طبقه بندی آلیاژهای آلومینیوم
آلیاژهای
آلومینیم در حالت کلی به دو دسته کار پذیر و ریختگی تقسیم بندی می شوند و
هر کدام از این گروه ها به دو دسته عملیات حرارتی پذیر و غیر قابل عملیات
حرارتی تقسیم بندی می شوند.
آلیاژهای کارشده آلومینیم
مشخصات
و نامگذاری آلیاژهای آلومینیم در کشورهای مختلف متفاوت است و همین مسئله
انتخاب آلیاژهای آلومینیم برای کاربردهای مهندسی را دشوار می کند. علاوه بر
این، در برخی از کشورها، آلیاژها بر اساس توالی تاریخ تولید نامگذاری شده
اند. در سال 1970 سیستم نامگذاری بین المللی برای محصولات کار شده آلومینیم
معرفی شد که بر اساس دسته بندی جامعه آلومینیم آمریکا نامگذاری شده است.
نامگذاری آلیاژها کارشده آلومینیم در جدول زیر نمایش داده شده است.
آلیاژهای آلومینیم کارشده
آلومینیم با خلوص حداقل 99 درصد
1xxx
آلیاژهای آلومینیم با عناصر مهم آلیاژی
مس
2xxx
منگنز
3xxx
سیلیسیم
4xxx
منیزیم
5xxx
منیزیم - سیلیسیم
6xxx
روی
7xxx
عناصر دیگر
8xxx
استفاده نشده (رزرو)
9xxx
در میان آلیاژهای کار شده سه گروه2xxx ، 6xxx و 7xxx عملیات حرارتی پذیر هستند.
رقم
های سوم و چهارم در گروه 1xxx اهمیت بیشتری داشته و نشان دهنده حداقل خلوص
آلومینیم است. به عنوان مثال آلیاژ 1145 دارای حداقل خلوص 99/45% است. در
سایر گروه های آلیاژی رقم های سوم و چهارم مانند شماره سریال آلیاژ هستند.
رقم دوم، رابطه نزدیک میان آلیاژها را نشان می دهد. به عنوان مثال
آلیاژهای 5352، 5052 و 5252 از نظر ترکیب شیمایی اختلاف کمی دارند.
نمادهای معرف نوع عملیات حرارتی (T)
عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیم به شکل زیر تقسیم بندی می شود:
نمادهای معرف نوع عملیات حرارتی (T)
T1
به طور طبیعی پیر شده
T2
از دمای تولید خنک شده، کار سرد شده، پیرسختی طبیعی شده است. (فقط برای قطعات ریخته گری کاربرد دارد.)
T3
محلول سازی شده، کار سرد شده و تا شرایط پایدار به طور طبیعی پیر می شود.
T4
محلول سازی شده و تا شرایط پایدار به طور طبیعی پیر می شود.
T5
از دمای بالای فرآیند شکل دهی سردشده و به طور مصنوعی پیر شده است.
T6
محلول سازی شده و به طور مصنوعی پیر شده است.
T7
محلول سازی شده و پایدار شده است.
T8
محلول سازی شده، کار سرد شده و به طور مصنوعی پیر شده است.
T9
محلول سازی شده، به طور مصنوعی پیر شده و بعد کار سرد شده است.
T10
پیر سختی مصنوعی و بعد کار سرد شده است.
در انگلستان سه نوع نامگذرای اصلی برای آلومینیم و آلیاژهای آن استفاده شود:
1- مشخصات فنی استاندارد انگلیسی(BS) برای کاربردهای مهندسی عمومی
2- مشخصات فنی برای کاربردهای هوانوردی (گروه L)
3- مشخصات فنی DTD توسط وزارت تکنولوژی برای کاربردهای خاص هوانوردی
آلومینیم خالص تجاری (1xxx)
درجه
خلوص آلومینیم تجاری در محدوده 99/3 تا 99/7 درصد تغییر می کند. ترکیبات
نامحلول تجاری در آلومینیم خالص تجاری معمولا آهن و سیلیسیم است و مقدار
این ترکیبات به درصد خلوص و توزیع آن ها و هم چنین نوع و میزان محصول بستگی
دارد. برخی از آلیاژهای این گروه به همراه درصد خلوص کاربرد آن ها در
جدول زیرنمایش داده شده است.
