هر آنچه که باید در مورد آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم بدانیم!
آلومینیوم عنصر شیمیایی با عدد اتمی ۱۳ و نشان شیمیایی AL است که در عین نرم و ضعیف بودن، فلزی نقره ای محسوب می گردد. این فلز قابلیت چکش پذیری دارد و پس از اکسیژن و سیلیسیوم فراوان ترین عنصر و فلز در سطح کره ی زمین است. این فلز را می توان در سنگ های معدنی از جمله بوکسیت و به صورت ناخالص یافت چرا که بسیار واکنش پذیر است. بعد از آهن کاربردی ترین فلز آلومینیوم است و تقریبا در بیشتر بخش های صنعت مورد کاربرد و اهمیت است. در ادامه بیشتر در مورد آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم توضیح خواهیم داد با آداک متال همراه باشید.
ویژگی های آلومینیوم
آلومینیوم باید با عناصر دیگری مانند مس، منیزیوم، منگنز و غیره ترکیب گردد و تشکیل آلیاژ دهد که هر یک خواص خاص به خود را دارند. از خواص آلومینیوم می توان به موارد زیر اشاره کرد:
۱- با توجه به این که فلزی سبک وزن است و از استحکام خوبی برخوردار است همین امر سبب گردیده تا بین سایر فلزات کاربرد بیشتری داشته باشد.
۲- به خوبی قابلیت جوشکاری، ماشینکاری، لحیم کاری نرم و سخت و پرس کاری دارد.
۳- با توجه به ویژگی های آلیاژهای آلومینیوم به راحتی قابل شکل دهی است.
۴- می تواند در مورد خوردگی به خوبی مقاومت نشان دهد و این خاصیت به پوشش اکسیدی تشکیل شده بر روی آن دارد. سطح آزاد آلومینیوم در محیط با اکسیژن ترکیب می گردد و یک لایه بسیار باریک از اکسید آلومینیوم به وجود می آید که اجازه نمی دهد اکسیژن به لایه زیرین تماس پیدا کرده و این اکسید شدن مانع خوردگی می گردد.
۵- در بسیاری از صنایع قابل استفاده است مانند صنعت هواپیماسازی و صنعت خودرو.
۶- نسبت به سایر فلزات از قیمت مناسب تری برخوردار است.
۷- قابلیت بازتاب بخش عمده ای از طول های مرئی که باعث شده در ساخت بازتابنده های نوری، امواج رادیویی، تشعشعات مادون قرمز نقش مهمی ایفا کند.
۸- هدایت حرارتی و الکتریکی بالا
کاربرد آلومینیوم
برای ساخت قطعات آلومینیومی می توان از روش های مختلفی استفاده کرد که رایج ترین آنها ریخته گری ماسه ای، ریخته گری تحت فشار، کار گرم، کار سرد، اکستروژن است. آلومینیوم معمولا در بازار به صورت مفتول، تسمه، ورق، میلگرد، فویل، لوله و پروفیل وجود دارد و منابع بازیافت آلومینیوم شامل خودرو، درب و پنجره، لوازم منزل و غیره است. در ادامه به کاربرد آلومینیوم اشاره کرده ایم:
۱- حمل و نقل: آلومینیوم چگالی پایین دارد از اینرو به دلیل این ویژگی در صنعت کشتیرانی، هواپیما سازی و خودروسازی و غیره کارایی دارد. جالب است بدانید با استفاده از این ویژگی کشتی های بسیار بادوام و زیبایی ساخته می شود.
۲- بسته بندی: آلومینیوم جاذب نیست و تراشه نمی شود و جزو فلزاتی است غیر سمی و به همین جهت برای تولید قوطی و فویل و غیره کاربرد دارد. در بسیاری از موارد برای حفظ و ماندگاری بیشتر مواد غذایی از ورق های آلومینیومی بسیار نازک استفاده می شود.
۳- ساختمان سازی: آلومینیوم فلزی سبک و ضد زنگ است و در ساختمان سازی مانند درب و پنجره مورد استفاده است. البته به تازگی در نماهای ساختمانی که سبک مدرن دارند طرفداران زیادی پیدا کرده است.
۴- لوازم خانگی: کاربرد دیگر این عنصر در وسایل برقی و عادی آشپزخانه است.
