[bigbang]

فلزات غیر آهنی سنگین


فلزات غیر آهنی سنگین و آلیاژهای آنها ۵- فلزات غیر آهنی امروزه در صنایع مختلف فلزی،با وجود فلزات آهنی ، استفاده از فلزات غیرآهنی نیز اجتناب ناپذیر است. فلزات غیرآهنی را می توان به دو گروه اصلی فلزات سنگین و فلزات سبک تقسیم نمود. بقیه متن در ادامه مطلب… فلزات غیرآهنی سنگین و آلیاژهای آنها فلزاتی که جرم مخصوص آنها بیشتراز ۵ کیلوگرم بر دسی متر مکعب باشد فلزات سنگین نامیده می شوند. مهمترین فلزات سنگین عبارتند از: مس، روی، قلع، سرب، نیکل، کرم،ولفرام،مولیبدن، کبالت، منگنز،آنتیموان،کادمیم، بیسموت، جیوه و فلزات قیمتی مانند نقره ، طلا و پلاتین. در اکثر موارد به وسیله آلیاژکردن ، سختی و استحکام مواد افزایش یافته و در مواقع براده برداری براده های کوتاهتری به دست می دهند. همچنین می توان رنگ فلزات را به وسیله آلیاژکردن تغییر داد، اما دوام خوردگی فلزات غیرآهنی در اثر آلیاژکردن، اغلب تقلیل می یابد. هرچه درجه خلوص فلزی بیشتر باشد به همان نسبت نقطه ذوب و قابلیت هدایت الکتریکی آن افزایش می یابد. جرم مخصوص ۹٫۸ نفطه ذوب ۱۰۸۳ درجه سانتیگراداستحکام کششی ۳۶۰ تا ۲۰۰ و در مفتول های سرد کشیده شده نازک تا ۶۰۰ مس (cu) : مس خالص فلزی است نرم، سمج با قابلیت انبساط زیاد. مقطع شکسته آن به رنگ قرمز و رگه دار بوده و مانند ابریشم براق الکتریکی و حرارتی آن خوب و در مقابل خوردگی و حرارت مقاوم است. مس در مجاورت هوای مرطوب با اسید کربنیک موجود در هوا ترکیب می شود و در روی آن قشر نازکی به رنگ سبز به نام زنگار (کربنات مس) تشکیل می گردد و همین قشر نازک است که بقیه فلز را در مقابل تاثیر عوامل جوی محافظت می کند. مس در مقابل اکثر اسیدها حساس است و مخصوصا از تاثیر سرکه (اسد استیک) بر روی آن قشر سبز رنگی (استات مس) به وجود می آید که فوق العاده سمی است: به همین دلیل ظروف موادغذایی را با قشر نازکی از قلع اندود می کنند و مورد استفاده قرار می دهند. منابع عظیم مس سرچشمه با ۸۵۰ میلیون تن سنگ معدن ، ایران را به عنوان یکی از مهمترین تولدکنندگان جهانی مس معرفی کرده است. موارد استفاده: از مس برای تهیه انواع سیم، شمش، لحیم کاری، کویل های حرارتیو برودتی، پوشش بام ها، قطعات تزئینی و آلیاژهای مس (برنج و برنز و مفرغ) استفاده می شود. سنگ های معدنی مس: مس در طبیعت بندرت به صورت خالص وجود دارد و معمولا به صورت سنگ های اکسیده (مس و اکسیژن) در سطح زمین و سنگ های سولفوره (مس، آهن و گوگرد) در عمق بیشتری از قشر زمین قرار گرفته است. قسمت اعظم سنگ های سولفوره تشکیل می دهند. سنگ های مس ممکن است عناصر فلزی یا غیر فلزی دیگری نیز به همراه داشته باشند. سنگ های مس معمولا ۱تا ۴ درصد مس خالص دارند ولی امروزه عیار پذیرفتنی استخراج مس معادن روباز ۴% درصد و معادن زیر زمینی ۷% درصد مس است. در بسیاری از نقاط کشور ایران مس وجود دارد. امروزه با توجه به حفاری های جدید، تنها میزان کل معدن سرچشمه به ۱۲۲۳ میلیون تن سنگ مس با عیار ۶۹% درصد تخمین زده می شود که طی ۲۰ سال آینده به ۳۶۶ میلیون تن با عیار ۲/۱ درصد رسید. در جدول ۱-۵ نمونه هایی از سنگ معدنی مس و عیار آن ها مشاهده می کنید. جدول ۱-۵- سنگهای معدنی مس نوع ترکیب سنگ معدنی نوع سنگ مس علامت شیمیایی درصد مس سولفور