آلیاژهای مورد استفاده در پروفیل های سبک

[rkiahoseyni]

آلیاژهای مورد استفاده در پروفیل های سبک

 

 
مقدمه:

در دنیای امروز مواد سبک وزن به طور فزاینده‌ای در بخش‌های تولیدی، حمل و نقل، از جمله هواپیما، خودرو، کامیون‌های سنگین، راه‌آهن، کشتی‌ها و صنایع دفاعی حیاتی شده‌اند. فلزات سبک و آلیاژهای با نسبت استحکام به وزن بالا دارای چگالی کم هستند و به طور کلی بر خلاف فلزات سنگین دارای سمیّت کمی می باشند (به جز بریلیم). فلزات سبک از آلیاژهای آلومینیوم، بریلیم، تیتانیوم و منیزیم تشکیل شده است.
فلزات سبک اغلب برای مواد و عملیاتی استفاده می شوند که در آنها وزن سبک و ویژگی های عملکرد بهبود یافته مورد نیاز است. کاربردهای رایج شامل فرآیندهای شیمیایی، دریایی، هوافضا و کاربردهای پزشکی است. خودروهای سبک‌تر که برای مصرف‌کنندگان و همچنین بخش‌های صنعتی و نظامی طراحی شده‌اند، سوخت کمتری مصرف می‌کنند و عملکرد بهتری دارند. علاوه بر حمل بارهای بزرگتر، وسایل نقلیه سبکتر می توانند مسافتهای مشابهی را با هزینه کمتر طی کنند و دی اکسید کربن کمتری آزاد نمایند.
  

خواص فلزات سبک:

خواص آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم:

آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم فلزات غیرآهنی هستند که سبک وزن بوده و دارای خواص با استحکام بالا، شکل پذیری و مقاومت در برابر خوردگی عالی می باشند. آلومینیوم رسانای خوبی برای گرما و الکتریسیته است و همچنین به عنوان عنصر آلیاژی در آلیاژهای تیتانیوم و فولاد استفاده می شود. آلومینیوم سبکتر از تیتانیوم است اما به آن اندازه قوی نیست. آلیاژهای آلومینیوم دارای استحکام و انعطاف پذیری عالی هستند که با کاهش دما افزایش می یابد.
در دمای زیر صفر، اکثر آلیاژهای آلومینیوم تغییر جزئی در خواصی مانند مقاومت ضربه ای و مقاومت کششی نشان می دهند. عملکرد ممکن است افزایش یابد و ازدیاد طول ممکن است کمی کاهش یابد. آلیاژهای آلومینیوم انتقال شکل پذیر به حالت شکننده ندارند.

 
خواص منیزیم و آلیاژهای منیزیم:

مشابه آلومینیوم و آلیاژهای آن، آلیاژهای منیزیم نیز جزء فلزات غیرآهنی هستند که با استحکام متوسط، شکل پذیری خوب، چگالی کم و مقاومت در برابر خوردگی عالی مشخص می شوند. این مواد دارای خواص کششی و دیگر خواصی هستند که به عوامل متعددی مانند شرایط، ترکیب، عملیات حرارتی، جزئیات ساخت و غیره بستگی دارد.
منیزیم نقطه تسلیم مشخصی ندارد و آلیاژهای منیزیم مستعد بریدگی ها و سایر عوامل افزایش دهنده تنش هستند که به میزان قابل توجهی محدودیت های استقامت آنها را کاهش می دهند. مواد پایه منیزیم مدول الاستیسیته پایینی دارند و دارای واحد ارتجاعی بالایی هستند. برخلاف آلومینیوم مذاب، منیزیم مذاب با فولادهای ابزار واکنش نشان نمی دهد و در نتیجه منجر به طول عمر بیشتر می شود. همچنین کاهش حرارت ورودی و فرسایش کم آن باعث کاهش تمایل به خستگی حرارتی می شود.
 

خواص تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم:

تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم دارای نسبت استحکام به وزن بالا، خواص خستگی خوب و مقاومت در برابر خوردگی عالی هستند. تیتانیوم نیز به عنوان یک فلز نسوز در نظر گرفته می شود، به این معنی که در برابر حرارت و سایش بسیار مقاوم است. در کلر یا آب دریا دچار خوردگی نمی شود و یکی از فلزاتی است که در برابر آبزیان مقاوم است.
تیتانیوم خالص تجاری و آلیاژهای تیتانیوم غیر مغناطیسی هستند. رسانایی حرارتی همه آلیاژهای تیتانیوم برای یک فلز بسیار کم است. دما به طور قابل توجهی بر خواص فیزیکی تیتانیوم تأثیر می گذارد. گریدهای آلیاژ، عمدتاً مواد با استحکام بالا، در مقایسه با گریدهای خالص تجاری، می توانند استحکام کششی و مقاومتی را تا دماهای نسبتاً بالاتر حفظ کنند. آلیاژهای تیتانیوم بر خلاف استحکام کششی آن‌ها، دارای استحکام خستگی سیکل بالایی هستند. چقرمگی بر اساس بافت، ریزساختار، استحکام و ترکیب است که به هم مرتبط هستند.
 

