ॲल्युमिनियम आणि तांब्याचे मिश्रधातू कसे बनवायचे
पेंडाहुलुआन
शुद्ध धातूपेक्षा उत्तम गुणधर्म मिळवण्यासाठी दोन किंवा अधिक धातूंचे घटक (किंवा धातूंना इतर घटकांसोबत) एकत्र करून बनवलेल्या पदार्थाला संमिश्र म्हणतात. उद्योगात मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाणारे एक संमिश्र म्हणजे ॲल्युमिनियम (Al) आणि तांबे (Cu) यांचे संमिश्र. हे संमिश्र त्याच्या आकर्षक गुणधर्मांच्या संयोजनासाठी ओळखले जाते: ॲल्युमिनियममुळे हलके वजन आणि चांगला गंज-प्रतिरोध मिळतो, तर तांब्यामुळे वाढीव मजबुती, कठीणपणा आणि झीज-प्रतिरोध प्राप्त होतो. औद्योगिक क्षेत्रात, Al–Cu संमिश्रांचा वापर विमानाचे घटक, वाहनांचे घटक, अभियांत्रिकी उपकरणे आणि ज्या संरचनांमध्ये उच्च मजबुती-ते-वजन गुणोत्तराची आवश्यकता असते, त्यांमध्ये सर्रासपणे केला जातो.
या लेखात, उत्कृष्ट यांत्रिक गुणधर्म मिळवण्यासाठी सामग्रीची तयारी, वितळवणे, मिसळणे, ओतकाम आणि उष्णता उपचार यांपासून सुरुवात करून ॲल्युमिनियम आणि तांब्याच्या मिश्रधातू बनवण्याच्या सामान्य प्रक्रियेची चर्चा केली आहे.
-
१. ॲल्युमिनियम-तांबे मिश्रधातूंची मूलभूत तत्त्वे
ॲल्युमिनियम आणि तांबे विविध प्रकारच्या रचनांचे मिश्रधातू बनवू शकतात. Al–Cu प्रणालीमध्ये, तांबे सहसा एका विशिष्ट मर्यादेतच मिसळले जाते (उदा. अनेक अभियांत्रिकी मिश्रधातूंमध्ये सुमारे २-१०% Cu), कारण तांब्याच्या नियंत्रित मिश्रणामुळे सॉलिड सोल्युशन हार्डनिंग आणि प्रेसिपिटेशन हार्डनिंग या यंत्रणांद्वारे मजबुती वाढू शकते.
तथापि, Al–Cu मिश्रधातूंमध्ये काही आव्हाने देखील आहेत: तांब्याचे योग्य संरक्षण किंवा प्रक्रिया न केल्यास ते ॲल्युमिनियमचा गंज-प्रतिरोध कमी करू शकते, आणि एकसंध मिश्रण सुनिश्चित करण्यासाठी व सच्छिद्रता आणि ऑक्साईडचे अंश यांसारखे दोष कमी करण्यासाठी वितळण्याच्या प्रक्रियेवर नियंत्रण ठेवणे आवश्यक असते.
-
२. आवश्यक साहित्य आणि उपकरणे
अ. साहित्य
१. शुद्ध अॅल्युमिनियम किंवा अॅल्युमिनियम इंगॉट (उदा. आवश्यकतेनुसार ९९% अॅल्युमिनियम किंवा मूळ अॅल्युमिनियम मिश्रधातू).
२. शुद्ध तांबे (तांब्याची कांडी/भुकटी/गोळी).
३. वितळलेल्या धातूमधील ऑक्साईड आणि घाण बांधून ठेवण्यास मदत करण्यासाठी फ्लक्स (स्वच्छताकारक).
४. वितळण्याच्या आणि वायू काढून टाकण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान ऑक्सिडीकरण कमी करण्यासाठी आर्गॉन किंवा नायट्रोजनसारखा निष्क्रिय वायू (ऐच्छिक).
