مس، اولین فلزی است که توسط انسان مورد استفاده قرار گرفت. پنج هزار سال پیش، یونانی ها و رومیان باستان، آن را از جزیره قبرس کنونی استخراج می کردند. یونانیان آن را به نام کالکو (Chalco) و رومیان به نام آیس (Aes) می شناختند و چون از جزیره قبرس استخراج می شد آن را آیس سیپریم (Cypirum) نامیدند. بعداً در زبان های مختلف اروپایی ، به دلیل تلفظ های متفاوت کلمه، سپیریم شکل های متفاوتی به خود گرفت، به طوری که امروز در انگلیسی آن را کوپر (Copper) و درآلمانی (Kupfer) و در فرانسه (Cuivre) می نامند.
این فلز، به دلیل سختی توأم با انعطاف پذیری، هدایت حرارتی و الکتریکی بالا، قبول عملیات مکانیکی گوناگون، شکل پذیری فوق العاده ، مقاومت در برابر خوردگی، رنگ های زیبا، غیرمغناطیسی بودن، قابلیت ریخته گری مناسب، لحیم کاری نرم و سخت، جوش پذیری، غیر سمی بودن، .... و نیز امکان تهیه آلیاژهای گوناگون در کنار سایر فلزات، به یک عنصر بسیار مفید و غیر قابل چشم پوشی در صنایع بشری آمده است.
مس با جرم اتمی 54/63 و ساختار (FCC) در 0c1083 ذوب می شود. این عنصر، به دلایل متالورژیکی، به عنوان حلال ترین فلز شناخته شده و به غیر از سرب، تقریباً کلیه عناصر با آن، قابلیت انحلال دارند.
از نظر شیمیایی، مس از فلزات نجیب به شمار آمده و در جدول تانسیون، پس از نقره قرار دارد. مس در مجاورت هوا و رطوبت، از یک قشر نازک اکسید مس که مخلوطی از CuO و Cu2O است پوشیده می شود. این قشر نازک، بقیه فلز را از اکسیده شدن محافظت می کند. اگر این اکسیدها مدت زیادی در مجاورت هوا قرار گیرند و یا سطح مس به شدت اکسیده شود، رنگ مایل به سیاه، آن ، به تدریج به رنگ سبز که مخلوطی از سولفات و یا کلرورهای قلیایی است تبدیل می شود که آن را زنگار (Patina) می گویند. هوای محیط، در تشکیل این ترکیبات بسیار مؤثر است. به طوری که اکثراً در نواحی صنعتی، ترکیبات سولفات به فرمول 3Cu(OH)2 و CuSo4 و در مجاورت دریاها ترکیبات کلروری مثل 3Cu(OH)2 و CuCl2 به وجود می آید.
مس مذاب، قابلیت انحلال شدیدی برای گازهای مختلف دارد و این پدیده، هنگام انجماد به سرعت کاهش می یابد. مقدار حل شدن گازها در مس، به درجه حرارت و فشار جزیی گازها در محیط خارج بستگی دارد.
گازها در مس بیشتر به صورت بیشتر به صورت اتمی حل می شوند. مقدار حلالیت گازها را می توان به صورت رابطه نمایش داد که در آن C مقدار گاز حل شده بر حسب سانتی متر مکعب در هر 100 گرم فلز مس بوده، P فشار جزئی گاز در محیط خارج و K ضریب ثابتی است که به درجه حرارت بستگی دارد. با توجه به رابطه بالا می توان نتیجه گرفت که افزایش دما با افزایش K و در نتیجه افزایش مقدار گاز حل شده مذاب رابطه مستقیم دارد.
بررسی حلالیت گازها در مس و آلیاژهای آن
گازهایی مثل اکسیژن، هیدروژن و ... در مس قابل حل بوده و تأثیراتی بر آن می گذارد و که بدین قرار است :
- حلالیت اکسیژن
اکسیژن، به صورت اتمی در درجه حرارت اوتکتیک 1065 درجه سانیتگراد حدود 009/0 درصد و درجه حرارت محیط حدود 002/0 درصد در مس قابل حل است. در صورتی که مقدار اکسیژن، این حدود باشد، با مس وارد ترکیب شده و اتکتیکی به صورت Cu-Cu2O با حدود 39/0 درصد اکسیژن تشکیل می دهد.