خواص بریلیم و آلیاژهای بریلیم:

بریلیم یک عنصر آلیاژی مفید است. با چگالی کم، استحکام بالا، پایداری ساختاری و بازتابی مشخص می شود. بریلیم در بین فلزات از نظر سفتی منحصر به فردی که دارد، متمایز می گردد. این فلز در مقایسه با آلیاژهای فلزی سبک مانند منیزیم، آلومینیوم، تیتانیوم به عنوان دومین فلز کم تراکم شناخته شده است. بریلیم رسانایی حرارتی و گرمای ویژه بالایی دارد و از این رو در مقایسه با سایر فلزات اتلاف حرارت ویژه بسیار خوبی دارد. این فلز مدول یانگ فوق العاده بالایی دارد.
چگالی بریلیم 30٪ کمتر از آلومینیوم است، در حالی که سفتی آن 50٪ بیشتر از فولاد است. سفتی ویژه فلز حدود چهار برابر بیشتر از کامپوزیت ها و شش برابر بیشتر از سایر آلیاژها یا فلزات است. در شرایط محیطی معمولی و در دماهای بالا در برابر خوردگی مقاوم است.
 

تولید فلزات سبک

تولید آلومینیوم و آلیاژهای آن:

آلیاژهای آلومینیوم را می توان با نورد، ریخته گری، آهنگری، اکستروژن و کشش تولید کرد. اکستروژن گرم فلز آلومینیوم بسیار مهم است زیرا امکان تولید تقریباً هر نوع شکلی را در مقطع عرضی فراهم می کند. در این فرآیند، یک شمش از قبل گرم شده بر روی ظرف پرس سوار می شود و از طریق قالب فولادی پرس می شود. در حالی که بیشتر آلیاژهای آلومینیوم را می توان اکسترود کرد، آلیاژهای سری 6000 بخش عمده ای از اکستروژن تجاری را تشکیل می دهند و ترکیبی بهینه از سرعت و سهولت اکستروژن همراه با توانایی تشکیل مقاطع نازک و اشکال پیچیده با پرداخت سطحی خوب را فراهم می کنند.
اگرچه فرآیند اکستروژن همه کاره است، اما می تواند تنها اشکال دو بعدی را ارائه دهد. در مقابل، ریخته گری امکان تولید محصولات پیچیده سه بعدی را فراهم می کند. در طول چند سال گذشته یا بیشتر، کار توسعه بر روی فرآیند اکستروژن، توانایی ریخته‌گری‌ها را برای بکارگیری در کاربردهای با استرس قابل توجهی بهبود بخشیده است.
برای تولید این آلیاژها از روش های ریخته گری  شن و ماسه، دایکاست و قالب دائمی استفاده می شود. انتخاب فرآیند به کمیت ریخته‌گری‌های مورد نیاز، ویژگی‌ها، کیفیت و ملاحظات دارایی و استفاده نهایی بستگی دارد. قبلاً از دایکستینگ برای عملیات حرارتی استفاده نمی شد، اما با روش های پیشرفته این محدودیت برطرف شده است.
 

تولید منیزیم و آلیاژهای منیزیم:

منیزیم را می توان از طریق طیف وسیعی از تکنیک ها مانند ریخته گری شن و ماسه، ریخته گری قالب دائمی، ریخته گری تحت فشار بالا و ریخته گری فشرده و نیمه جامد تولید کرد. دایکاست رایج ترین روش ریخته گری برای منیزیم است. در این روش، اجزای جدار نازک و پیچیده با نرخ تولید بالا ایجاد می‌شوند که توسط محتوای گرمای کم در هر حجم فلز مذاب پشتیبانی می‌شوند. برای منیزیم از دستگاه های اتاق سرد و اتاق گرم استفاده می گردد.
برای اطمینان از عملکرد بهینه، می توان از سرعت های بالاتر شات برای منیزیم، به ویژه برای قطعات جدار نازک استفاده کرد. ریخته گری تحت خلاء یکی از انواع فرآیند دایکاست است که می تواند قطعاتی با خواص بهتر و تخلخل کمتر در مقایسه با فرآیند دایکستینگ سنتی ایجاد کند.
از روش های ریخته گری نیمه جامد نیز می توان برای ساخت منیزیم استفاده کرد، اما از گرانول های آلیاژ منیزیم به جای منیزیم مایع استفاده کرد. قالب گیری نیمه جامد معمولاً برای اجزای کوچکتر استفاده می شود.
هنگام ارزیابی فرآیندها و آلیاژهای مختلف برای ریخته‌گری منیزیم، چندین فاکتور باید در نظر گرفته شود تا از یک جزء با کیفیت بالا با هزینه کمتر اطمینان حاصل شود. این عوامل شامل هزینه های ابزار، عملیات پس از ریخته گری و کاربردهای نهایی می باشد. منیزیم همچنین به عنوان ساده‌ترین فلزات ساختاری برای ماشین‌کاری شناخته می‌شود و دارای استانداردهای ویژه ای برای بخش ابزار برش در مقایسه با ماشین‌کاری فلزات دیگر است.
 

