ترکیبات بین فلزی

ترکیبات بین فلزی گروهی وسیع از فلزات هستند که از ترکیب عناصر بین فلزی مختلف به دست می‌آیند مانند آلومیناید نیکل، آلومیناید تیتانیوم، آلومیناید آهن، سیلیکات آهن، سیلیکات آهن و سیلیکات‌های دیگر. هر یک از این مواد دارای خواص منحصر بفردی هستند. آلومیناید تیتانیوم دارای وزن سبک وزن بوده ودمای ذوب آن (۳۷۴۰درجه فارنهایت)۲۰۶۰ درجه سانتی گراد است ودر دماهای بالاتری نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیکل می‌تواند کار کند. اما چقرمگی شکست پایین و مقاوت در برابر اکسیداسیون ضعیفی در دماهای بالا دارد.
سیلیکات‌های مختلفی به ویژه دی سیلیکات نیوبیوم مورد استفاده در المان‌های حرارتی به صورت بازرگانی از سال‌های گذشته وجود داشته‌اند. سیلیکات آهن(FeSi) تحت نام تجاری Hastalloy Dعرضه می‌شود ودر ریخته‌گری‌های دما بال مورد استفاده قرار می‌گیرد.
یک سیلیکات دیگر آهن (Fe 3 Si) با نام Durirun TM وجود دارد. سیلیکات‌های دیگر به خاطر بعضی به (۴۳۵۲ درجه فارنهایت) ۲۴۰۰درجه سانتی گراد می‌رسد. آنها همچنین به عنوان پوشش محافظ روی مواد دیگر مانند آلومیناید نیوبیوم استفاده می‌شوند. آلومیناید نیکل (Ni 3 Al) سال هاست که به عنوان یک ماده بین فلزی دارای آرایش شبکه بلوری منظم شناخته شده و دارای دمای ذوب، استحکام ، سختی و پایداری حرارتی بالایی است. ماده‌ای است جالب توجه زیرا چگالی پایین (۲۵٪ کمتر از سوپر آلیاژها) و در برابر سایش، تغییر شکل، خستگی، اکسیداسیون و کربن دهی سطحی مقاوم است. جالب‌ترین ویژگی آن خصوصیت غیرعادی افزایش استحکام در اثر افزایش دما است. علی‌رغم این خصوصیات آلومیناید نیکل به خاطر ترد و گران بودن آن کاربردهای وسیعی پیدا نکرده است. در سال ۱۹۸۲ دانشمندان آزمایشگاه ملیOak Ridge راهی برای نرم‌تر کردن این ماده ژیدا کرند نتیجه این تحقیق همانطوری که در شکل ۵–۱ نشان داده شده است ماده -IC بود که سبک‌تر واستحکام آن ۵ برابر فولاد زنگ نزن در دمای (۱۴۷۲ درجه فارنهایت) ۸۰۰ درجه سانتی گراد است.
گروهی از دانشمندان آزمایشگاه ملی Oak Ridge به راهنمایی Vinod Sidka تحقیق توسعه بر روی اقتصادی کردن و کاهش قیمت پایین Ni 3 ALودستیابی به یک فرایند ایمن‌تر انجام دادند. همه این تلاش‌ها در کنار هم برای تولید یک ماده صنعتی وارزشمند در کاربردهای صنعتی مانند تجهیزات کوره، میزهای غلتکی فولاد تا ساخت قالب‌های آهنگری انجام شد.
آلیاژهای پایه توسط شرکت ریخته‌گری ومهندسی آلیاژ، صنایع دفاع آمریکا، شرکت Bimac، شرکت بین‌المللی Sandusky در اوهایو وصنایع Alcon و پودر Ni 3 Al توسط شرکت Ametek تولید می‌شود.
خواص فیزیکی
خواص فیزیکی آلیاژ Ni 3 Al با نامIC-221M درجدول داده‌های طراحی آلیاژ پایه IC-221M Ni 3 Al ونمودار مقایسه درصد ازدیاد طول سوپر آلیاژها برحسب دما ونمودارمقایسه خواص خزش با سوپر آلیاژها داده شده است داده‌ها شامل استحکام تسلیم کششی وضریب کشسانی در دمای (۲۰۱۲ درجه فارنهایت) ۱۱۰ درجه سانتی گراد (جدول داده‌های طراحی آلیاژ پایه IC-221M Ni 3 Al)، استحکام خزشی (مودارمقایسه خواص خزش با سوپر آلیاژها) وخواص برتر نسبت به آلیاژهای دمای بالای دیگر هستند. دمای ذوب بالا (۲۵۵۲ درجه فارنهایت) ۱۴۰۰ درجه سانتی گراد خواص دما بالای Ni 3 Al رابوجود آورده است. Ni 3 Al استحکام تسلیم فشاری خوبی دردمای (۲۰۱۲–۱۲۰۲درجه فارنهایت) ۱۱۰۰ تا ۶۵۰ درجه سانتی گراد ومقاومت خستگی عالی در مقایسه با مقایسه با تعدادی از سوپر آلیاپ‌های پایه نیکل دارد. سختی Ni 3 Al منجر به مقاومت سایشی عالی حتی در دماهایی بیش از (۱۱۱۲ درجه فارنهایت)۶۰۰درجه سانتی گراد شده است.