ब. उपकरणे
१. वितळवण्याची भट्टी: ही विद्युत, इंडक्शन किंवा गॅस भट्टी असू शकते.
२. ग्रॅफाइट किंवा उष्णतारोधक पदार्थापासून बनवलेली मुशी (वितळवण्याचे पात्र).
३. तापमान नियंत्रणासाठी थर्मोकपल/तापमान मोजण्याचे उपकरण.
४. एकजीव करण्यासाठी धातूचा ढवळणी किंवा ग्रॅफाइटची कांडी.
५. साचा: उद्देशानुसार वाळूचा, कायमस्वरूपी धातूचा किंवा गुंतवणुकीचा साचा.
६. सुरक्षा उपकरणे: उष्णतारोधक हातमोजे, फेस शील्ड, ॲप्रन, सेफ्टी शूज.
-
३. प्रगलन करण्यापूर्वीची तयारीची अवस्था
अ. मिश्रधातूची रचना निश्चित करा
पहिली पायरी म्हणजे आवश्यक अंतिम गुणधर्मांनुसार ॲल्युमिनियम-तांबे (Al–Cu) यांचे मिश्रण निश्चित करणे. उदाहरणार्थ, जर मजबुतीमध्ये लक्षणीय वाढ अपेक्षित असेल, तर तांब्याचे प्रमाण वाढवता येते, परंतु असे करताना गंजरोधकता कमी होणे आणि विशिष्ट परिस्थितीत ठिसूळपणा वाढण्याची शक्यता यांसारख्या दुष्परिणामांचा विचार करणे आवश्यक आहे.
ब. कच्च्या मालाची स्वच्छता
ॲल्युमिनियम आणि तांबे तेल, धूळ, जाड ऑक्साईड किंवा इतर अशुद्ध पदार्थांपासून स्वच्छ केले पाहिजेत. या अशुद्धतेमुळे ओतकामात छिद्रता, भेगा किंवा अंतर्भाव यांसारखे दोष निर्माण होऊ शकतात.
c. साचा तयार करा
उष्णतेचा धक्का कमी करण्यासाठी आणि वितळलेल्या धातूचा प्रवाह सुलभ करण्यासाठी, साचा कोरडा असावा आणि आवश्यक असल्यास तो आधीच गरम केलेला असावा. दमट साच्यामुळे हानिकारक पाण्याची वाफ तयार होऊ शकते आणि ओतकामामध्ये छिद्रे पडण्याचे प्रमाण वाढू शकते.
-
४. वितळण्याची आणि मिसळण्याची प्रक्रिया
अ. अॅल्युमिनियम प्रगलन
सर्वसाधारणपणे, ॲल्युमिनियम प्रथम वितळवले जाते कारण त्याचा वितळणांक (सुमारे ६६०°C) तांब्यापेक्षा (सुमारे १०८५°C) कमी असतो. व्यवहारात, ॲल्युमिनियमला त्याच्या वितळणांकापेक्षा जास्त तापमानावर गरम केले जाते आणि एका विशिष्ट कार्यकारी तापमानापर्यंत पोहोचवले जाते (हे तापमान, साचा आणि ओतकामाच्या तंत्रावर अवलंबून, साधारणपणे ६६०°C पेक्षा काही दहा ते शंभर अंशांनी जास्त असते), जेणेकरून ते पुरेसे द्रवरूप होऊन मिसळण्यास सोपे जाईल.
ब. तांब्याचा समावेश
ॲल्युमिनियम पूर्णपणे वितळल्यानंतर तांबे घालता येते. खूप कमी तापमानात तांबे विरघळणे अधिक कठीण असल्यामुळे, तांबे लवकर विरघळावे आणि मिश्रधातू एकसंध व्हावा यासाठी वितळणबिंदूचे तापमान सामान्यतः पुरेसे जास्त ठेवले जाते. तापमानात अचानक मोठी घट टाळण्यासाठी आणि ऑक्सिडीकरण कमी करण्यासाठी ही प्रक्रिया हळूहळू केली जाते.
