0
04136674922

آشنایی با آلومینیوم های آلیاژی پر کاربرد

نویسنده: احمد حاتمیان، عصر مواد


 

خواص منحصر به فردی که آلومینیوم و آلیاژهای آن در اختیار مهندسین قرار می دهد آن را به فلزی پر کاربرد تبدیل کرده است. آلومینیوم سبک وزن است ولی استحکام بعضی از آلیاژهای آن از فولاد ساختمانی هم بیشتر است. هدایت الکتریکی و گرمایی خوبی دارد و در اغلب محیط های کاری دارای مقاومت به خوردگی بالایی است. آلومینیوم می تواند به هر شکلی ریخته گری یا ساخته شود. آلومینیوم هم به صورت تقریباً خالص و هم به صورت آلیاژی کاربرد دارد.

چرا تقریباً خالص؟ چون رسیدن به آلومینیوم کاملاً خالص امری بسیار هزینه بر و دشوار است که شاید لزومی هم برای رسیدن به این میزان از خلوص نباشد. درجه خلوص آلومینیوم تجاری بین حداقل ۹۹٫۳ تا ۹۹٫۷ درصد تغییر می کند. آلومینیوم با خلوص بیشتر برای هادی های الکتریکی و ورق منعکس کننده به کار می رود. اگر ما به دنبال فلزی شکل پذیر هستیم باید سراغ همین آلومینیوم تقریباً خالص برویم، اما اگر آلومینیوم را برای یک کاربرد مهندسی نیاز داشته باشیم وارد دنیای آلیاژ های آن می شویم. آلومینیوم عمدتاً با مس، روی، منیزیم، سیلیسیم، منگنز و لیتیوم آلیاژی می شود.

 

آلیاژهای آلومینیوم به دو گروه کار شده و ریختگی تقسیم می شوند. تفاوت این دو گروه در چیست؟

آلیاژهای کار شده ابتدا به شکل شمش یا بیلت ریخته می شوند و سپس با کار مکانیکی گرم یا سرد به شکل نهایی در می آیند ولی آلیاژهایی که ریختگی هستند با ذوب ریزی به شکل نهایی خود می رسند (shape casting).

 

 

 

 

آلیاژهای کار شده

بیش از ۳۰۰ آلیاژ کار شده ی آلومینیوم وجود دارد که معمولاً ۵۰ نوع از آن ها کاربرد زیادتری دارند. این دسته از آلیاژهای آلومینیوم دارای خواصی نظیر مقاومت به خوردگی بالا، رسانایی حرارتی و الکتریکی بالا و مهم تر از همه نسبت استحکام به وزن بالای آن ها است. شاید تا به حال با آلومینیوم های سری ۲۰۰۰، ۶۰۰۰ و ۷۰۰۰ کار کرده باشید یا حداقل نامی از آن ها شنیده باشید. اگر می خواهید آشنایی بیشتری با این آلیاژها داشته باشید، ابتدا بهتر است مفهوم این نام گذاری در آلومینیوم ها را مرور کنیم.

 

سیستم نامگذاری آلومینیوم های کار شده:

نامگذاری آلومینیوم ها در استانداردهای آمریکایی بر اساس سیستم نامگذاری ANSI(American National Standards Institute) و AA (Aluminum Association) انجام گرفته و در استانداردها و کاربردهای صنعتی مورد پذیرش قرار گرفته است. در این سیستم، برای آلیاژهای آلومینیوم کار شده از یک نامگذاری ۴ رقمی استفاده می شود.

رقم اول نشان دهنده ی عنصر یا عناصر آلیاژی اصلی یا گروه آلیاژ طبق جدول زیر است. مثلاً رقم اول ۲ مربوط به آلیاژهای آلومینیوم – مس و رقم اول ۳ مربوط به آلیاژهای آلومینیوم – منگنز است.