مس سنگ مس قرمز Cu O 88 سنگ مس درخشان Cu S 80 سنگ مس رنگین Cu feS 58 سنگ مس شنی CufeS 35 تهیه مس : استفاده مستقیم از سنگهای معدنی مس به دلیل کم عیار بودن آنها ، مقرون به صرفه نیست و لازم است ابتدا آنها را تغلیظ و پرعیار کرد. برای این منظور ، از روش هایی مانند خورد کردن با سنگ شکن، آسیاب کردن ساچمه ای، شستشو دادن و شناور کردن (فلوتاسیون ) استفاده می شود. سنگ مس باقی مانده به صورت ترکیبات اکسیژن دار یا گوگرد دار به دست می آید. اگر سنگ مس باقی مانده دارای ترکیبات اکسیژن دار باشد، مستقیما برای عملیات ذوب تصفیه حمل می شود و چنانچه دارای ترکیبات گوگرددار باشد، ابتدا با تشویه (برشته کردن) سنگ مس ، گوگرد موجود در آن را کم می کنند و مات با عیار مورد نظر را به دست می آورند. گفتنی است که هنگام جدا شدن گوگرد ، اکسیژن جانشین آن می شود و سنگ مس گوگرددار را به صورت اکسید مس در می آورد ولی آهن و سایر فلزات موجود در آن به صورت اکسید باقی می ماند. البته هنوز هم مقدار کمی از این عناصر به صورت ترکیب با گوگرد باقی می ماند. تشویه ساده سنگ مس در کوره های گردان (شکل ۲-۵) یا کوره های بشقابی (شکل ۳-۵) انجام می گیرد. امروزه روش تشویه معلق به دلیل داشتن ظرفیت زیاد، سرعت عمل و حذف کامل گوگرد جایگزین سایر روشها شده است. در این روش ، بار کاملاً نرم شده از دریچه ای وارد راکتور با درجه حرارت ۷۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتیگراد شده و با هوا که از قسمت پایین وارد رآکتور می شود، به طور کامل تماس می گیرد و به سرعت تشویه می شود. در این روش انرژی سوخت تنها در ابتدای کار و برای راه اندازی راکتور لازم می شود و پس از راه اندازی ، انرژی حاصل از واکنش ، انرژی لازم برای ادامه کار را تامین می کند. گازهای خروجی از بالای راکتور ، فبار خود را به یک سیکلون و سپس غبارگیر می دهند و چون هنگام خروج از غبارگیر حاوی مقداری گاز SO هستند، برای ساختن اسید سولفوریک مورد بهره برداری قرار می گیرند. بار تشویه شده از سیلکون و غبارگیر به دست می آید. حال آنکه باید ترکیب مس حاصل از روشهای بالا را احیاء کرد. برای این منظور اگر سنگ مس دارای قطعات درشتی باشد، آنها را به کوره قائم حمل می کنند تا به همراه کک، آهک و کواتزیت (به عنوان مواد سیاله و گدازآور) وارد کوره شوند. طرز کار این کوره مانند کوره بلند (ذوب آهن) است. اگر سنگ مس به صورت قطعات کوچک باشند و گوگرد و آهن نیز به همراه داشته باشند، آن را در کوره شعله ای مسطح احیاء می کنند. در اینجا نیز مواد سیاله و گدازآور افزوده می شود. مات مس مذابی که از کوره های بال به دست می آید، ترکیبات بهتری دارد ولی عیار آن کم (در حدود۵۰% درصد)است. حال مات مس مذاب را به کنورتری حمل می کنند که درآن به وسیله دمیدن هوا به درون مذاب ، ناخالصی های سوخته یا جذب سرباره می گردد. در نتیجه مس با درجه خلوص ۹۹% درصد به دست می آید. مس خام حاصل از کنورتر هنوز ناخالصی های فلزی و غیر فلزی به همراه دارد. برای جداکردن آنها از کوره شعله ای به کوره های پالایش یا تصفیه معروف هستند، استفاده می شود. در این کوره ها، ناخالصی های اکسید شده جذب سرباره می گردد یا تبخیر می شود. مسی که از این کوره به دست می آید به نام مس سیاه معروف است و درجه خلوص ۸٫۹۹ % درصدی دارد. مس مذاب حاصل را پس از خروج از کوره، درون قالب های فلزی می ریزند و پس از سردشدن ، آن را که به صورت ورق های ضخیم یا بلوک های مسی است، برای تهیه نیمه ساخته ها حمل می کنند. اگر مس با درجه بیشتری مورد نیاز باشد، مس خام مذابی را که از کنورتر یا کوره تصفیه به دست می آید درون قالبهای فلزی می ریزند و پس از سرد شدن ، آن را که به فرم ورق (با ضخامت ۴ تا ۵ سانتیمتر و ابعاد تقریبی ۱متر در ۱ متر ) است برای تصفیه بهتر به حمام الکترولیز حمل می کنند. در این روش ، از سولفات مس به عنوان مایع محرکه (الکترولیت) استفاده می شود و یک صفحه مس خالص به قطب منفی (کاتد) دستگاه وصل می کنند: به قطب مثبت (آند) نیز صفحه ریخته شده از مس خام بسته می شود. در اثر عبور جریان مستقیم برق از درون مایع ، ذرات مس خالص بتدریج از قطب مثبت جدا می شود و بر روی قطب منفی دستگاه می نشیند. ان عمل تا آنجا ادامه می یابد که مس خام متصل به قطب مثبت دستگاه (آند) ، بتدریج تفکیک شده و مس آن جذب قطب منفی می شود و ناخالصی های آن نیز در ظرف ته نشین می گردد. با این روش می توان مس با درجه خلوص ۹۹٫۹۹ درصد را تهیه کرد. خواص مکانیکی و تکنولوژیکی مس: مس فلزی نرم و چکش خوار است و عملیات مکانیکی در خواص آن تغییر ایجاد می کند. مس خالص را می توان در قالب های ماسه ای یا فلزی ریخته گری کردو این عمل با مشکلات فراوانی همراه است و قطعه ریخته شده در قالب ، به آسانی اسفنجی می شود. برای جلوگیری از این عمل و افزایش قابلیت ریخته گری مس ، معمولاً با آن فسفر می افزایند. مس ریخته شده به صورت صفحات ضخیم یا بلوک را می توان در درجه حرارت ۸۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتگراد نورد کاری کرد یا به وسیله پرس کردن و عبور از ماتریس به صورت پروفیل های مختلف یا لوله های بدون درز تغییر فرم داد. اگر قرار باشد پس از این مرحله عملیات دیگری نیز روی آن انجام گیرد، در حالت سرد بوده و در این حالت ، می توان ورق های بسیار نازک تا ۱ ۰ .۰ میلیمتر را به وسیله نورد کاری سرد و مفتول های تا قطر ۲ ۰ .۰ میلیمتر را به صورت سرد با روش کشیدن تولید نمود. به دلیل قابلیت انبساط زیاد و نرم بودن ، می توان مس را به وسیله فشار (نوردکاری، چکش کاری و غیره) و رانش (پرسکاری) در حالت سرد تغییر فرم داد. با این عملیات، سختی و شکنندگی آن زیاد می شود و استحکام کششی آن نیز افزایش می یابد ولی در عوض، از قابلیت انبساط آن کاسته می شود. برای برطرف کردن این تغییرات ، می توان به وسیله تاباندن آن را به حالت اولیه (از نظر سختی و شکنندگی، استحکام کششی ) برگرداند. برای این منظور ، قطعه مسی را از ۳۰۰تا ۷۰۰ درجه سانتیگراد گرم کرده و در آب سرد فرو می کنند. عمل سرد کردن در آب – بر خلاف فولاد ها – باعث سختی آن نمیشود بلکه علاوه بر باز گرداندن آن به حالت اولیه ، پوسته های اکسیدی را نیز از سطح آن جدا می کند. اگر قطعه مسی به تغییر فرم زیاد نیاز داشته باشد، در طول مراحل فرم دادن لازم است آن را به دفعات تاباند. در این گونه موارد و همچنین در مواردی که روی قطعه مسی عملیات جوشکاری انجام می گیرد، بهتر است از مس بدون اکسیژن مانندCu-SBیا Cu- SDاستفاده شود. مس خالص و نرم را به سختی می توان براده برداری کرد: زیرا براده جدا شده