۵- خطوط انتقال برق: یکی دیگر از موارد کاربرد آلومینیوم در خطوط انتقال برق است.
۶- ساخت موشک با سوخت و دمازا: با توجه به خواص و آلیاژهای آلومینیوم از این عنصر در ساخت موشک نیز استفاده می شود.
عناصر آلیاژی بکار رفته در ساختار آلومینیوم
از آن جایی که آلومینیوم از استحکام کششی اندکی برخوردار است به همین دلیل با عناصر آلیاژی دیگر ترکیب می گردد. در ادامه به مهمترین آلیاژهای آلومینیوم اشاره کرده ایم:
مس ( uc): به مقدار ۵ درصد در آلیاژ سازی مورد استفاده قرار می گیرد ولی به طرز چشمگیری استحکام کششی را بالا می برد. در صنعت هواپیماسازی بیشترین کاربرد را دارد.
سیلیسیم ( is): نام تجاری ان آلپاکس است. این عنصر به دلیل حلالیت پایینی که در آلومینیوم دارد ترکیب بین فلزی ایجاد نمی کند و استحکام مناسبی نیز در پی ندارد اما با استفاده از این عنصر سیالیت افزایش یافته و نقطه ذوب و پارگی گرم را کم می کند. می بایست حداکثر تا ۱۳ درصد افزوده گردد. کاربرد آن در قطعات لباسشویی و دستگاه های الکتریکی است.
منیزیوم (gm): نام تجاری آن آلوماگ است.مقدار آن باید حداکثر ده درصد باشد. از آنجایی که این عنصر محلول جامد تشکیل می دهد در عین سبک بودن، قابلیت صیقل دادن و استحکام و سختی آلومینیوم و سیالیت مذاب را بالا میبرد.
روی (nz): روی به دلیل نقطه ذوب پایینی که دارد آلیاژ سازی را دچار اشکالاتی می کند و فقط کمتر از ۳ درصد مجاز به استفاده هستیم. در عین حال افزایش دهنده ی آلیاژ است.
قلع (ns): بهبود خاصیت ضد اصطکاکی و مفید بودن در کاربردهای یاتاقانی، بهبود خواص ماشین کاری و بهبود عمل رسوب سختی توسط این عنصر اتفاق می افتد. تا ۲۵ درصد قابلیت اضافه شدن دارد.
سرب (bp): وجود سرب باعث میشود خاصیت ماشین کاری بهبود پیدا کند. به همین دلیل از این عنصر به اندازه کافی استفاده می شود.
آهن (ef): این عنصر باعث بهبود مقاومت به ترک گرم ، کاهش چسبندگی قطعه به قالب، کاهش خاصیت شکل گیری می گردد.
منگنز (mn): منگنز انعطاف پذیری، استحکام، قابلیت ریخته گری را افزایش می دهد و حفره های انقباضی آلیاژ را کاهش می دهد.
کروم (rc): ترکیبات بین فلزی حاصل افزودن کروم حلالیت بسیار کمی در حالت جامد دارد. در برخی آلیاژها باعث بهبود مقاومت به خوردگی می شود.
نیکل (in): به تنهایی به شکل یک عنصر آلیاژی مستقل عمل نمی کند و باید عنصر دیگری مثل مس نیز حضور داشته باشد. با همراه شدن مس مقاومت در درجه حرارت بالا افزایش و ضریب انبساط حرارتی را کاهش می دهد.
فسفر (p): فسفر باعث ریز شدن فاز سیلیسیوم اولیه در آلیاژهای هایپریوتکتیک سیلیسیوم می شود.
تیتانیوم (it): نقش این عناصر ریز دانه کردن آلیاژهای آلومینیوم است.
استرانسیوم (rs): این عنصر مسبب اصلاح آلیاژهای یوتکتیک سیلیسیوم می گردد
آنتیموان (bs) و سدیم (an): مقدار اندکی از آنتیموان (bs) و سدیم (an) برای بهبود عملکرد سیلیسیم بسیار مناسب است.