مقاومت دربرابر خوردگی
یک زوج از خواص در مقاومت در برابر خوردگی IC-221M مشارکت دارند آلومینیوم درسطح اکسید می‌شود وآلیاژ را در مقابل عوامل خورنده مانند اکسیژن حفاظت می‌کند. مقدار آلومینیوم آلیاژ را در مقابل عوامل خورنده مانند اکسیژن حفاظت می‌کند. مقدار آلومینیوم آلیاژ تعیین کننده سطح نهایی مقاومت خوردگی در برابر مواد دیگر مانند اسید سولفوریک است.
کربن علاقه کمی بهآلومینیوم دارد مقاومت آلیاژ Ni 3 Al در برابر اتمسفر کربوره کننده عالی است. این مقاومت تا دمای(۲۰۱۲ درجه فارنهایت) ۱۱۰۰درجه سانتی گراد برقرار می‌ماند. مقاومت IC-221M برابر اتمسفر کربوره کننده درنموداراثر محیط کربوره کننده بر Ni 3 Alنسبت به سایر آلیاژهای پایه ضعیف نیکل نشان داده شده است.
کاربردها
آلیاژ IC-221M در کوره‌ها، میز غلتکی انتقال فولاد و درتعدادی از کاربردهای وما بالای دیگر استفاده می‌شود. عملیات حرارتی کنندگان از میزها، سینی‌ها، تیرها، نگهدارنده‌ها وغیره که به آنها لوازم کوره گفته می‌شود، برای نگهداشتن قطعه عملیات حرارتی شونده در کوره (شکل سینی‌های کوره کربن دهی وکربن دهی فله‌ای راببینید) استفاده می‌کنند.
شرکت سیستم‌های خودرو دلفی در کارخانه جعبه دنده Saginaw در میشیگان برای نگهداشتن دنده‌ها در کوره کربن دهی سطحی و سخت کردن آنها در یک اتمسفر کربن دما بالا از لوازم کوره کربن دهی سطحی وسختکردن آنها در یک اتمسفر کربن دما بالا از لوازم کوره استفاده می‌کند. در انتهای این فرایند کربن دهی دنده‌ها ونگهدارنده‌های آنها به سرعت ازدمای ۹۰۰ درجه سانتی گراد تا دمای اتاق سرد می‌شوند. در هر بار عملیات حرارتی از نگهدارنده‌های قبلی استفاده می‌شود. این نوسان حرارتی تکراری واتمسفر کربن دهی آنها را به دنبال پیدا کردن مواد جدیدی برای کوره هدایت کرده است.
مهندسین این شرکت به جای آلیاژ کروم از آلومیناید نیکل استفاده کردند. آلومینامید نیکل یک لایه نازک اکسید آلومینیوم در سطح خود تشکیل می‌دهد که مانع نفوذ کربن به داخل ماده می‌شود. آلیاژ کروم نیکل پس از ۳۹ ماه هنوز کار می‌کنند.
استحکام عالی Ni 3 Al اجازه می‌دهد که که قطعات بیشتری در سینی‌ها چیده شوند ودرعین حال اندازه آنها نیز کوچک‌تر مشود. استفاده از آلومیناید نیکل در لوازم کوره باعث افزایش دمای کار، ۱۰٪افزایش تولید، کاهش هزینه و کاهش انرژی سوختی شده است.