ترکیب شیمیایی و کاربرد آلومینیم خالص تجاری
آلیاژ
درصد خلوص
کاربردها
1050
99/50
لوله های مارپیچ، اکسترود
1060
99/60
تجهیزات شیمیایی، تانکرهای راه آهن
1100
99/00
قطعات کار شده، ظرف تو خالی، مخازن کوچک
1145
99/45
ورق خازن ها-خازن های ظریف
1175
99/75
صفحات منعکس کننده
1200
99/00
لوله های مارپیچ، حدیده کاری شده
1230
99/30
روکش برای قطعات و ورق ها
1235
99/35
لوله برای مخازن
1350
99/50
هادی های الکتریکی
آلیاژهای غیر قابل عملیات حرارتی آلومینیم
- آلیاژهای آلومینیم -منگنز (3xxx)
حلالیت
منگنز در آلومینیم 1/82 درصد است ولی مقدار منگنز در آلیاژهای آلومینیوم
برابر با 1/25 درصد است. علت این اختلاف حضور آهن به عنوان ناخالصی است که
باعث کاهش حلالیت می شود. تنها آلیاژ پرمصرف آلومینیم – منگنز، آلیاژ 3003
است. افزودن منگنز به آلومینیوم از طریق تشکیل محلول جامد و توزیع ظریف
رسوب های نامحلول، استحکام آن را افزایش می دهد. افزدون یک درصد منیزیم
منجر به افزایش بیشتر استحکام می شود. آلیاژهای گروه 3xxx دارای استحکام
متوسط، انعطاف پذیری بالا و مقاومت خوردگی مطلوبی هستند. این آلیاژها برای
ساخت قوطی های نوشابه، وسایل آشپزخانه و پخت و پز به کار می روند.
- آلیاژهای آلومینیم-منیزیم (5xxx)
آلومینیم
و منیزیم در محدوده وسیعی از ترکیب شیمایی تشکیل محلول جامد می دهند و
آلیاژهای کارپذیری تولید می کنند که حاوی 0/8 الی 5 درصد منیزیم است.
مستحکم ترین آلیاژ این گروه 5456 است که استحکام کششی آن برابر با 310 مگا
پاسکال است. اگر در این آلیاژها مقدار منیزیم بیش از 4-3 درصد باشد،
فاز β یا Mg5Al8 روی مرز دانه ها و نوارهای لغزشی رسوب می کند و همین موضوع
منجر به خوردگی بین دانه ای و ایجاد ترک در اثر خوردگی تنشی می شود.
افزودن کروم و منگنز می تواند از این مسئله جلوگیری کند. این آلیاژها در
بدنه کامیون ها، مخازن بزرگ حمل بنزین، شیر و دانه های غلات، مخازن تحت
فشار (به خصوص در دماهای پایین) ، بدنه قایق های کوچک و کشتی های اقیانوس
پیما مورد استفاده قرار می گیرند.
آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر آلومینیم
- آلیاژهای آلومینیم-مس و آلومینیم-مس-منیزیم (2xxx)
تغییراتی
که در حین پیر کردن آلیاژهای آلومینیوم-مس رخ می دهد، بسیار بیشتر از سایر
آلیاژها مورد توجه قرار گرفته است، اما تنها چند آلیاژ تجاری بر پایه این
سیستم وجود دارد. آلیاژ 2011 قابلیت ماشین کاری خوبی دارد ولی امروزه آلیاژ
2219 به علت خواص مناسب تر، جای آلیاژ 2011 را گرفته است. آلیاژ 2219
دارای خواص کششی بالا، استحکام خزشی خوب و چقرمگی زیادی است.
آلیاژهای
آلومینیم-مس-منیزیم در سال 1906، به طور اتفاقی در برلین ساخته شدند و
تحقیقات انجام شده روی این آلیاژ منجر به پیدایش آلیاژ دورآلومین شد.
معمولا این آلیاژها و سایر آلیاژهای گروه 2xxx به وسیله روش نوردی با
آلومینیم یا آلیاژ آلومینیم- روی پوشش داده می شوند تا مقاومت به خوردگی
مطلوبی را ایجاد کنند. در یک استحکام کششی برابر، آلیاژهای گروه 2xxx از
آلیاژ های گروه 7xxx چقرمگی شکست پایین تری را نشان می دهند. دلیل این
مسئله، اندازه بزرگ ترکیبات بین فلزی در آلیاژهای 2xxx است. با کاهش
مقادیر آهن، سیلیسم و مس، چقرمگی شکست و انعطاف پذیری بهبود می یابد. این
آلیاژها در هواپیما و صنایع اتومبیل سازی به کار می روند.
- آلیاژهای آلومینیم-منیزیم-سیلیسیم (6xxx)
آلیاژهای
آلومینیم- منیزیم- سیلیسیم به عنوان آلیاژهای ساختمانی به کار می روند.