در روی لبه برنده می ماسد و ادامه عملیات براده برداری را دشوار می کند. با برگزیدن زاویه براده بزرگ برای ابزار و استفاده از مایع خنک کننده مناسب مانند نفت یا آب صابون ، می توان راحت تر از مس براده برداری کرد. مس را می توان به خوبی لحیم نرم یا سخت کرد و با استفاده از گاز محافظ به خوبی جوشکاری نمود. آلیاژ های مهم مس : برنج: برنج از آلیاژهای مس و روی است و بیشترین کاربرد را در میان آلیاژهای فلزات سنگین دارد. انواع این آلیاژ حداقل ۵۰% درصد مس دارد و رنگ انواع آن از زرد و روشن تا زرد مایل به قرمز (صورتی) متغییر است و حتی از روی رنگ آن می توان درصد مس آن را تخمین زد. در صورتی که به مقدار مس بتدریج به رنگ مس نزدیکتر می گردد. هر چه مقدار مس موجود در آلیاژ بیشتر باشد، به همان نسبت قابلیت تغییر فرم بدون براده برداری آن افزایش می یابد. آلیاژهای مس روی را به دو گروه آلیاژهای و خمیری تقسیم می کنند. الف- آلیاژ های ریختگی مس و روی (برنج ریختگی): این آلیاژها را می توان بخوبی (از شمش یا براده برنج) ریخته گری کرد.استحکام کششی آنها به درصد فلزات نوجود در آنها بستگی دارد (۲۰۰ تا ۸۰۰ . قطعات ریختگی این آلیاژها از قابلیت براده برداری خوبی برخوردارند. از نمونه این آلیاژها می توان ۳۵ CU Zn- G را نام برد. این آلیاژ را می توان در قالبهای ماسه ای و فلزی فرم داد.برای ریخته گری در قالب های فلزی و تحت فشار آلیاژ GD-Cu Zn 40 Al بسیار مناسب است. نمونه دیگر این آلیاژ توپ است که ۸۹ درصد مس ،۵ درصد روی،۵ درصد قلع و ۵ درصد سرب دارد، بخوبی ریخته گری می شود و به آسانی تراشکاری و پرداخت می گردد،در برابر فشار مایعات مقاوم است و در ساختن شیر ،تلمبه و قطعات کاربراتور کاربرد دارد. ب- آلیاژهای خمیری مس و روی:این آلیاژها را ابتدا به صورت بلوک های گرد ،چهار گوش یا مستطیل می ریزند و سپس با یکی از روشهای کشیدن،نورد کاری،پرس کردن و یا کوره کاری در قالب به فرم مورد نظر در می آورند. اضافه کردن سرب به این آلیاژها قابلیت براده برداری آن ها را افزایش می دهد و به دلیل براده های کوتاه و جهنده ای که از آن ها جدا می شود ،به آلیاژهای اتومات معروف هستند . از نمونه این آلیاژها می توان Cu Zn 40 pb 3 را نام برد.در زیر به معرفی نمونه هایی دیگر از برنج ها می پردازیم. برنج ساده یا معمولی ۵ تا ۴۰ درصد روی به همراه دارد و پر مصرف ترین نوع برنج است. با افزایش مقدار روی در این الیاژها ،نقطه ذوب و هدایت الکتریکی و هدایت حرارتی کاهش یافته و ضریب انبساط ،استحکام و سختی افزایش می یابد. برنج سرخ دارای ۸۵ درصد مس و ۱۵ درصد روی و یکی از نرمترین و چکش خوارترین نوع برنج هاست .به مناسبت داشتن رنگ سرخ و قابلیت پرداخت عالی و مقاومت به خوردگی خوب ، دارای ارزش است و در جواهر سازی ، ساخت پلاک های مشخصات فرد ،عقربه ،ظروف کشیده شده و لوله های آب داغ مقاوم به خوردگی مورد مصرف دارد. مفرغ جواهری ۱۰ درصد روی دارد و رنگ آن بسیار نزدیک به طلای ۱۴ عیاری است و طلای بدلی نیز ۵ درصد روی به همراه دارد. برنج سربدار دارای ترکیبی مشابه برنج های معمولی است و از ۱ تا ۵٫۳ درصد سرب دارد .سرب قابلیت تراش و خواص ضد مالش یاتاقان ها را بهبود می بخشد. برنج قلع دار(مفرغ) آلیاژ مس و روی بامقدار کمی قلع است.