طبقه بندی آلیاژهای آلومینیوم
برای اینکه بتوان درک آلیاژهای آلومینیوم را آسانتر کرد آنها را به دو دسته تقسیم بندی کرده اند. در زیر توضیح مختصری در مورد این دو دسته در اختیار شما قرار داده ایم:
۱- آلیاژهای کارپذیر (yolla throw): در این نوع آلیاژ پس از این که شمش اولیه تولید گردید طی عملیات شکل دهی به حالت های سرد و گرم مانند برشکاری، نورد، ماشین کاری و غیره قرار گرفته و تبدیل به محصول نهایی می گردد. ویژگی بارز این دسته مقاومت بسیار بالا در مقابل خورده شدن، کارپذیری خوب، آسانی و سهولت در شکل و اتصال دادن است. به دو روش مداوم و نیمه مداوم است. در روش مداوم کار با تراش شکل می گیرد و در نیمه مداوم کار قالبی است.
۲- آلیاژهای ریختگی (yolla genetic): محصول نهایی در این روش با ریخته گری تولید می گردد. برای دستیابی به خاصیت های لازم عناصر آلیاژی می بایست به مذاب افزوده گردد و برای تولید مذاب، مواد اولیه شارژ کوره شمش، قراضه ، قطعات برگشتی از تولیدات قبلی، آلیاژ سازها یا آمیژان ها هستند. از ویژگی های این دسته استحکام بالا و قابلیت پرداخت گری است.
- شمش اولیه: شمش هایی که در کارخانه ی ذوب آلومینیوم تولید می گردند ضمن داشتن خلوص بالا به صورت پوکه های مستطیل شکل با وزن ۱۵ تا ۲۰ کیلو گرم آماده می شوند که جهت آلیاژ سازی اصولا از شمش های روی، سیلیسیوم و منیزیم بهره گیری می شود.
- شمش ثانویه: برای تولید اینگونه شمش از قراضه ها و برگشتی ها ذوب می گردند و پس از آن تمیزکاری می گردند. به دلیل کیفیت بیشتری که نسبت به شمش های اولیه دارد معمولا گران قیمت تر نیز هست.
- قراضه ها: قراضه ها به دلیل اینکه مورد استفاده بوده است قبل بازیافت باید حتما تمیز کاری گردند
- برگشتی ها: پس از طی شدن مراحل تولید یا حتی پس از ارائه متوجه می شویم این قطعات معیوب هستند که باید به قسمت ریخته گری هدایت شوند
- آلیاژ سازها یا هاردنرها: اگر هدف افزودن عنصری با نقطه ذوب بالاتر یا پایین تر به مذاب باشد آلیاژ سازها فعال می شوند. اما عناصر با نقطه ذوب پایین که احتمالا باعث فشار بخار زیادی در زمان ریخته گری آلومینیوم هستند باید به وسیله هاردنر انجام گردند.
دسته بندی آلیاژها با توجه به عملیات حرارتی
هر کدام از آلیاژهای آلومینیوم بر حسب عملیات حرارتی به دو دسته ی دیگر قابل تقسیم است:
الف- عملیات حرارتی پذیر ( syolla elbataert taeh): سخت شدن آلیاژ در عملیات حرارتی پذیر به روش رسوب سختی است.
ب- عملیات حرارتی ناپذیر ( syolla elbataert non): سخت شدن آلیاژ در عملیات حرارتی ناپذیر به روش کار سرد است
نامگذاری آلیاژهای آلومینیومی بر اساس استاندارد APA
استاندارد یعنی دنیای صنعتی و مهندسی در مواردی به منطق مشترک برسند. از طریق استانداردها به راحتی می توان خواص، مواد، ترکیب آلیاژ را به صورت ساده بیان کرد. شناخته شده ترین استاندارد در مورد تقسیم بندی آلیاژهای آلومینیوم استاندارد آمریکایی AA است. بر اساس ترکیب عناصر آلیاژی نام گذاری انجام می گردد به این صورت که یک عدد چهار رقمی به آلیاژ نسبت داده می شود که عدد اول بیانگر نوع اصلی عنصر آلیاژی است که در دو نوع ریختگی و کارپذیر متفاوت است.