  

سری

عنصر یا عناصر اصلی آلیاژی به همراه آلومینیوم
۱XXX آلومینیوم تقریباً خالص
۲XXX مس
۳XXX منگنز
۴XXX سیلیسیم
۵XXX منیزیم
۶XXX سیلیسیم و منیزیم
۷XXX روی
۸XXX عناصر کمتر متعارف مثل لیتیم

    

با ثابت ماندن مقدار ارقام اول، سوم و چهارم در این نامگذاری، رقم دوم نشان دهنده این است که تغییر یا اصلاحی روی آلیاژ با کم و زیاد کردن عناصر یا کاهش ناخالصی ها انجام گرفته یا نگرفته است. بدین صورت که اگر رقم دوم صفر باشد نشان دهنده آلیاژ اصلی و عدم اصلاح آن است. در صورتی که رقم دوم از ۱ تا ۹ باشد، نشان دهنده اصلاح آلیاژی است. برای نمونه به مثال زیر توجه کنید: آلیاژ آلومینیوم ۷۰۷۵ در ترکیب شیمیایی خود دارای ۶٫۱-۵٫۱ درصد روی، ۲٫۹-۲٫۱ درصد منیزیم و مقدار کمی کروم، مس، منگنز، آهن، سیلیسیوم و تیتانیوم است. در آلیاژ اصلاح شده ی ۷۱۷۵ مقدار برخی عناصر مثل آهن، سیلیسیوم، منگنز و تیتانیوم نسبت به آلیاژ ۷۰۷۵ کاهش یافته است. در آلیاژ اصلاح شده ی ۷۴۷۵، مقدار این عناصر بیشتر کاهش یافته ولی مقدار حداقل و حداکثر عنصر روی به میزان کمی افزایش یافته است.

    

مفهوم ارقام سوم و چهارم در گروه ۱، مقدار حداقل خلوص آلومینیوم است. برای مثال، ۱۰۷۰ نشان دهنده آلومینیوم با خلوص ۹۹٫۷۰، ۱۱۴۵ نشان دهنده آلومینیوم با خلوص ۹۹٫۴۵ و ۱۲۰۰ نشان دهنده آلومینیوم با خلوص ۹۹٫۰۰ است.

برخلاف سری ۱XXX، ارقام سوم و چهارم در گروه های ۲ تا ۸ معنی خاصی نداشته و تنها آلیاژهای یک گروه را از هم تفکیک می کند. مثلاً در آلیاژ ۷۰۷۵، ۷۵ دارای مفهوم خاصی نیست.

 

 

هر یک از گروه های آلومینیوم کار شده دارای ترکیب شیمیایی، ساختار، خواص مکانیکی، کاربرد و ویژگی های خاصی هستند. از بین این گروه ها، تنها سه گروه ۶XXX ،۲XXX و ۷XXX دارای قابلیت عملیات حرارتی هستند که این قابلیت، کاربرد آن ها را نسبت به بقیه افزایش داده است. در ادامه ی مطلب به معرفی کوتاهی از این سه گروه پرکاربرد از آلیاژهای مهندسی می پردازیم.

 

 

 

آلیاژهای کارپذیر گروه ۲XXX

این آلیاژها تا ۶ درصد مس دارند. اولین آلیاژ این گروه که در سال ۱۹۲۶ در آمریکا استفاده شد ۲۰۲۵ بود. پر کاربرد ترین و پر استحکام ترین آلیاژ این گروه ۲۰۲۴ است که در سازه های هواپیما کاربرد دارد. این گروه از آلیاژها جوش پذیر و دارای مقاومت به خوردگی تنشی مناسبی هستند. از آلیاژهای این گروه در قطعات خودرو، پیستون، سرسیلندر، سیم های کشنده و … استفاده می شود. آلومینیوم ۲۰۲۴ در شرایط تابکاری (آنیل) شده دارای حدود ۲۰۰ مگاپاسکال استحکام کششی است که این استحکام را تحت شرایطی می توان تا بیش از ۵۰۰ مگاپاسکال و در حد استحکاک کششی فولادهای پر استحکام ساختمانی افزایش داد. اما استحکام این آلیاژها ناشی از چیست؟ پاسخ این سوال را باید در رسوب سختی پذیر بودن آن ها جستجو کرد. اگر با این اصطلاح در مهندسی متالورژی آشنا نیستید می خواهم با یک مثال ساده شما را با رسوب سختی آشنا کنم:

