آستنیت واز آستنیت به مارتنزیت نیروی محرکه برای تبلور مجدد در حین سیکلهای حرارتی تامین میکند.

پیر سختی:

نوعی پیر سختی بعد از تابکاری انحلالی معمولا شامل حرارت دادن آلیاژ تا رنج دمایی 455 تا 510 درجه سانتیگراد و نگاه داشتن در این دما به مدت 3 الی 12 ساعت وخنک کردن آن در معرض هوا تا دمای اتاق می باشد. استفاده از فولادهای ماریجینگ در کاربردهای مانند ابزارآلات دایکست لازم است استفاده از یک حرارت پیر سازی تقریبا 530 درجه سانتیگراد که ساختار متعادلی را فراهم می کند و از نظر حرارتی تثبیت شده است. هنگامی که زمان پیر سازی افزایش پیدا میکند تا جائیکه به نقطه ای می رسیم که سختی واستحکام شروع به کاهش میکند به علت شکل گیری بازگشت آستنیت که معمولا از ذرات ریز باندهای آستنیت دور دانه ای قبلی شروع میشود.

کار سرد وپیر سازی :

استحکام تسلیم واستحکام نهایی کششی فولادهای ماریجینگ می توانند بوسیله کار سرد قبل از پیر سازی تا 15 درصد افزایش پیدا کنند . بوسیله کار سرد قبل از تابکاری انحلالی ماده بالای 50 درصد کاهش قبل از پیر سازی ،نتیجه رسیده است .این سازگاری کمی با انعطاف پذیری وچغرمگی است .از کاهش سرما بیش از 50 درصد باید خوداری شود زیرا ممکن است که پوسته پوسته شدن تولیدات بوجود آید.

نیتریده کردن :

سختی سطح را می تواند بوسیله نیتریده کردن فولادهای ماریجینگ در آمونیاک بدست آید . سطح سختی معادل 65 تا70 راکول سی به عمق 15/0 میلیمتر بعد از نیتریده کردن به مدت 24 الی 48 ساعت در دمای 455 درجه سانتیگراد میتواند بدست آید. نیترده کردن در این دما می تواند همزمان با پیرسختی اتفاق بیافتد . حمام نمک نیتریده کردن برای 90 دقیقه در دمای 540 درجه سانتیگراد بخوبی می تواند این عمل را شکل بدهد اگر چه برای پرهیز از فوق پیر سازی شدن بیش از حد این عمل باید بخوبی کنترل شود. استحکام خستگی ومقاومت به سایش فولادهای ماریجینگ بوسیله نیتریده کردن بهبود پیدا می کنند.

پخت :

عملیاتی است برای حذف هیدروژن که در دمای پایین بین150 تا 200 درجه سانتیگراد قرارمیگیرد. تردی هیدروژن ممکن است در فولادهای ماریجینگ اتفاق بیافتد وقتی که در معرض کارهای الکترومکانیکی مثل آبکاری قرار میگیرد. حذف هیدروژن کار مشکلی است باید در یک سیکل عملیات حرارتی (پخت) بین 3تا 10 ساعت قرار بگیرد.
سند بلاست موثرترین روش برای حذف اکسید ناشی عملیات حرارتی است . فولادهای ماریجینگ را میتوان بوسیله مواد شیمیائی تمیز کننده مثل اسید شوئی در محلول اسید سولفوریک یا محلول اسید کلریدریک و اسیدنیتریک واسید هیدروفلوریک . اگر چه باید مراقب بود که بیش از حد اسید شوئی نشود
عملیات حرارتی که روی این نوع فولادها انجام می گیرد عبارت است از عملیات محلول سازی در دمای بالاتر از 1000 C0 و نگهداری در این دما به مدت یک ساعت به منظور اینکه کاربیدهای آلیاژی کاملا حل شوند و ساختار 100% آستنیته تشکیل گردد.
به علت وجود عناصر آلیاژی منحنی TTT برای این فولاد به سمت راست حرکت می کند. پس با سرد کردن این فولاد در هوا نیز ساختاری مارتنزیتی داریم که مارتنزیت بدست آمده نرم بوده و قابلیت کار مکانیکی دارد. ساختار مارتنزیتی ایجاد شده را در 480-500 درجه تمپر می کنند. این تمپر کردن منجر به یک رسوب سختی قوی می گردد. رسوبات بین فلزی به واسطه مارتنزیت که فوق اشباع از عناصر آلیاژی است صورت می گیرد . ساختار فولادهای ماریجینگ تجاری با حداکثر سختی می تواند شامل رسوبات کوهرنت از فاز نیمه پایدار Ni3Mo و Ni3Ti باشد. ذرات میان مرحله ای اینتر متالیک در فولاد ماریجینگ به شدت پراکنده هستند که ناشی از رسوب آنها در نابجایی ها است . ساختار فولادهای ماریجینگ دارای دانسیته بالایی از نابجایی ها است . که در چیدمان مجدد لتیس مارتنزیت ظاهر می شوند . در مارتنزیت دوقلویی نشده ، چگالی دیسلوکیشن ها 1011 - 1012 cm-2 است که مشابه فلزات شدیدا کار سخت شده است.
این طور فرض می شود که رسوب فازهای میان مرحله ای در هنگام تمپر کردن فولادهای ماریجینگ مقدم تر از جدایش اتم های اجزاء آلیاژی در دیسلوکیشن ها است . این اتمسفر شکل گرفته در دیسلوکیشن ها به عنوان مراکزی برای تمرکز لایه های بعدی مارتنزیت که با عناصر آلیاژی اشباع شده اند بکار می رود. در فولادهای ماریجینگ ساختار دیسلوکیشن ها که در ضمن استحاله مارتنزیت شکل می گیرد . بسیار پایدار است . و در طی گرمادهی بعدی و در دمای بهینه تمپرینگ عملا بدون تغییر می ماند .
دانسیته بالای دیسلوکیشن ها در طی تمپرینگ ممکن است به علت فضای محسوس و پین شدن انها بوسیله تفرق رسوبات باشد . نگه داری زیاد در یک دمای تمپر بالا ( بیشتر یا 550 C0 ) می تواند رسوبات را درشت و فضای میان ذره ای را افزایش دهد . که بر خلاف آن از دانسیته دیسلوکیشن ها کاسته می شود . با زمان نگه داری بالا رسوبات سمی کوهرنت اینتر متالیک با رسوبات درشت اینکوهرنت از فازهای پایداری چون Fe2Mo یا Fe2Ni جایگزین می شوند. در دمای افزایش یافته تمپرینگ ؛ فولادهای ماریجینگ ممکن است متحمل استحاله معکوس مارتنزیت شوند . به طور کلی می توان گفت که خصوصیات استحکامی این نوع از فولاد ها بعد از یک نرمی به سوی ماکزیمم افزایش پیدا می کند . سختی موثر به علت شکل گیری جدایش در دیسلوکیشن ها و شکل گیری رسوبات کوهرنت از فازهای میانی همچون Ni3Ti و Ni3Mo است . دلیل نرم شدن را نیز می توان گفت که به علت جایگزینی رسوبات پراکنده که فضای میان ذره ای زیادی دارند و استحاله معکوس مارتنزیت است.