काही पद्धतींमध्ये, तांबे खालील स्वरूपात मिसळले जाऊ शकते:
– लवकर वितळवण्यासाठी लहान विटा, किंवा
– विरघळण्याची प्रक्रिया सुलभ करण्यासाठी आणि एकजीव होण्याची प्रक्रिया वेगवान करण्यासाठी मास्टर अलॉय (ॲल्युमिनियम आणि उच्च तांबे यांचे मिश्रण).
c. ढवळणे आणि एकजीव करणे
तांबे टाकल्यानंतर, वितळलेला धातू ग्रॅफाइट रॉड किंवा विशेष ढवळणीने ढवळला जातो. यामुळे तांब्याचे समान वितरण सुनिश्चित होते आणि मिश्रधातू थंड झाल्यावर होऊ शकणारे विलगीकरण (घटकांचे पृथक्करण) टाळले जाते.
ड. फ्लक्सिंग आणि डीगॅसिंग
ॲल्युमिनियम प्रगलन प्रक्रियेत ऑक्सिडीकरण ही एक सामान्य समस्या आहे, कारण ॲल्युमिनियमवर सहजपणे ऑक्साईडचा थर तयार होतो. ऑक्साईड आणि अशुद्धींना एकत्र बांधण्यासाठी फ्लक्सचा वापर केला जातो, जेणेकरून त्यांना मळी (स्लॅग) म्हणून वेगळे करता येईल. शिवाय, वितळलेले ॲल्युमिनियम सहजपणे हायड्रोजन शोषून घेते, ज्यामुळे ते घनीभूत झाल्यावर सच्छिद्रता निर्माण होऊ शकते. म्हणून, डीगॅसिंग प्रक्रिया (विरघळलेले वायू काढून टाकणे) कधीकधी वितळलेल्या धातूमधून आर्गॉनसारखा निष्क्रिय वायू बुडबुडवून केली जाते.
-
५. साच्यात ओतणे (कास्टिंग करणे)
अ. वरचा थर काढणे (मळी काढणे)
ओतण्यापूर्वी, ओतकामातील अशुद्धता कमी करण्यासाठी वितळलेल्या धातूच्या पृष्ठभागावरील मळ/धातुमल स्वच्छ (वरवरचा थर काढून) केला जातो.
ब. नियंत्रित ओतणे
वितळलेला धातू साच्यात एका स्थिर गतीने ओतला जातो. खूप वेगाने ओतल्यास प्रवाहात खळबळ निर्माण होऊ शकते, ज्यामुळे हवा अडकून सच्छिद्रता वाढते. खूप हळू ओतल्यास 'कोल्ड शट'चा धोका असतो (म्हणजे साच्याची पोकळी पूर्णपणे भरण्यापूर्वीच धातू घट्ट होतो).
c. थंड करणे आणि गोठवणे
ओतल्यानंतर, धातूला घट्ट होऊ दिले जाते. थंड होण्याच्या दराचा परिणाम कणांच्या आकारावर आणि यांत्रिक गुणधर्मांवर होतो. जलद थंड केल्याने बारीक कण तयार होतात, ज्यामुळे अनेकदा मजबुती वाढते, परंतु अवशिष्ट ताण आणि तडे जाणे टाळण्यासाठी यावर नियंत्रण ठेवणे आवश्यक आहे.
-
६. कास्टिंगनंतरची प्रक्रिया
अ. बुरशी काढणे आणि स्वच्छता
कास्टिंग साच्यातून बाहेर काढले जाते आणि त्यावर राहिलेली वाळू किंवा मोल्डिंग मटेरियल स्वच्छ केले जाते. गेट आणि रायझर कापून वेगळे केले जातात.