دو جنگل را در نظر بگیرید. یک جنگل پر از درخت است ولی درختان جنگل دیگر تحت تاثیر فعالیت های مخرب بشر از بین رفته است. حال باران شدیدی سبب جاری شدن سیلی ویرانگر می شود. به نظر شما کدام جنگل زودتر تخریب و دچار فرسایش می شود؟ واضح است جنگلی که درختانش بریده شده است، بیشتر تخریب می شود، چرا که وجود درختان از سرعت حرکت و قدرت تخریب آب می کاهد.

در فلزاتی که قابلیت رسوب سختی دارند می توان با عملیات حرارتی، فازهایی سخت نظیر درختان جنگل ایجاد کرد که این فازها مشابه نقش درخت در جلوگیری از حرکت ویرانگر آب، مانع حرکت دسته ای خاص از اتم های درون فلز (نابجایی ها) که وظیفه تغییر شکل را به عهده دارند، می شوند. در نتیجه با کاهش تغییر شکل، استحکام آلیاژ را افزایش می دهند.

 

آلیاژهای کارپذیر گروه ۶XXX

عناصر اصلی آلیاژی در این گروه از آلومینیوم ها، سیلیسیم (حداکثر تا ۱٫۲ درصد) و منیزیم (حداکثر تا ۱٫۳ درصد) است. حضور سیلیسیم و منیزیم باعث تشکیل فازهای نیمه پایدار بین فلزی و رسوب سختی می شود. منگنز و کروم نیز اغلب به این آلیاژها اضافه می شود تا استحکام را افزایش داده و اندازه دانه ها را کنترل کند. اولین آلیاژ توسعه یافته از این گروه، آلومینیوم ۶۰۶۵ در سال های ۱۹۳۰ بود. سپس آلیاژ ۶۰۶۱ با حدود ۱ درصد منیزیم، ۰٫۶ درصد سیلیسیم، ۰٫۲ درصد کروم و ۰٫۲۷ درصد مس معرفی شد. آلومینیوم ۶۰۶۱ آلیاژی سازه ای برای کاربردهای عمومی با استحکام متوسط است و از پر کاربرد ترین آلیاژهای آلومینیوم است. در مقایسه با گروه ۲XXX، این آلیاژها استحکام پایین تری دارند. مقاومت به خوردگی این آلیاژها در تمام محیط های طبیعی و اغلب شرایط مصنوعی عالی است. این آلیاژها جوش پذیر هستند.

 

آلیاژهای کارپذیر گروه ۷XXX

این آلیاژها ۴ تا ۸ درصد روی و ۱ تا ۳ درصد منیزیم دارند. در آلیاژهای پر استحکامی که برای صنایع هوایی استفاده می شوند مس هم به این آلیاژها افزوده می شود. از کاربردهای این گروه آلیاژی می توان به سازه ها و قطعات هواپیما، سازه های جوشکاری شده با استحکام متوسط، بدنه ی کامیون ها و واگن های راه آهن اشاره کرد. بعضی آلیاژهای این گروه بیشترین استحکام را در بین آلیاژهای آلومینیوم دارند. معرفی آلومینیوم ۷۰۷۵، آلیاژ فوق العاده ی خانواده ۷XXX، در سال ۱۹۴۳ با افزودن کروم میسر شد. عنصر کروم مقاومت به خوردگی این آلیاژ پر کاربرد را افزایش می دهد. بد نیست بدانید که استحکام کششی و تنش تسلیم این آلیاژ پس از عملیات حرارتی مناسب می تواند به ترتیب به حداقل ۵۴۰ و ۴۷۵ مگاپاسکال یعنی به بیش از استحکام فولادهای ساختمانی برسد. از آلیاژهای دیگر این سری می توان به ۷۱۷۸، ۷۰۰۱، ۷۰۰۴ و ۷۰۰۵ اشاره کرد. این گروه از آلیاژهاجوش پذیر هستند.

 

آلیاژهای آلومینیوم به کار رفته در بدنه هواپیما

 

 

آلیاژهای ریختگی

آلیاژ های ریختگی همان طور که از نامگذاری آن ها مشخص است با ریخته گری به شکل نهایی خود می رسند و علاوه بر قابلیت هایی که یک آلیاژ کار شده دارد، دارای خواصی هستند که آن ها را مناسب ریخته گری می سازد. از جمله ی این خواص می توان به سیالیت مناسب مذاب، شرایط انجماد و تغذیه ی آسان در خلال انجماد اشاره کرد. به همین دلایل، ترکیب شیمیایی آلیاژهای ریختگی آلومینیوم با آلیاژهای کار شده ی آن متفاوت است. در نامگذاری آلیاژهای ریختگی آلومینیوم طبق استانداردهای آمریکایی، به جای چهار رقم از سه رقم استفاده می شود. رقم اول همچنان نشان دهنده عنصر یا عناصر اصلی آلیاژی طبق جدول زیر است. ارقام دوم و سوم در گروه اول نشان دهنده حداقل خلوص آلومینیوم است و در بقیه گروه ها معنی خاصی ندارند.

 

سری عنصر یا عناصر اصلی آلیاژی به همراه آلومینیوم
۱XX آلومینیوم تقریباً خالص
۲XX مس
۳XX سیلیسیم با مس و یا منیزیم
۴XX سیلیسیم
۵XX منیزیم
۶XX از این سری استفاده نمی شود
۷XX روی
۸XX قلع

 

ممکن است با نامگذاری XXX.X برای آلومینیوم های ریختگی هم رو به رو شوید. در این صورت، رقم بعد از ممیز شاخص شکل محصول است. برای این منظور صفر برای ریخته گری قطعه یا محصول نهایی (XXX.0) و ۱ برای ریخته گری شمش (XXX.1) به کار می رود.

آلیاژهای ریختگی تنها ۲۰-۱۵% از کل محصولات آلومینیم را شامل می شوند که حدود ۸۵% درصد آن ها هم از دو گروه ۳XX و ۴XX است.

آلیاژهای آلومینیوم-سیلیسیم سری ۴XX دارای نقطه ذوب پایین (دمای یوتکتیک ۵۷۷ درجه سانتیگراد) و سیالیت مذاب بالا بوده و در خلال انجماد، تغذیه آن ها عالی است. مهم ترین آلیاژهای این گروه، آلومینوم ۴۴۳ با ۶-۴٫۵ درصد سیلیسیم و آلومینیوم ۴۱۳ با ۱۳-۱۱ درصد سیلیسیم است. آلیاژ ۴۴۳ معمولاً در ماسه و قالب ریژه ریخته گری می شود و آلیاژ ۴۱۳ معمولاً برای ریخته گری دایکاست استفاده می شود. آلیاژهای این گروه عملیات حرارتی پذیر نیستند. استحکام آلیاژهای دوتایی آلومینیوم-سیلیسیم با افزودن مقدار کمی منیزیم (میانگین ۰٫۳۵ درصد) بهبود می یابد. آلیاژهای ریختگی آلومینیوم-سیلیسیم-منیزیم (سری ۳XX) عملیات حرارتی پذیر هستند و استحکام آن ها با رسوب سختی افزایش می یابد. مهم ترین آلیاژ ریختگی آلومینیوم سری ۳، آلیاژ ۳۵۶ است که دارای ۶٫۵-۷٫۵ درصد سیلیسیم برای ایجاد قابلیت ریخته گری و ۰٫۲۵-۰٫۴۵ درصد منیزیم برای ایجاد قابلیت عملیات حرارتی است. قابلیت جوشکاری آلیاژهای سری ۳ بهتر از سری ۴ است.

 

در صورتی که علاقمندید اطلاعات بیشتری در خصوص کاربردها و خواص آلومینیوم های ریختگی کسب کنید، پیشنهاد می کنم نوشته های زیر از عصر مواد را از دست ندهید:

 

 

 

برخی نوشته های مرتبط با آلومینیوم در عصر مواد:

 

 

ارسال دیدگاه