استفاده از کامپوزیت‌ها به جای فولاد

استفاده از مصالح جدید و به خصوص کامپوزیت‌ها به جای فولاد در دهة اخیر در دنیا به شدت مورد علاقه بوده است. کامپوزیت‌ها از یک مادة چسباننده (اکثراً اپوکسی) و مقدار مناسبی الیاف تشکیل یافته است. این الیاف ممکن است از نوع کربن، شیشه، آرامید و ... باشند، که کامپوزیت حاصله به ترتیب، به نام AFRP, GFRP, CFRP خوانده می‌شود. مهمترین حسن کامپوزیت‌ها، مقاومت بسیار عالی آنها در مقابل خوردگی است. به همین دلیل کاربرد کامپوزیت‌های FRP در بتن‌آرمه به جای میلگردهای فولادی، بسیار مورد توجه قرار گرفته است لازم به ذکر است که خوردگی میلگرد در بتن مسلح به فولاد به عنوان یک مسئلة بسیار جدی تلقی می‌گردد. تاکنون بسیاری از سازه‌های بتن‌آرمه در اثر تماس و مجاورت با سولفاتها، کلرورها و سایر عوامل خورنده دچار آسیب جدی گردیده‌اند، چنانچه فولاد به کار رفته در بتن تحت تنش‌های بالاتر در شرایط بارهای سرویس قرار گیرند، این مسئله به مراتب بحرانی‌تر خواهد بود. یک سازة بتن‌آرمة معمولی که به میلگردهای فولادی مسلح است، چنانچه در زمان طولانی در مجاورت عوامل خورنده نظیر نمک‌ها، اسیدها و کلرورها قرار می‌گیرد، قسمتی از مقاومت خود را از دست خواهد داد. به علاوه فولادی که در داخل بتن زنگ می‌زند، بر بتن اطراف خود فشار آورده و باعث خرد شدن آن و ریختن پوستة بتن می‌گردد.
تاکنون تکنیک‌هایی جهت جلوگیری از خوردگی فولاد در بتن‌آرمه توسعه داده شده و به کار رفته است که در این ارتباط می‌توان به پوشش میلگردها توسط اپوکسی، تزریق پلیمر به سطح بتن و یا حفاظت کاتدیک اشاره نمود. با این وجود هر یک از این روش‌ها تا حدودی و فقط در بعضی از زمینه‌ها موفق بوده‌اند. به همین جهت به منظور حذف کامل خوردگی میلگردها، توجه محققین و متخصصین بتن‌آرمه به حذف کامل فولاد و جایگزینی آن با مواد مقاوم در مقابل خوردگی معطوف گردیده است. در همین راستا کامپوزیت‌های FRP )پلاستیک‌های مسلح به الیاف) از آنجا که به شدت در محیط‌های نمکی و قلیایی در مقابل خوردگی مقاوم هستند، موضوع تحقیقات گسترده‌ای به عنوان یک جانشین مناسب برای فولاد در بتن‌آرمه، به خصوص در سازه‌های ساحلی و دریایی گردیده‌اند.
لازم به ذکر است که اگر چه مزیت اصلی میلگردهای از جنس FRP مقاومت آنها در مقابل خوردگی است، با این وجود خواص دیگر کامپوزیت‌های FRP نظیر مقاومت کششی بسیار زیاد (تا 7 برابر فولاد)، مدول الاستیسیتة قابل قبول، وزن کم ، مقاومت خوب در مقابل خستگی و خزش، عایق بودن در مقابل امواج مغناطیسی و چسبندگی خوب با بتن، مجموعه‌ای از خواص مطلوب را تشکیل می‌دهد که به جذابیت کاربرد FRP در بتن‌آرمه افزوده‌اند. اگر چه بعضی از مشکلات نظیر مشکلات مربوط به خم کردن آنها و نیز رفتار کاملاً خطی آنها تا نقطة شکست، مشکلاتی از نظر کاربرد آنها فراهم نموده‌اند که امروزه موضوع تحقیقات گسترده‌‌ای به عنوان یک جانشین مناسب برای فولاد در بتن‌آرمه، به خصوص در سازه‌های ساحلی و دریایی گردیده‌اند.