یک تولیدکننده بزرگ فولاد در آمریکا برای نرم‌تر کردن ورق‌های فولاد ابتدا آنها را حرارت داده وسپس از میان غلتک‌هایی عبور می‌دهد تا سطح تمام شده صاف‌تری به دست آید. به خاطر دمای بالا ی فرایند غلتک غلتک‌های قدیمی باعث اکسید شدن وخراش برداشتن محصول نهایی می‌شوند. غلتک‌های آلومیناید نیکل در برابر حرارت پایدار حرارت پایدار بوده و استحکام آنها ۳برابر غلتک‌های قبلی است. غلتک‌های آلومیناید نیکل هر سال یک بار بازرسی می‌شوند در حالی که غلتک‌های قدیمی هر ۶هفته یکبار برای بازرسی می‌شوند در حالی که غلتکهای قدیمی هر ۶هفته یکبار برای بازرسی، سنگ زنی سطح وتعویض غلتک‌های معیوب متوقف می‌شدند. استفاده از غلتک‌های آلومیناید نیکل زمان توقف، تعداد غلتک‌های یدکی وهزینه تعمیرات را کاهش داد. این غلتک‌های آلومیناید نیکل زمان توقف، تعداد غلتک‌های یدکی هزینه تعمیرات راکاهش داد. این غلتک‌های آلومیناید نیکل IC-221M به روش ریخته‌گری گریز از مرکز توسط شرکت Sandusky تولید شدند. رینگ‌های ریخته‌گری شده در آزمایشگاه ملی Sandusky به منظور آزمایش‌های اولیه به یکدیگر جوشکاری شدند. مهندسین از فلز پر کننده IC-221LA ساخته شده توسط شرکت Stody استفاده کردند. (شکل غلتک کوره آبکاری هیدروژنی وشکل تاول روی سطح غلتک‌های قدیمی) آزمایش‌های اولیه شامل استحکام کششی جوش، خستگی (۳۶۰سیکل در ۸۷۱درجه سانتی گراد تا دمای اتاق)، سختی بر حسب دما، بررسی ریز ساختار و رفتار اکسیداسیون بودند. به کار گیری آلومیناید نیکل در غلتک‌های ریخته کوره‌های آستنیته کردن و تاب کاری هیدروژنی نیز در حال بررسی است. تحقیق بر روی به کار گیری Ni 3 Al در لوله‌های جدار ضخیم به خاطر اینکه اکسید آهن به آن نمی‌چسبد در حال انجام است. Ni 3 Al مقاومت خزشی کمتر و مقاومت در برابر کربن و اکسیژن بیشتری نسبت به مواد قبلی مانند فولادهای زنگ نزن (Hu و Hp اصلاح شده) دارد. صنایع دفاع آمریکا ریل‌های آلومیناید نیکل برای گروه‌های گام بردار شرکت Rapid Technologies ارائه کرده است. کوره‌های عملیات حرارتی این شرکت میله‌های فولادی را سریع از ناحیه دما بالا حرکت می‌دهند این کاربرد نیاز به گرم شدن سریع دارد. بدون تیرهای آلومیناید نیکل این شرایط قابل دسترسی نخواهد بود. استفاده از Ni 3 Al در بلوک‌های قالب آهنگری گرم برای افزایش عمر آن‌ها در حال بررسی است زیرا استحکام تسلیم Ni 3 Al در درجه سانتی گراد (درجه فارنهایت) مقاومت در برابر اکسیداسیون آن بهتر از فولادهای زنگ نزن است. Ni 3 Al برای استفاده در قالب‌های پرس گرم آهن‌رباهای دائم مناسب است زیرا تطابق شیمیایی و استحکام تسلیم عالی در مقایسه با IN-718 دارد. مفتول‌های ریخته Ni 3 Al به خاطر مقاومت در برابر اکسیداسیون و کاهش ضخامت بالای آن‌ها به عنوان المان‌های حرارتی کوره‌های صنعتی به کار می‌روند. Ni 3 Al در این کاربرد جایگزین آلیاژهای FeCrAl شده است.
پودر Ni 3 Al به عنوان اتصال دهنده تنگستن و کاربید کروم در مواد ابزارها و قالب‌ها به کار می‌روند. مقاومت در برابر سایش و خوردگی در محیط‌های آبی و محلول‌های اسیدی را بهبود می‌دهد. Ni 3 Al ب هتدریج جایگزین کبالت کران قیمت خواهد شد که امروزه به عنوان ماده اتصال دهنده به کار می‌رود. Ni 3 Al در صفحات مدار به عنوان هسته فلزی استفاده می‌شود تا حرارت بیشتری نسبت به صفحه Al 2 O 3 جذب کندتا بتواند روی صفحه اجزای بیشتری نصب شود. کاربردهای دیگر Ni 3 Al عبارت اند از: قلاب‌های لوله، لوله‌های کوره گاز شکن اتیلن، فیلترهای گازی، لوله‌های احتراق تشعشعی (شکل لوله‌های احتراق تشعشعی). تجهیزات شیشه سازی اتصالات کوره واگنی (شکل اتصالات کوره واگنی ریخته شده از آلیاژ Ni 3 Al،IC-438)، اتصال دهنده مواد قالب و ابزار، حرارت دهنده کوره و سایر کاربردهای زیر شده است. (شکل تثبیت کننده ترمز کامیون، آهنگری شده از جنس Ni 3 Al)، لوله‌های دیگ بخار، سبدهای کوره حمام نمک، ظروف نگه دارنده اسید سولفوریک، مخلوط کن‌ها و دیگر قطعات واقع در محلول‌های خورنده در سال‌های ۱۹۹۵ در آمریکا، ۵۰۰۰۰ پوند Ni 3 Al تولید شد.