این آلیاژها دارای خواص جوش پذیری، مقاومت در برابر خوردگی و خوردگی تنشی
هستند. این آلیاژها بیشتر به صورت اکسترود شده به کار می روند. آلیاژهای
این گروه به سه دسته تقسیم بندی می شوند:
1-
آلیاژهایی با مقدار منیزیم و سیلیسیم بین 0/8 تا 1/2 درصد که به آسانی
اکسترود می شوند. محصول خروجی از اکستروژن قابلیت کوئنچ دارد و نیاز به
عملیات محلول سازی جداگانه نیست.
2-
آلیاژهای دو دسته دیگر حاوی مقادیر منیزیم و سیلیسم بیش از 1/4 درصد
هستند. این آلیاژها پس از اکسترود شدن به عملیات محلول سازی و کوئنچ نیاز
دارند.
3-
آلیاژهای دسته سوم دارای مقدار سیلیسمی بیش از مقدار مورد نیاز برای
تشکیل Mg2Si هستند. افزایش مقدار سیلیسم منجر به ریز شدن اندازه
ذرات Mg2Si و رسوب سیلیسم می شود و به پیرسختی کمک زیادی می کند.
- آلیاژهای آلومینیم-روی-منیزیم و آلومینیم-روی-منیزیم-مس (7xxx)
آلیاژهای
آلومینیم-روی-منیزیم در میان کلیه آلیاژهای آلومینیم بیشترین پتانسیل
پیرسختی را دارند. در آلیاژهای پر استحکام این گروه از مس به مقدار کمتر از
0/3 درصد، برای افزایش مقاومت به خوردگی تنشی استفاده می شود. آلیاژهایی
که فاقد مس یا دارای مقادیر اندکی مس هستند، به آسانی جوشکاری می شوند. این
آلیاژها در دمای محیط به طور قابل ملاحظه ای پیرسخت شده و محدوده وسیع
دمایی برای عملیات محلول سازی آن ها وجود دارد. بنابراین در هنگام جوشکاری،
استحکام آلیاژ بازیابی می شود و نیاز به عملیات حرارتی دیگری نیست.
آلیاژهای آلومینیم-روی-منیزیم در ابتدا برای ساخت پل های نظامی سبک مورد
استفاده قرار گرفتند. امروزه برای کنترل ساختار این آلیاژها از عناصر کروم،
منگنز و زیرکونیوم استفاده می شود.
آلیاژهای
آلومینیم-روی-منیزیم-مس بیشترین میزان پیرسختی را از خود نشان می دهند.
نیاز صنایع نظامی به استفاده از آلیاژهای هواپیمایی که نسبت استحکام به وزن
آن ها بالا باشد، در نهایت منجر به تولید آلیاژهای گروه Al-Zn-Mg-Cu شد.
آلیاژ 7075 شناخته شده ترین آلیاژ این گروه است. آلیاژهای کارشده آلومینیم
در میان آلیاژهای کار پذیر آلومینیم، آلیاژهای سری 2xxx، 6xxx،7xxx قابلیت انجام عملیات حرارتی را دارند.
در
میان آلیاژهای کار پذیر آلومینیم، آلیاژهای آلومینیم -منگنز (3xxx)
و آلیاژهای آلومینیم-منیزیم (5xxx) قابلیت انجام عملیات حرارتی را ندارند.
آلیاژهای ریختگی آلومینیم
بر
اساس استاندارد آمریکا، برای شناسایی این آلیاژها از چهار رقم استفاده می
شود. در گروه 1 دو رقم دوم و سوم حداقل درصد آلومینیوم را مشخص می کند و
رقم آخر پس از اعشار نشان دهنده شکل محصول است. اگر این رقم صفر باشد نشان
دهنده قطعه ریختگی و اگر یک باشد نشان دهنده شمش است. در گروه های 2 تا 9،
دو رقم دوم و سوم اعدادی هستند که معرف آلیاژهای مختلف آن گروه هستند.
آخرین رقم در این گروه ها نیز معرف شکل محصول است.
آلیاژهای آلومینیم ریختگی
آلومینیم با خلوص حداقل 99 درصد
1xx.x
آلیاژهای آلومینیم با عناصر مهم آلیاژی
مس
2xx.x
سیلیسیم با مس یا منیزیم
3xx.x
سیلیسیم
4xx.x
منیزیم
5xx.x
استفاده نشده (رزرو)
6xx.x
روی
7xx.x
قلع
8xx.x
عناصر دیگر
9xx.x
اگر
در آلیاژ اصلی و یا ناخالصی ها تغییری ایجاد شود، در ابتدای نام گذاری آن،
یک حرف از حروف الفبای انگلیسی اضافه می شود ولی، از
حروف I، O، Q و X استفاده نمی شود. از حرف X برای آلیاژهای تجربی و یا
آزمایشی استفاده می شود.