با توجه به آنچه که ذکر شد ، بسیار به جاست که در ارتباط با کاربرد کامپوزیت‌های FRP در بتن‌ سازه‌های ساحلی و دریایی مناطق جنوبی ایران و به خصوص منطقة خلیج‌فارس، تحقیقات گسترده‌ای صورت پذیرد. در همین راستا مناسب است که تحقیقات مناسبی بر انواع کامپوزیت‌های FRP(AFRP, CFRP, GFRP) و میزان مناسب بودن آنها برای سازه‌های دریایی که در منطقة خلیج‌فارس احداث شده است، صورت پذیرد. این تحقیقات شامل پژوهش‌های گستردة تئوریک بر رفتار سازه‌های بتن‌آرمة متداول در مناطق دریایی (به شرط آنکه با کامپوزیت‌های FRP مسلح شده باشند) خواهد بود. در همین ارتباط لازم است کارهای تجربی مناسبی نیز بر رفتار خمشی، کششی و فشاری قطعات بتن‌آرمة مسلح به کامپوزیت‌های FRP صورت پذیرد.
لازم به ذکر است که چنین تحقیقاتی در 10 سال اخیر در دنیا صورت گرفته که نتیجة این تحقیقات منجمله آئین‌نامة ACI-440 است که در چند سال اخیر انتشار یافته است. با این وجود کامپوزیت‌های FRP در ایران کماکان ناشناخته باقی مانده است و به خصوص کاربرد آنها در بتن‌آرمه در سازه‌های ساحلی و دریایی کاملاً دور از چشم متخصصین و مهندسین ایرانی بوده است. تحقیقاتی که در این ارتباط صورت خواهد گرفت، می‌تواند منجر به تهیة دستورالعمل و یا حتی آئین‌نامه‌ای جهت کاربرد FRP در بتن‌آرمه به عنوان یک جسم مقاوم در مقابل خوردگی در سازه‌های بندری و دریایی ایران گردد. این حرکت می‌تواند فرهنگ کاربرد این مادة جدید در بتن‌آرمة ایران را بنیان گذارد و از طرفی منجر به صرفه‌جویی‌ میلیاردها ریال سرمایه‌ای ‌شود که متأسفانه همه ساله در سازه‌های بتن‌آرمة احداث شده در مناطق جنوبی ایران (به خصوص در مناطق بندری و دریایی)، به جهت خوردگی میلگردها و تخریب و انهدام سازة بتنی، به‌هدر می‌رود.
مآخذ :
http://www.worldsteel.org
http://www.uneptie.org/
http://www.rahyarbamin.com
http://www.netiran.com/
http://www.key-to-steel.com/
http://www.bamehrgan.com/
http://www.sanatekhodro.com/
http://steel-institute.ir/
http://www.infosanat.com
http://metallurg.mihanblog.com
آفتاب
دانشنامه? رشد
مراجع:
گلعذار، محمدعلی - عملیات حرارتی فولادها - انتشارات دانشگاه صنعتی اصفهان- 1383
• M. S. Andrade, O. A. Gomes, J. M. C. Vilela, A. T. L. Serrano and J. M. D. de Moraes, Formability Evaluation of Two Austenitic Stainless Steels, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Science & Engineering, 24, 47-50 2004.
• A. Westgren and G. Phragmen, X-ray studies on the crystal structure of steel, Journal of Iron Institute, 105, 241-262, 1922.
• H. K. D. H. Bhadeshia, Bainite in Steels, 2nd Edition, Institute of Materials, Woodhead Pub Ltd, 2001, ISBN 1861251122
• Zenji NISHIYAMA, Atsuo KORE"EDA and Ken"ichi SHIMIZU, Morphology of the Pearlite Examined by the Direct Observation Method of Electron Microscopy, Journal of Electron Microscopy, 7, 41-47, 1959.
• V. B. Spiridonov, Yu. A. Skakov and V. N. Iordanskii, Microstructure of martensite in chromium-nickel steel, Metal Science and Heat Treatment, 6, 630-632, 1964. doi:10.1007/BF00648705
• . The family of steels for plastic moulding- LUCCHINI SIDERMER -MECCANICA- June 2005
• . Tool steels for the plastics industry-Edelstahlwerke Buderus AG-2007
• . Plastic mould steels-FLETCHER EASYSTEEL-2007
• . Steels for plastic moulding-EDELSTAHL WITTEN- KREFELD GMBH-2007
• . Plastic mould steels- BOHLER-11.2003
• . Plastic mould steels- ESCHMANN STAHL-2007
• . Table of plastic steels properties- ASSAB-2008