تولید تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم:

فرآیند کرول فرآیند اصلی تولید فلز تیتانیوم است. در این روش، روتیل اصلی سنگ معدن با گاز کلر برای ایجاد تتراکلرید تیتانیوم تصفیه می شود، که متعاقباً خالص شده و از طریق واکنش با سدیم یا منیزیم به یک اسفنج فلزی تیتانیوم تبدیل می شود. اسفنج تیتانیومی در نهایت تحت یک فرآیند آلیاژی و ذوب قرار می گیرد. با این حال، این فرآیند پر زحمت است و آن را بسیار گران می کند. بعدها روشی برای تولید پودرهای آلیاژ تیتانیوم با کیفیت بالا ایجاد شد که برای پردازش این فلز به محصولات تجاری مؤثر بود. چندین مرحله در تبدیل اسفنج تیتانیوم خالص شده به شکلی مناسب برای اهداف ساختاری دخیل است. ادغام به شمش تیتانیوم در یک محیط آرگون یا خلاء انجام می شود. عناصر آلیاژی، اسفنج یا ضایعات بازیافتی به طور مکانیکی فشرده شده و به یک الکترود استوانه ای کشیده جوش داده می شوند که بعداً با عبور برق از آن در بوته مسی ذوب می شود. این شمش دوباره به روشی مشابه ذوب شده تا توزیع یکنواخت عناصر آلیاژی تضمین شود. 
یکی دیگر از فرآیندهای تثبیت، ذوب در اجاق سرد است که در یک محفظه خلاء یا آرگون متشکل از یک بوته مسی انجام می شود. گرمایش با مشعل های پلاسمای هلیوم یا آرگون یا یک پرتو الکترونی چندگانه حاصل می شود و فلز مذاب از روی لبه اجاق گاز عبور می کند و در نهایت به یک قالب مسی خنک شده با آب می رسد. فرآیند سردخانه برای جداسازی آلاینده های با چگالی بالا که در پایه اجاق جمع می شوند، مناسب است. سپس شمش های تلفیقی توسط تاسیسات فولادی به محصولات آسیاب مانند صفحه، لوله، میله، سیم، بیلت و غیره تبدیل می شوند.
 

تولید بریلیم و آلیاژهای بریلیم:

هیدروکسید بریلیم با خلوص بالا به عنوان ماده ورودی برای کاربردهای مهم عنصر مانند سرامیک بریلیا، آلیاژهای بریلیوم مس و تولید فلز بریلیم خالص عمل می کند. برای ایجاد فلز بریلیوم با خلوص بالا، فرم هیدروکسید ابتدا در بی فلوراید آمونیوم حل شده و سپس تا دمای 900 درجه سانتی گراد حرارت داده می شود و فلورید بریلیم مذاب به دست می آید. پس از ریخته‌گری بریلیم فلوراید در قالب، آن را با منیزیم مذاب در بوته‌ها ترکیب می‌کنند و سپس حرارت می‌دهند. این فرآیند بریلیم خالص را از سرباره منیزیم جدا می کند و کره های بریلیوم را تشکیل می دهد. سپس مقدار اضافی منیزیم با پردازش بیشتر آن در یک کوره خلاء سوزانده می شود و 99.99 درصد بریلیم خالص باقی می ماند.
کره های بریلیم معمولاً از طریق فشار ایزواستاتیک به پودر تبدیل می شوند و پودری تولید می شود که می تواند در تولید سپرهای فلزی بریلیم خالص یا آلیاژهای بریلیم-آلومینیوم به کار رود. فرآوری فلزات سبک فلزات سبک وزن به روش‌های مختلفی مانند فرآوری مذاب، پردازش پودر، پردازش حرارتی مکانیکی، شکل‌دهی، پوشش‌دهی و اتصال و مونتاژ پردازش می‌شوند. پردازش مذاب ریخته‌گری فلز، که شامل ریختن فلز مذاب در قالب و سپس سرد کردن آن برای جامد شدن جزء است، یک فرآیند قدیمی است و حتی امروزه پتانسیل زیادی برای حذف وزن از ساختارهای فلزی ارائه می‌دهد. سه روش پردازش مذاب پیشرفته وجود دارد: ریخته‌گری با دیواره نازک، ریخته‌گری با یکپارچگی بالا و ریخته‌گری با فلزات غیرمشابه. 
ریخته گری جداره نازک فرآیندی است که در آن می توان چندین نوع فلز مانند آلومینیوم و فولاد را ریخته گری کرد. با این حال، برخی از عوارض مانند حفظ جریان مناسب و جلوگیری از انجماد فلز قبل از پر کردن قالب هنگام کار با فلزات مذاب رخ می دهد. در ریخته‌گری با یکپارچگی بالا، محصولات خاص باید استانداردهای منحصربه‌فردی را داشته باشند، بدون ریزساختارها و تخلخل‌هایی که در سرتاسر قسمت ریخته‌گری وجود دارد.
 
گردآورنده: سیدرحیم کیاحسینی