آلیاژهای ریختگی آلومینیم-سیلیسیم
از
جمله ویژگی های این گروه سیالیت بالا، مقاومت به خوردگی بالا، جوش پذیری
خوب و ماشینکاری دشوار است. هم چنین حضور سیلیسم، ضریب انبساط حرارتی را
کاهش می دهد. ترکیب یوتکتیک این سیستم برابر با Al-12/7% Si است. انجماد
آهسته آلیاژ خالص Al-Si منجر به تولید ریزساختار بسیار درشتی می شود که در
آن صفحات سیلیسیم در زمینه آلومینیوم قرار گرفته اند. اگر از ریخته گری
پیوسته که سرعت سرد کردن آلیاژ در آن زیاد است استفاده شود، ساختار این
آلیاژ ریز شده، سیلیسیم به شکل الیافی در آمده و در نتیجه، انعطاف پذیری و
استحکام کششی افزایش می یابد.
آلیاژهای ریختگی آلومینیم-مس
اغلب
آلیاژهای این گروه امروزه مورد استفاده قرار نمی گیرند و ترکیبات موجود از
عناصر آلیاژی دیگری نیز برخوردارند. برای ریخته گری این آلیاژ باید از
تغذیه های کافی استفاده شود تا نقصی در محصول نهایی پیش نیاید. این آلیاژها
خاصیت پیرسختی مطلوبی دارند. آلیاژهایی مانند 238 و 242 برای ساخت پیستون
دیزل و سر سیلندرهای موتور هواپیما به کار می روند. یکی از آلیاژهای جدید
این گروه که در آمریکا با نام 201 شناخته می شود، در ترکیب خود حاوی
مقادیری از نقره است. حضور نقره به طور چشمگیری فرآیند رسوب گذاری در آلیاژ
را تغییر می دهد و منجر به تشکلی رسوبات تتا (CuAl2) می شود.
آلیاژهای ریختگی آلومینیم-منیزیم
ویژگی
آلیاژهای این گروه مقاومت به خوردگی بالا، قابلیت ماشین کاری مطلوب و ظاهر
جالب آن ها پس از آبکاری است. به علت حضور منیزیم در این آلیاژ، اکسید شدن
در مذاب افزایش می یابد و باید کنترل زیادی در حین عملیات ذوب و ریخته گری
انجام شود. هم چنین بخار ناشی از رطوبت ماسه می تواند با منیزیم ترکیب شده
و منجر به تولید MgO و هیدروژن شود که موجب زبر شدن و تیرگی سطح قطعه می
شود. برای جلوگیری از این اتفاق، 5/1 درصد اسید بوریک به ماسه اضافه می
کنند، به این ترتیب یک لایه شیشه ای تشکیل می شود و از تماس بخار با مذاب
جلوگیری می کند. مقدار منیزیم در آلیاژهای این گروه بین 4 تا 10 درصد است.
اکثر این آلیاژها در قالب های ماسه ای ریخته گری می شوند.
آلیاژهای آلومینیم-روی-منیزیم
در
گذشته آلیاژهای آلومینیم روی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گرفتند
ولی امروزه به جز آلیاژهایی که به عنوان آند فدا شوند مورد استفاده قرار می
گیرند، بقیه آلیاژهای این گروه از رده خارج شده اند. امروزه ترکیباتی که
حاوی عناصر آلیاژی مس، کروم، آهن و منگنز هستند، مورد استفاده قرار می
گیرند. این آلیاژها از در قالب ماسه ای ریخته گری می شوند و در صورت
استفاده از قالب های دائمی، ترک داغ ایجاد می شود. نقطه ذوب یوتکتیکی این
آلیاژها نسبتا بالا بوده و همین ویژگی، این آلیاژها را برای لحیم کاری سخت
مناسب می کند. این آلیاژها هم چنین قابلیت ماشین کاری خوب و پایداری ابعادی
و مقاومت خوردگی مطلوبی دارند ولی این آلیاژها برای کاربردهای دما بالا
مناسب نیستند و در اثر پیر شدن بیش از حد نرم می شوند. آلیاژهای ریختگی
آلومینیم
از جمله آلیاژهای ریختگی آلومینیم می توان به موارد زیر اشاره کرد:
آلیاژهای ریختگی آلومینیم-سیلیسیم
آلیاژهای ریختگی آلومینیم-مس
آلیاژهای ریختگی آلومینیم-منیزیم
آلیاژهای ریختگی آلومینیم-روی-منیزیم