آبکاری

پوشاندن یک جسم با یک لایه نازک از یک فلز با کمک یک سلول الکترولیتی آبکاری نامیده می‌شود. جسمی که روکش فلزی روی آن ایجاد می‌شود باید رسانای جریان برق باشد. الکترولیت مورد استفاده برای آبکاری باید دارای یونهای آن فلزی باشد که قرار است لایه نازکی از آن روی جسم قرار بگیرند.

نگاه کلی

فرایند آبکاری معمولا″ با فلزات گرانبها چون طلا و نقره ‌و کروم جهت افزایش ارزش فلزات پایه مانند آهن ‌و مس ‌و غیره و همچنین ایجاد روکشی بسیار مناسب (در حدود میکرومتر) برای استفاده از خواص فلزات روکش کاربرد دارد. این خواص می‌تواند رسانایی الکتریکی و جلوگیری از خوردگی باشد. فعل و انفعال بین فلزها با واسطه‌های محیطی موجب تجزیه و پوسیدگی آنها می‌شود چون فلزها میل بازگشت به ترکیبات ثابت را دارند. پوسیدگی فلز ممکن است به صورت شیمیایی(توسط گازهای خشک و محلولهای روغنی گازوئیل و نفت و مانند اینها) و یا الکتروشیمیایی (توسط اسیدها و بازها و نمک‌ها) انجام پذیرد. طبیعت و میزان خوردگی به ویژگی‌های آن فلز? محیط و حرارت وابسته است. روشهای زیادی برای جلوگیری از خوردگی وجود دارد که یکی از آنها ایجاد روکشی مناسب برای فلزها می‌باشد و معمول‌ترین روشهای روکش فلزها عبارتنداز: رنگین کردن فلزات ? لعابکاری ? آبکاری با روکش پلاستیک? حفاظت کاتدیک‌ و آبکاری با فلزات دیگر.

اصول آبکاری

به طور کلی ترسیب فلز با استفاده از یک الکترولیت را می‌توان به صورت واکنش زیر نشان داد:
فلز <-------- (الکترون) z + کاتیون فلزی
ترسیب فلز با روشهای زیر انجام می‌شود:

آبکاری الکتریکی

در این روش ترسیب گالوانیک یک فلز بر پایه واکنشهای الکتروشیمیایی صورت می‌گیرد. هنگام الکترولیز در سطح محدود الکترود/الکترولیت در نتیجه واکنشهای الکتروشیمیایی الکترون‌ها یا دریافت می‌شوند (احیا) و یا واگذار می‌شوند (اکسیداسیون). برای اینکه واکنشها در جهت واحد مورد‌ نظر ادمه یابند لازم است به طور مداوم از منبع جریان خارجی استفاده شود. واکنشهای مشخص در آند و کاتد همچنین در الکترولیت همیشه به صورت همزمان صورت می‌گیرند. محلول الکترولیت باید شامل یونهای فلز رسوب‌کننده باشد و چون یونهای فلزها دارای بار مثبت می باشند به علت جذب بارهای مخالف تمایل به حرکت در جهت الکترود یا قطبی که دارای الکترون اضافی می‌باشد (قطب منفی یا کاتد) را دارند. قطب مخالف که کمبود الکترون دارد قطب مثبت یا آند نامیده می‌شود. به طور کلی سیکل معمول پوشش‌دهی را می‌توان به صورت زیر در نظر گرفت:
- یک اتم در آند یک یا چند الکترون از دست می‌دهد و در محلول پوشش‌دهی به صورت یون مثبت در می‌آید.
- یون مثبت به طرف کاتد یعنی محل تجمع الکترون‌ها جذب شده و در جهت آن حرکت می‌کند.
- این یون الکترون‌های از دست داده را در کاتد به دست آورده و پس از تبدیل به اتم به صورت جزیی از فلز رسوب می‌کند.

قوانین فارادی

قوانین فارادی که اساس آبکاری الکتریکی فلزها را تشکیل می‌دهند نسبت بین انرژی الکتریکی و مقدار عناصر جا به جا شده در الکترودها را نشان می‌دهند.
* قانون اول: مقدار موادی که بر روی یک الکترود ترسیب می‌شود مستقیما″ با مقدار الکتریسیته‌ای که از الکترولیت عبور می‌کند متناسب است.
* قانون دوم :مقدار مواد ترسیب شده با استفاده از الکترولیت‌های مختلف توسط مقدار الکتریسیته یکسان به صورت جرم‌هایی با اکی‌والان مساوی از آنهاست.
بر اساس این قوانین مشخص شده است که 96500 کولن الکتریسیته (یک کولن برابر است با جریان یک آمپر در یک ثانیه) لازم است تا یک اکی‌والان گرم از یک عنصر را رسوب دهد یا حل کند.