ब. उष्णता उपचार (हीट ट्रीटमेंट)
अनेक ॲल्युमिनियम-तांबे मिश्रधातूंची मजबुती वाढवण्यासाठी उष्णता उपचारांचा वापर केला जातो, जो प्रामुख्याने अवक्षेपण कठिनीकरणाद्वारे केला जातो. यातील सामान्य टप्पे खालीलप्रमाणे आहेत:
१. द्रावण उष्णता उपचार: मिश्रधातू गरम करणे जेणेकरून तांबे (Cu) ॲल्युमिनियमच्या मॅट्रिक्समध्ये विरघळेल.
२. शमन: अतिसंपृक्त घन द्रावणाला 'बंदिस्त' करण्यासाठी जलद थंड करणे.
३. एजिंग: एका विशिष्ट तापमानावर गरम करणे (किंवा नैसर्गिक एजिंगसाठी खोलीच्या तापमानावर ठेवणे) जेणेकरून बारीक अवक्षेप तयार होतील, ज्यामुळे पदार्थाला मजबुती येते.
तापमान आणि वेळेचे मापदंड हे मिश्रधातूची रचना आणि अपेक्षित गुणधर्मांवर (सामर्थ्य, तन्यता, कणखरपणा) मोठ्या प्रमाणावर अवलंबून असतात.
क. अंतिम प्रक्रिया
गरजेनुसार, मिश्रधातूवर खालील प्रक्रिया केल्या जाऊ शकतात:
– मशीनिंग
– पॉलिशिंग
– गंजरोधकता सुधारण्यासाठी कोटिंग/ॲनोडायझिंग करणे (तथापि, तांब्याच्या प्रमाणावर अवलंबून, ॲल्युमिनियम-तांबे मिश्रधातू ॲनोडायझिंगसाठी इतर ॲल्युमिनियम मिश्रधातूंसारखे नेहमीच आदर्श नसतात).
-
७. सामान्य समस्या आणि त्यावर मात कशी करावी
१. हायड्रोजनमुळे निर्माण होणारी सच्छिद्रता: वायू काढून टाकून आणि वितळलेला धातू स्वच्छ ठेवून यावर मात करता येते.
२. ऑक्साईडचे कण: फ्लक्सिंग, स्किमिंग आणि नॉन-टर्ब्युलेंट पोअरिंगने कमी केले जातात.
३. मिश्रणाचे विलगीकरण: योग्य ढवळणे आणि थंड करण्यावर नियंत्रण ठेवून टाळले जाते.
४. हॉट क्रॅकिंग: चांगल्या मोल्ड डिझाइन, योग्य रचना आणि थंड होण्याच्या दराच्या नियंत्रणाद्वारे नियंत्रित केले जाते.
-
निष्कर्ष
ॲल्युमिनियम आणि तांबे यांच्या मिश्रधातूंच्या उत्पादनामध्ये प्रामुख्याने सामग्रीची तयारी, ॲल्युमिनियम वितळवणे, तांबे मिसळणे, एकजीव करणे, वायू काढून टाकणे, ओतकाम आणि यांत्रिक गुणधर्म इष्टतम करण्यासाठी उष्णता प्रक्रिया यांचा समावेश असतो. यशस्वी प्रक्रियेची गुरुकिल्ली म्हणजे तापमान नियंत्रण, वितळलेल्या धातूची स्वच्छता, ओतण्याची योग्य तंत्रे आणि योग्य उष्णता प्रक्रियेची निवड. योग्य कार्यपद्धती वापरल्यास, ॲल्युमिनियम-तांबे मिश्रधातू विविध अभियांत्रिकी आणि औद्योगिक उपयोगांसाठी मजबूत, तुलनेने हलके आणि उच्च-मूल्यवान साहित्य तयार करू शकतात.
तुमची इच्छा असल्यास, मी या लेखाचे अधिक तांत्रिक आवृत्तीत (विशिष्ट मिश्रधातूंच्या रचना आणि त्यांच्या उष्णता प्रक्रियेच्या मापदंडांच्या उदाहरणांसह) किंवा शालेय अहवालासाठी सोप्या आवृत्तीत रूपांतर करू शकेन.