Cu-Cu2O شکل (1) دیاگرام تعادلی
شکل (2) حلالیت اکسیژن در مس
همانگونه که از منحنی های شکل (1) و (2) مشخص است، ترکیب اکسید فلزی Cu2O در درجه حرارت 1000 تا 1050 درجه سانتی گراد پایدار است. در درجه حرارت های پایین تر، این ترکیب به CuO تبدیل می شود. بنابراین پس از جوشکاری، براساس یکی از واکنش های زیر، CuO در اثر سرد شدن تشکیل خواهد شد.
2Cu2O + O2 4 Cu2O
Cu2O CuO +Cu
در اثر جوشکاری و در درجه حرارت های بالاتر از 1050 درجه سانتیگراد، Cu2O تجزیه شده و اکسیژن آزاد می کند که در اثر فعل و انفعالات شیمیایی جانشینی با سایر عناسر موجود، ترکیب شده و بخار آب و سایر اکسیدهای فلزی، تولید می کند.
همچنین در هنگام پیشگرم کردن و شروع جوشکاری در حرات های حدود 700 درجه سانتی گراد، مس با یک شعله سبز رنگ با اکسیژن محیط ترکیب شده و CuO تولید می کند :
که در درجه حرارت های بالاتر CuO حاصله بهCu2O تبدیل خواهد شد.
با توجه به این نتایج و بررسی انجام شده می توان گفت که مقدار جذب اکسیژن در مس مذاب به زمان بستگی دارد و از این رو، برای محافظت مس مذاب از ورود اکسیژن، بهترین روش استفاده از جوشکاری با سرعت بالا و وجود گازهای محافظ حوضچه است.
حلالیت هیدروژن
هیدروژن در مس مذاب، در 1083 درجه سانتیگراد به میزان 6 سانتی متر مکعب در هر 100 گرم از فلز حل می شود ولی در حضور عناصر آلیاژی مثل قلع، روی یا آلومینیوم این حلالیت به شدت کاهش می یابد. به طور مثال ، در آْلیاژ مس با 10 درصد آلومینیوم، حلالیت هیدروژن تا 50 درصد کاهش می یابد. جذب هیدروژن توسط حوضچه مذاب از منابع مختلف مثل هوای محیط، مواد مصرفی، رطوبت و چربی و غیره انجام می گیرد. با انجماد مس نیز، میزان حلالیت آن تا حدود کاهش می یابد. در صنعت مس، تأثیر هیدروژن چه در حالت مذاب و چه در حالت جامد، یکی از فاکتورهای مهم به حساب می آید. در حالت جامد، اگر مس در درجه حرارت های بالا با هیدروژن در تماس باشد، هیدروژن به دلیل دارا بودن شعاع اتمی بسیار کوچکتر نسبت به مس می تواند در مس نفوذ کرده و سپس تشکیل ملکول H2 بدهد و اگر در مس اکسیژن وجود داشته باشد، واکنش زیر حاصل خواهد شد :
بخار آب تولید شده بر خلاف هیدروژن، در مس نامحلول است و بنابراین در اطراف مرزدانه ها جمع و به علت تراکم و فشار زیادی که ایجاد می کند، مرزدانه ها را سست، ضعیف و شکننده می کند. (3). این خاصیت خطرناک به هیدروژن تردی شهرت پیدا کرده، بنابراین در زمان جوشکاری باید از قطعات مسی و پر کننده هایی استفاده کرد که قبلاً اکسیژن زدایی شده باشند.
شکل (3) هیدروژن تردی در مس
شکل (4) حلالیت هیدروژن در درجه حرارت های مختلف در مس
بر اساس آنچه گفته شد، نتیجه گرفته می شود که معمولاً هیدروژن مازاد بر حلالیت، به دو صورت در مس بروز می نماید:
- هیدروژن ملکولی که تحت تأثیر فشار داخلی و در جه حرارت مس مذاب انبساط یافته، و تخلخل های درشت در وسط جوش ایجاد می کند
- هیدروژن اتمی آزاد شده که در اثر فعل و انفعلاتی تولید بخار آب می کند و در واقع تأثیر مشترک هیدروژن و اکسیژن را به قطعه مسی به صورت تخلخل های ریز و پراکنده، تحمیل می کند.
نکته آخر این که در هر درجه حرارت، افزایش مقدار اکسیژن به تقلیل حلالیت هیدروژن و بالعکس منجر می شود. در نمودار شکل (5) نسبت حلالیت اکسیژن و هیدروژن در مس مذاب در دمای حدود 1200 درجه سانتی گراد، نشان داده شده است.
...
34 ص فایل WORD
دانلود مقاله قابلیت جوش پذیری و جوشکاری مس و آلیاژهای آن