آبکاری بدون استفاده از منبع جریان خارجی

هنگام ترسیب فلز بدون استفاده از منبع جریان خارجی الکترون‌های لازم برای احیای یون‌های فلزی توسط واکنش‌‌های الکتروشیمیایی تامین می‌شوند. بر این اساس سه امکان وجود دارد:
* ترسیب فلز به روش تبادل بار (تغییر مکان‌) یا فرایند غوطه‌وری: اساس کلی این روش بر اصول جدول پتانسیل فلزها پایه‌ریزی شده است. فلزی که باید پوشیده شود باید پتانسیل آن بسیار ضعیف‌تر (فلز فعال) از پتانسیل فلز پوشنده (فلز نجیب) باشد. و فلزی که باید ترسیب شود باید در محلول به حالت یونی وجود داشته باشد. برای مثال به هنگام غوطه‌ور نمودن یک میله آهنی در یک محلول سولفات مس فلز آهن فعال است و الکترون واگذار می‌کند و به شکل یون آهن وارد محلول می‌شود. دو الکترون روی میله آهن باقی می‌ماند. یون مس دو الکترون را دریافت کرده احیا می‌شود و بین ترتیب مس روی میله آهن می‌چسبد. و هنگامی که فلز پایه که باید پوشیده شود (مثلا آهن) کاملا″ توسط فلز پوشنده (مثلا مس) پوشیده شود آهن دیگر نمی‌تواند وارد محلول شود و الکترون تشکیل نمی‌شود و در نتیجه عمل ترسیب خاتمه می‌یابد. موارد استعمال این روش در صنعت آبکاری عبارت است از: مس‌اندود نمودن فولاد? نقره‌کاری مس و برنج? جیوه‌کاری? حمام زنکات? روشهای مختلف کنترل و یا آزمایش? جمع‌آوری فلز از حمام‌های فلزات قیمتی غیر قابل استفاده (طلا) با استفاده از پودر روی.
* ترسیب فلز به روش اتصال: این روش عبارت است از ارتباط دادن فلز پایه با یک فلز اتصال. جسم اتصال نقش واگذارکننده الکترون را ایفا می‌کند. برای مثال هنگامی که یک میله آهنی (فلز پایه) همراه یک میله آلومینیومی? به عنوان جسم اتصال در داخل یک محلول سولفات مس فرو برده می‌شود? دو فلز آهن و آلومینیوم به جهت فعالتر بودن از مس? به صورت یون فلزی وارد محلول می‌شوند و روی آنها الکترون باقی می‌ماند و چون فشار انحلال آلومینیوم از آهن بیشتر است از این رو اختلاف پتانسیلی بین دو فلز ایجاد شده و الکترون‌ها در روی یک سیم رابط? از سوی آلومینیوم به طرف آهن جاری می‌شوند. بنابراین مشاهده می‌شود که مقدار زیادی از یونهای مس محلول روی آهن ترسیب می‌شوند. ضخامت قشر ایجاد شده نسبت به روش ساده تبادل بار بسیار ضخیم‌تر است. از روش اتصال برای پوشش‌کاری فلزات پیچیده استفاده می‌شود.
* روش احیا: ترسیب فلز با استفاده از محلولهای حاوی مواد احیا کننده? روش احیا نامیده می‌شود. یعنی دراین روش الکترونهای لازم برای احیای یونهای فلزات توسط یک احیا کننده فراهم می‌شود. پتانسیل احیا کننده‌ها باید از فلز پوشنده فعالتر باشند? اما بابد خاطر نشان ساخت که اختلاف پتانسیل به دلایل منحصرا″ کاربردی روکش‌ها? نباید بسیار زیاد باشد. برای مثال هیپوفسفیت سدیم یک احیا کننده برای ترسیب نیکل است ولی برای ترسیب مس که نجیب‌تر است? مناسب نیست. مزیت استفاده از این روش در این است که می‌توان لایه‌هایی با ضخامت دلخواه ایجاد نمود. زیرا اگر مقدار ماده احیا کننده در الکترولیت ثابت نگه داشته شود می‌توان واکنش ترسیب را کنترل نمود. به ویژه غیر هادی‌ها را نیز بعد از فعال نمودن آنها? می‌توان پوشش‌کاری کرد.