نماد گذاری آلیاژهای کارپذیر طبق استاندارد AA
آلیاژهای کارپذیر بر اساس این استاندارد به ۸ گروه دسته بندی می گردد که با عدد چهار رقمی نشان داده می شود. اعداد به ترتیب از سمت چپ نشان دهنده ی اطلاعات مشخصی هستند. عدد اول از سمت چپ نوع آلیاژ را نشان می دهد. عدد دوم دو حالت دارد یا صفر است یا اعداد ۱ تا ۹ که تعبیر آن به این صورت است که اگر صفر باشد یعنی آلومینیوم خالص و غیر آلیاژ شده است است و اگر بین ۱تا ۹ نشان دهنده ی این است که چند ناخالصی با میزان تعریف شده در آلومینیوم حضور دارند به عبارتی بر روی آلیاژ اصلی اصلاحاتی انجام شده است. عدد سوم نشان گر میزان خلوص آلومینیوم است. در انتها عدد آخر از سمت چپ نشان دهنده تفکیک آلیاژهای آلومینیوم از یکدیگر است. در زیر به صورت کامل نماد گذاری را در جداول توضیح داده ایم:
کاربرد |
عنصر اصلی آلیاژی |
گروه آلیاژی |
رسانای قوی الکتریکی، صنعت داروسازی، صنعت غذا، ساختمان سازی | الومینیوم | 1xxx |
صنعت هواپیمایی، صنعت خودرو سازی، فضاپیماها، ساخت پرچ و پیچ | مس | 2xxx |
ساخت وسایل صنایع شیمیایی، ساخت رادیاتور ، سقف ها | منگنز | 3xxx |
سیم جوشکاری و لحیم | سیلیسیم | 4xxx |
مخازن سوخت، قطعات موشک، بدنه قایق و کشتی | منیزیوم | 5xxx |
صنایع خودروسازی، کشتی سازی، بازیافتنی، ساخت پل ها | سیلیسیم – منیزیم | 6xxx |
به صورت گسترده در صنایع هوا و فضا | روی | 7xxx |
بستگی به خصوصیت هر یک | سایر عناصر | 8xxx |
خصوصیات هر کدام از موارد بالا به شرح زیر است:
Xxx1: نرم، مقاومت بالا در برابر خوردگی، رسانایی بالا در جریان برقی و حرارتی، پذیرش ماشینکاری، قابلیت جوش پذیری ، خواص پایین مکانیکی
xxx2: استحکام و سختی بالا، جوش پذیری و مقاومت خوب، قابلیت ریخته گری
xxx3: استحکام کششی و شکل پذیری بالا، مقاومت به خوردگی و قابلیت جوش پذیری
xxx4: نقطه ذوب پایین، استحکام متوسط، مقاومت در برابر خوردگی
xxx5: استحکام و مقاومت به خوردگی بالا، مقاومت حتی در دماهای بسیار پایین، جوش پذیری مناسب
xxx6: نرم بودن زیاد، مقاومت به خوردگی خوب، استحکام متوسط، جوش پذیری و شکل پذیری خوب
xxx7: مقاومت به خوردگی و جوش پذیری کمتر
xxx8: شامل الیاژهایی هستند که ذکر نشده اند مانند آهن
نماد گذاری آلیاژهای ریختگی طبق استاندارد AA
در این قسمت به نمادگذاری آلیاژهای آلومینیوم ریختگی مطابق با استانداردهای موجود اشاره کرده ایم:
عنصر اصلی آلیاژی |
گروه آلیاژی |
آلومینیوم تقریبا خالص | ۱xx.x |
آلومینیوم + مس | ۲xx.x |
آلومینیوم + مس + سیلیسیم و اندکی منیزیوم | ۳xx.x |
آلومینیوم + سیلیسیوم | ۴xx.x |
آلومینیوم + منیزیوم | ۵xx.x |
آلیاژی با ترکیب سیلیسیوم و منیزیم و آلومینیوم | ۶xx.x |
روی + آلومینیوم + منیزیوم | ۷xx.x |
سایر عناصر ( آلومینیوم با عناصر کمتر متعارف) | ۸xx.x |
در کنار نام آلیاژ ها معمولا علائم و نشانه های دیگری مورد استفاده قرار می گیرند که شرایط تولید و عملیات حرارتی اعمال شده است و به شرح زیر است:
شرح | کد اصلی |
عملیات محلولی شده | W |
عملیات حرارتی پیر سختی شده | T |
عملیات کرنش سختی شده | H |
عملیات آنیل شده | O |
عدم انجام عملیات خاص | F |