قلع مقاومت در مقابل خوردگی را بهبود می بخشد. برنج فشنگ دارای ۷۰% درصد مس و ۳۰% درصد روی است و در ساختن فشنگ ، کشش های عمیق ، ته لامپ ها، بوق ها و شیپورها مورد مصرف دارد. اگر درصد فلزات موجود در برنج ها به خوبی انتخاب شده باشند، می توان آن ها را با روش های مختلف براده برداری یا بدون براده برداری تغییر فرم داد.هر چه درصد مس در آلیاژ بیشتر باشد، به همان نسبت قابلیت تغییر فرم برنج بیشتر خواهد شد. برای این منظور ، آلیاژهایی با ۶۰ تا ۹۵ درصد مس مناسب است. هر چه درصد مس در آلیاژ افزایش یابد، به همان نسبت از قابلیت براده برداری آن کاسته می شود.برای جلوگیری از کاهش قابلیت براده برداری، به آلیاژ سرب می افزایند. در این گونه مواردلازم است زاویه براده را برای ابزار از ۰ تا ۵ درجه انتخاب کرد. شایان توجه است که استحکام و سختی برنج ها با آلیاژ کردن یا کار سرد روی آنها افزایش می یابد. اگر در اثر عملیاتی مانندخمکاری، رانش، فشاردادن یا کشش عمیق ، سختی قطعه افزایش یابد، می توان با تابانیدن آن در دمای ۶۰۰ درجه سانتیگراد، آن را به حالت اول برگرداند. آلیاژهای مس و قلع (برنز، مفرغ) : یکی از آلیاژهای مهم مس و قلع ، برنزاست. اصطلاح «برنز» به آلیاژی اطلاق می شود که عنصر اصلی آن فلزی غیر از روی و نیکل باشد. این آلیاژها دارای ۸۳ تا۹۸ درصد، مس و ۲ تا ۱۵ درصد قلع هستند و مقداری عناصر دیگرمانندروی، سرب،نیکل، فسفر، آلومینیم، سیلیسیم، منگنز و بریلیم نیز به همراه دارند. آلیاژ دیگر این گروه مفرغ نام دارد و آلیاژی است از مس و قلع و روی که حداقل ۶۷ درصد مس دارد و ممکن است فلزات دیگری مانندنیکل و سرب نیز به همراه داشته باشند. امروزه بیشتر برنزهای تجارتی را با روی و سرب بهبود می بخشند و به دلیل همراه داشتن روی اغلب آنها را «مفرغ» می نامند. برنزها در مقابل خوردگی مقاوم هستند: استحکام کششی آنها بسیار زیاد است و در مقابل اغلب آنها را «مفرغ» می نامند. برنزها در مقابل خوردگی مقاوم هستند،استحکام کششی آنها بسیار زیاد است و در مقابل سایش مقاومت دارند. این آلیاژها نیز در گروه ریختگی و خمیری تولید می شوند الف – آلیاژهای ریختگی برنز و مفرغ : این آلیاژها قابلیت ریخته گری خوبی دارند و در برابر آب دریا مقاوم هستند. به دلیل داشتن قابلیت لغزندگی خوب ، این آلیاژها برای مصارفی مانند پوسته یاتاقان ها، مهره پیچ های انتقال حرکت، چرخدنده حلزون و مارپیچ مناسب به نظر می رسند. پوسته یاتاقان هایی که از آلیاژ G – CuZn14 ساخته شده اند، می توانند فشار زیادی را تحمل کنند ولی سرعت محیطی محور گردنده آنها نباید خیلی زیاد باشد. بوش هایی که از مفرغ GZ – CuSn7 ZnPb با روش ریخته گری گریز از مرکز ریخته شده باشند، دارای ویژگی های خوبی برای یاتاقان محورهای هستند که لازم است زمان کوتاهی با سرعت محیطی زیاد کار کنند. این بوش ها در زمان کوتاه ، فشاری معادل ۸۰۰۰ را تحمل می نمایند. اگرچه قطعات ساخته شده از آلیاژهای مس و قلع دارای قابلیت براده برداری خوبی هستند ولی هنگام براده برداری از آن ها ، سرعت برش را باید کمتر از آلیاژهای مس و روی (برنج) در نظر گرفت. انواع مفرغ ف علاوه بر موارد استفاده یاد شده ، کاربرد دیگری نیز دارند که در زیر به شرح آنها می پردازیم: مفرغ با قلع زیاد فقط به فرم ریختگی تهیه می شود .