آماده سازی قطعات برای آبکاری

برای بدست آوردن یک سطح فلزی مناسب نخستین عملی است که با دقت باید صورت گیرد? زیرا چسبندگی خوب زمانی به وجود می‌آید که فلز پایه? سطحی کاملا تمیز و مناسب داشته باشد. بدین علت تمام لایه‌ها و یا قشرهای مزاحم دیگر از جمله کثافات? لکه‌های روغنی? لایه‌های اکسید? رسوبات کالامین که روی آهن در درجه‌های بالا ایجاد می‌شوند را از بین برد. عملیات آماده سازی عبارتند از:
* سمباده‌کاری و صیقل‌کاری: طی آن سطوح ناصاف را به سطوح صاف و یکنواخت تبدیل می‌کنند.
* چربی‌زدایی: طی آن چربی‌های روی سطح فلزات را می‌توان توسط عمل انحلال? پراکندگی? امولسیون? صابونی کردن و یا به روش تبادل بار از بین برد.
* پرداخت: انحلال شیمیایی قشرهای حاصل از خوردگی روی سطح فلزات را پرداخت کردن می‌نامند که اساسا″ به کمک اسیدهای رقیق و در بعضی موارد توسط بازها انجام می‌گیرد.
* آبکشی? خنثی‌سازی? آبکشی اسیدی? خشک کردن: خنثی‌سازی برای از بین بردن مقدار کم اسید یا مواد قلیایی که در خلل و فرج قطعه باقی می‌مانندو همچنین آبکشی اسیدی برای جلوگیری از امکان تشکیل قشر اکسید نازک غیر قابل رؤیت که موجب عدم چسبندگی لایه الکترولیتی می‌شود.

موقعیت های استفاده از نانوتکنولوژی صنایع آبکاری

در سالهای اخیر نانوتکنولوژی که همان علم و تکنولوژی کنترل و بکارگیری ماده در مقیاس نانومتر است? تحقیقات فزاینده و موقعیت‌های تجاری زیادی را در زمینه‌های مختلف ایجاد نموده است. یک جنبه خاص از نانوتکنولوژی به مواد دارای ساختار نانویی یعنی موادی با بلورهای بسیار ریز که اندازه آنها معمولا کمتر از 100 میکرومتر است می‌پردازد? که این مواد برای اولین بار حدود دو دهه قبل به عنوان فصل مشترکی معرفی شدند. این مواد نانوساختاری با سنتز الکتروشیمیایی تولید شده‌اند که دارای خواصی از قبیل? استحکام? نرمی‌ و سختی? مقاومت به سایش? ضریب اصطکاک? مقاومت الکتریکی? قابلیت انحلال هیدروژن و نفوذپذیری? مقاومت به خوردگی موضعی و ترک ناشی از خوردگی تنشی و پایداری دمایی را دارا هستند. دریچه‌های آبکاری الکتریکی برای سنتز این ساختارها با استفاده از تجهیزات و مواد شیمیایی مرسوم برای طیف گستره‌ای از فلزات خالص و آلیاژها گشوده شده است. یک روش مقرون به صرفه برای تولید محصولاتی با اشکال بسیار متفاوت از پوششهای نازک و ضخیم? فویلها و صفحه‌ها با اشکال غیر ثابت تا اشکال پیچیده شکل‌یافته با روشهای الکتریکی است. از این رو فرصتهای قابل توجهی برای صنعت آبکاری وجود دارد تا نقش تعیین‌کننده‌ای را در گسترش کاربردهای جدید نانوتکنولوژی ایفا نماید که این امر به آسانی با تکیه بر اصول قابل پیش‌بینی متالوژیکی که در سالیان گذشته مشخص شده قابل تحقق است.
منبع:http://www.academist.ir

صنایع شیشه سازی (1)

صنایع تولید شیشه یکی از پایه های اصلی اقتصاد آمریکا می باشد. این صنعت بیش از 150/000شغل تخصصی ایجاد نموده است؛ که بیش از 21 میلیون تن محصولات مصرفی با ارزش تخمینی 22 میلیارد دلار در سال تولید می کند.
تولید شیشه نیاز به انرژی زیاد دارد که 12 درصد ازکل قیمت فروش را شامل می شود. از لحاظ تئوری برای ذوب کردن یک تن شیشه 2/2 میلیون Btu (واحد بریتانیایی برای گرما) انرژی لازم است؛ در حقیقت مقدار انرژی مورد نیاز به خاطر پایین بودن بازده و اتلاف انرژی به میزان دو برابر افزایش می یابد. صنایع شیشه شامل 4 بخش عمده می شود:

1) ظروف شیشه ای (container glass)

این گروه شامل بطری ها(Bottles) ، شیشه های دهنه گشاد(Jars) و... می شود.

2) شیشه های فلوت(flat glass)

این گروه شامل شیشه های پنجره، آینه ها و شیشه های اتومبیل و... می شود.

3) الیاف شیشه (fibre galss)

این گروه الیاف شیشه ای اند که به صورت عایق های ساختمانی و الیاف بافته شده تولید می شوند.