مشخصات
آلیاژ پایه Ni 3 Al اولین آلیاژ بین فلزی بود که توسط ASTMطبق استاندارد A1002-99مشخصات استاندارد ریخته‌ها، آلیاژ منظنم نیکل –آلومینیوم (جدول حدود ترکیبات شیمیایی تعیین شده در استاندارد A1002-99برای ریخته‌های آلیاژ پایه Ni 3 Al) تایید شد.
جوشکاری
IC-221LA سیم جوش ژیشنهادی برای باز کاری آلیاژهای ریخته پایه Ni 3 Al در دمای کاری کمتر از (۱۴۷۲ درجه فارنهایت)۸۰۰ درجه سانتی گراد است. در دمایی بیش از۸۰۰ درجه سانتی گراد از سیم جوش IC-221W استفاده می‌شود. این سیم برای جوشکاری سطحی فولادهای زنگ نزن وآلیاژهای پایه نیکل دیگر نیز مناسب است. شرکت‌های Stoody و Polymet تولید کننده سیم جوش هستند (نمودار تغییرات استحکام تسلیم با دما درلوله‌های پرکننده جوش از جنس IC-122M)
عرضه‌کنندگان
تولیدکنندگان مختلفی سیم جوش و Ni 3 Al عرضه می‌کنند. آلیاژهای ریخته توسط شرکت‌های Alcon،Alloy Engineering and CastingوUnited Defence تولید می‌شوند.
دوشرکت آخر به همراه شرکت Sandsky قطعات ریخته‌گری شده به روش گریز از مرکز نیز تولید می‌کنند. شرکت Ametek پودر Ni 3 Al و شرکت‌های Stood وPolymet سیم جوش تولید و عرضه می‌کنند.
مواد وفرایند
یک فرایند جدید به نام Exomelt TM برای اطمینان از کافی بودن مقدار آلومینیوم در طی تولید Ni 3 Al ابداع شده است. در این فرایند حرارت ایجاد شده از واکنش گرمازا بین آلومینیوم ونیکل عناصر آلیاژی را که برای ایجاد چقرمگی و استحکام مطلوب به آلیاژ Ni 3 Al اضافه شده‌اند را ذوب می‌کند. (شکل طرح شماتیک کور فرایند Exomelt TM ).
ترتیب بارگذاری بوته بسیار مهم است. نیکل در کف بوته قرار داده می‌شود. روی آن عناصر آلیاژی ریخته می‌شود. سپس یک لایه نیکل ما بین دو لایه عمودی آلومینیوم قرار داده می‌شود. بوته تا(۱۴۷۲ درجه فارنهایت)۸۰۰ درجه سانتی گراد حرارت داده می‌شود تا آلومینیوم ذوب شود. آلومینیوم با نیکل واکنش داده وNiAlتشکیل می‌دهد. حرارت ایجاد شده NiAl(با دمای ذوب بیش از (۲۹۸۰ درجه فارنهایت)۱۶۳۹ درجه سانتی گراد را ذوب وقطرات آن روی آلومینیم باقی مانده می‌چکد. ادامه حرارت دهی در مجاورت نیکل کف بوته باعث تشکیل Ni 3 Al می‌شود.
چند لایه توضیح داده شده ویژگی مهم فرایند Exomelt TM (شکل ترتیب بارگذاری فرایند Exomelt TM ) است. در این فرایند از حرارت واکنش گرمازا برای پیش برد واکنش، کاهش انرپی ورودی واقتصادی بودن فرایند، کاهش مصرف انرژی ورودی واقتصادی بودن فرایند، کاهش مصرف انرژی به میزان ۳۰٪ تا۵۰٪ استفاده می‌شود. گرم شدن سریع اکسیداسیون عناصری آلیاژی را به حداقل می‌رساند وبا به حداقل رساندن زمان قرارگیری کوره در دمای بالا عمر کوره افزایش می‌یابد و المان‌های حرارتی در مقابل آلومینیوم حفاظت می‌شوند. ذوب در خلآ در فرایند Exomelt TM به کمک کرفته می‌شود زیرا همه عناصر آلیاژی رامیتوان در شروع فآیند اضافه کرد با این فرایند در هر بار ۳۰۰۰–۱۵۰ پوند Ni 3 Al تولید می‌شود.
خلاصه
نتیجه توسعه فرایندها و مواد جدید آلیاژ Ni 3 Al خواص سودمندومنحصر به فرد در مقایسه بادیگر آلیاژهای دما بلا است. تولیدکنندگان مختلفی قطعات Ni 3 Al مانند لوازم کوره، غلتک‌های فرایند فولاد ودیگر مقاطع واشکال برای کاربردهای دیگر تولید می‌کنند.