4) شیشه های ویژه (specialty glass)

این گروه شامل وسایل آشپزخانه (cook ware)، تابلوهای نمایشگر سطح (displays flat panel)، حباب لامپ ها(light bulbs)، الیاف نوری(fiber optics)، وسایل پزشکی(medical equipment) و... می باشد.
شیشه های فلوت 17%تولید شیشه ی ایالات متحده آمریکا از لحاظ وزن را شامل می شود. همچنین ظروف شیشه ای 60درصد، الیاف شیشه و9 درصد و شیشه های ویژه 4 درصد از تولیدات شیشه ای ایالات متحده را شامل می شوند.
درحالی که صنایع ظروف شیشه ای، الیاف و شیشه های فلوت که سهم بسیار بالایی در فروش دارند بر پایه ی شیشه های سودالایم(soda-lime glass) پایه گذاری شده اند؛ صنعت شیشه های ویژه بر روی شیشه های مقاوم در دماهای بالاتر تمرکز دارد و بیش از 60/000نوع محصول مختلف تولید می کند. مثالهایی از تولیدات شیشه ای که بوسیله ی صنعت شیشه سازی تولید می شوند در شکل 1 دیده می شوند. حالت مطلوبی از صنعت شیشه درطول 20 سال فرمول بندی شده است؛ که این با مشارکت DOE (دپارتمان انرژی آمریکا) انجام شده است.

و چالشهای تکنولوژی در آینده و فرصت های تحقیقاتی با مقایسه دید آینده و حالت کنونی صنعت شیشه تعریف شده است. چالشهای تکنولوژی به طور عمومی به چهار دسته تقسیم بندی می شوند:
1)پیشرفت ها در زمینه ی ذوب و پالایش و در زمینه ی ساخت (شکل دهی)
2)پیشرفت تکنولوژی، تکنیک های ساخت شیشه، کنترل پروژه ها (Processing controls) و شبیه سازی مدل برای پروسه های جدید با کامپیوتر
3)بهبود سیستم های کنترل خروج، روشهای بازیافت و مدیریت مواد جامد باطله و...
4)توسعه ی تولیدات ابداعی برای استفاده های جدید از شیشه
بخش های بالا پروسه های تولید شیشه های کنونی و چگونگی رسیدن به دید صنعتی در زمینه ی شیشه از مواد پایه سرامیکی را تعریف می کند.
موادی که معمولاً در وسایل تهیه شده بوسیله ی شیشه استفاده می شود شامل: فیوزد سیلیکا (fusedsilica)، گرانیت، فلزات گران بها، آلیاژهای آهنی سرد شده در آب می باشند. مواد سرامیکی ابتدا به عنوان مواد نسوز(refractories) و اکنون نیز به صورت هرچه بیشتر و در زمینه ی پوشش های مقاوم به سایش کاربرد دارد. همچنین مواد سرامیکی پیشرفته به ندرت در این صنعت استفاده می شود که علت آن قیمت بالای این مواد است. بعلاوه به خاطر نبود مواد مقاوم در محیط های بادمای بالا جهت فرآیندهای شیشه سازی، فلاکس ها به مواد شیشه ای اضافه می شوند تا بتوان با کاهش دمای فرآیند شیشه سازی، اجازه ی استفاده از مواد مرسوم را داشته باشیم.
بحث ما بر طبق 4 عملیات عمده در تولید شیشه متمرکز شده است که به شرح زیر می باشند:
1)مرحله ی تهیه مخلوط(Batching)
2)مرحله ی ذوب (melting)
3)مرحله تصفیه و پالایش (refining)
4)مرحله شکل دهی (forming)
همچنین در بخش های بعدی این مقاله در مورد 4 بخش از صنعت شیشه سازی صحبت کرده و در بخش آخر این مقاله در مورد مشعل ها و وسایل تولید حرارت درکوره های تولید مذاب شیشه صحبت می کنیم.
عملیات تهیه ی مخلوط، ذوب و پالایش در همه ی روش های تولید شیشه با اندک تفاوت در نوع کوره یکسان است. پس به بررسی جداگانه ی 4 مرحله ی شیشه سازی می پردازیم:

1) مرحله ی تهیه ی مخلوط (Batching)

انتخاب مواد خام با توجه به ترکیب شیمیایی، یکنواختی و اندازه ی ذرات انجام می شود. مواد افزودنی آلی و فلزی و سرامیکی از بین مراحل حمل ونقل، انبار کردن، مخلوط کردن و دانه بندی عبور می کند. این مراحل شبیه مراحلی است که شیشه های بازیافتی عبور می کنند. به علت اثرات مواد افزودنی و با توجه به کیفیت محصول تولید شده، مقدار شیشه ی بازیافتی تغییر می کند.
صنعت تولید شیشه های فلوت 39درصد از شیشه های شکسته ی خود را باز یافت می کند. مواد ناخالصی سرامیکی واکنش کمی با مذاب شیشه دارند و ذوب نمی شوند بنابراین به صورت سنگ ریزه هایی در محصول نهایی دیده می شوند. ناخالصی های فلزی و آلی باعث بوجود آمدن ناپایداری در طی پروسه ی شیشه سازی می شوند(از طریق واکنش های اکسایش -کاهش). که این مواد موجب کاهش کیفیت شیشه می شوند. مواد آلی موجود در بچ، منبعی مناسب جهت افزایش گازهای خروجی هستند و موجب افزایش ارزش تمیزکنندگی گازهای خروجی می شوند(این مواد موجب افزایش گازهای خروجی می گردد و خروج گاز را از مذاب آسانتر می کنند)
پروسه های نقل و انتقال، مخلوط کردن و دانه بندی موجب ساییده شدن وسایل وادوات مورد استفاده می شوند بنابراین معمولاً ابزار آلات این بخش دارای سطوح پوشش داده شده با سرامیک هستند؛ و یا خطوط انتقال بوسیله ی سرامیک هایی مانند آلومینا، سیلسیم کاربید و یا تنگستن کاربید ساخته می شوند.
درحالی که به طورعمومی اثر قیمت و عملکرد مناسب و کافی برای انتخاب مواد در این مکان ها بسیار مهم است ولی به دلیل ریسک امکان آلودگی مذاب شیشه، استفاده از مواد ارزان قیمت تر ریسک بزرگی به حساب می آید.

2) مرحله ذوب(melting):

تقریباً 600 کوره ی ذوب شیشه در آمریکای شمالی وجود دارد. توزیع نوع این کوره ها به شرح زیر است.
210کوره در زمینه صنعت بطری های سازی، 110 کوره مربوط به الیاف شیشه، 45 کوره در صنعت شیشه ی فلوت و 235کوره مربوط به شیشه های ویژه است. عمر یک کوره مذاب شیشه با توجه به نحوه ی ساخت آن متفاوت است اما برای کوره های این صنعت عمر 7 تا 8 سال غیر معمولی نیست. البته هزینه ی بازسازی یک کوره به آسانی از یک میلیون دلار تجاوز می کند و همین امر نشاندهنده ی اهمیت نحوه ی بازسازی کوره های شیشه سازی است. کوره ها را می توان به دو گروه، کوره های گرم شونده با الکتریسته و کوره های گرم شونده با سوخت تقسیم کرد، که معمولاً گرمایش الکتریکی مذاب با آتش حاصل از سوختن مواد نفتی توأم است. این عمل موجب بهبود یکنواختی گرما دهی، مهیا نمودن افزایش متناوب در ظرفیت ذوب با کم ترین هزینه، افزایش بازده مذاب، کاهش مصرف انرژی و دمای پایین تر (در بالای نقطه ی ذوب) برای کاهش خروج انرژی می گردد.

3) مرحله پالایش(refining):

مرحله ی اصلاح شیشه در کوره ی مقدماتی اتفاق می افتد و موجب یکسان شدن دمای مذاب می گردد. کوره ی مقدماتی معمولاً با گاز طبیعی کار می کند. همچنین ازتقویت کننده های الکتریکی نیز برای افزایش بازده و بهبود یکسانی دما، می توان بهره برد. مبدلهای گرمایی سرد شده با آب (water-cooled metal heat exchangers) برای کمک به ایجاد دمای یکنواخت مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین ممکن است از سرامیک های پیشرفته نیز استفاده شود. تغییرات دمایی در کوره ی مقدماتی بسیار حیاتی است و موجب ایجاد مشکلاتی شبیه به آنهایی که در مرحله ی ذوب با آنها روبرو بودیم، می شود.پیستون ها(plungers) و نازل های (nozzles) مورد استفاده برای حرکت دادن و پخش کردن مذاب شیشه از سرامیک های نسوز و یا مولیبدن ساخته شده اند. ولی این اجزا به علت رویا رویی و مواجهه با سایش بالا و ایروژن (erosion )نوعی خوردگی است که به واسطه ی حرکت سیال بر روی یک سطح اتفاق می افتد). برای شیشه های با دمای ذوب پایین تر Inconel600 استفاده شده است که در این مورد نیز شبیه به مورد بالا خوردگی شدید گزارش شده است. در دماهای بالاتر خنک سازی با آب نیز می تواند برای کاهش دمای اجزا مورد استفاده قرار گیرد. تعداد زیادی از مواد مناسب (مواد سرامیکی پیشرفته) مورد استفاده در مراحل پالایش و ذوب شیشه وجود دارد که بسیاری از این مواد مناسب، برای ساخت کوره های سوخت -اکسیژن fired oxy-fuel استفاده می شوند. سیکل های متناوب احتراق نیز بهبود یافته که گفته می شود مواد سرامیکی پیشرفته توانایی مقاومت در برابر این سیکل های احتراقی را دارند.

4)شکل دهی(forming):

با توجه به اینکه محصول نهایی، چه نوع محصولی باشد نوع و نحوه ی فرم دهی نیز متفاوت است.
روش های شکل دهی انواع مختلف شیشه از جمله شیشه های فلوت، ظروف شیشه ای، الیاف شیشه و شیشه های ویژه معمولاً بسیار متفاوت اند. در قسمت های بعدی این مقاله در مورد هر یک از این زمینه های تولید شیشه صحبت کرده و درقسمت پایانی نیز در مورد مشعل ها و سیستم های گرمایشی مورد استفاده دراین صنعت صحبت می کنیم. دیدگاه این مقاله بیشتر بررسی موقعیت های کاربردی در زمینه ی مواد ساختاری مورد استفاده در صنعت تولید شیشه است.
ادامه دارد .....
منبع: