آلومینیوم و آلیاژ های آن
آلومینیوم فراوانترین فلز پوسته زمین است ولی اغلب، به صورت ترکیب با عناصر دیگر مثل آهن، سیلیسیم و اکسیژن مورد استفاده قرار میگیرد. بوکسیت، که اساسا اکسید آلومینیوم آبدار است، اساسیترین سنگ معدنی است که برای تولید این فلز بکار میرود. ابتدا اکسید آلومینیوم (آلومینا) خالص با کمک فرآیند بایر، از بوکسیت استخراج میشود. اکسید استخراجی، سپس در فرآیند هال و در مجاورت با یک حمام مذاب کریولیت به کمک آند و کاتد کربنی، احیا میشود و به صورت مذاب آلومینیوم در کف کوره الکترولیت قرار میگیرد.
پس از اینکه آلومینیوم خام با خلوص بالا تولید شد، حال میتوان با اضافه کردن عناصر آلیاژی مناسب، آلیاژهای آلومینیوم را در انواع مختلف تولید کرد. شمش آلومینیوم خام در کوره های مخصوصی مجدد ذوب میشود و عناصر مختلف آلیاژی به صورت آمیژان و با درصد وزنی مشخص به مذاب اضافه میشوند و پس از سرباره سازی و جدایش ناخالصیها، آلیاژ آلومینیوم مورد نظر تولید و آماده استفاده است.
با توجه به خواص این مواد، آلیاژهای الومینیوم را میتوان به دو دسته اصلی کار شده (wrought) و ریختگی (cast) تقسیم بندی کرد. در ادامه توضیحاتی در خصوص هر یک از این دستهها و معروفترین سریهای آلیاژی هر دسته ارائه شده است.
برای شناسایی این دسته از محصولات، از یک سیستم چهارتایی استفاده میشود. عدد اول، گروه آلیاژ را نشان میدهد، عدد دوم، اصلاح آلیاژ اصلی یا حدود ناخالصیها را نشان میدهد و دو عدد آخرتنها در سری ۱۰۰۰ نشانگر درصد خلوص عنصر آلومینیوم در داخل آلیاژ میباشد(به عنوان مثال، آلیاژ ۱۰۵۰ نشان دهنده یک آلیاژ آلومینیوم سری یک با ناخالصیهای بسیار کم و مقدار آلومینیوم ۹۹.۵ درصد است) و در مابقی گروههای آلیاژی نماد خاصی نبوده و صرفا” یک کد شناسایی میباشد.
آلیاژهای آلومینیم کار شده در ۷ سری دسته بندی میشوند که در ادامه مختصری از ویژگیها و خواص این ۷ سری آلومینیوم ارائه شده است. ویژگی اصلی تمامی این آلیاژها امکان شکل پذیری با فرآیندهای کار سخت مثل نورد یا اکستروژن است.
این سری به آلیاژهای آلومینیوم خالص تجاری هم معروفند و حداقل ۹۹ درصد آلومینیوم دارند. آلومینیوم در این خلوص به عنوان هادی الکتریسیته و ورق منعکس کننده نور به کار میرود. این آلیاژ بسیار نرم و چکش خوار است و به راحتی شکل میگیرد. اکثر این آلیاژها برای ساخت لوله های ظریف آلومینیومی و یا قطعات الکتریکی مثل صفحه خازنها مورد استفاده قرار میگیرند.
این نوع آلیاژها از ترکیب عنصر اصلی آلومینیوم با عنصر آلیاژی مس تولید میشوند. این نوع آلیاژها استحکام مناسبتر، خاصیت جوشکاری بهتر و مقاومت به خوردگی بالاتری دارند. همچنین قابلیت ماشینکاری آلیاژهای سری ۲۰۰۰، قابلیت تولید برخی قطعات ظریف مانند برخی از پیچهای مهندسی را فراهم میکند. علاوه بر مس، ترکیباتی از عناصری نظیر منگنز، وانادیوم، تیتانیوم و زیرکونیوم نیز در این موارد یافت میشود. همچنین قابلیت عملیات حرارتی آلومینیوم سری ۲۰۰۰ باعث میشود تا در یک ترکیب شیمیایی ثابت بتوان رنج گستردهای از خواص مکانیکی مورد نظر را مطابق با کاربرد مورد نیاز، بهدست آورد.
این دسته، به آلیاژهای آلومینیوم – منگنز هم معروفند. چرا که عنصر اصلی آلیاژساز آنها عنصر منگنز است. افزودن منگنز به آلومینیوم از طریق تشکیل محلول جامد و همچنین توزیع ظریف رسوبهای نامحلول، استحکام آن را افزایش میدهد. آلیاژهای سری ۳۰۰۰ آلومینیوم، برای نیازهای عمومی که استحکام متوسط و کارپذیری خوب مد نظر است به کار میروند. معروفترین آلیاژهای این گروه عبارتند از آلیاژهای ۳۰۰۳، ۳۰۰۴، ۳۰۰۵ و ۳۱۰۵ که برای ساخت برخی مخازن تحت فشار، مادهای مناسب محسوب میشوند.
این سری با کاربرد کم، از افزودن مقادیر محدودی سیلیسیم به آلومینیوم تولید میشوند. در بین سریهای هفتگانه آلیاژهای الومینیم، این مورد کمترین مقدار مصرف را دارد.
آلیاژهای آلومینیوم منیزیم، پایه آلیاژهای عملیات حرارتی ناپذیر ۵۰۰۰ را تشکیل میدهند. اگر چه منیزیم حلالیت چشمگیری در آلومینیوم دارد و حلالیت آن با کاهش دما، کاهش چشمگیری پیدا میکند، ولی آلیاژهای آلومینیوم منیزیم در مقادیر کمتر از ۰.۷ درصد منیزیم، رسوب سختی قابل توجهی از خود نشان نمیدهند. با وجود این، منیزیم از طریق تشکیل محلول جامد، استحکام آلومینیوم را به طور چشمگیری افزایش میدهد و موجب کار سختی قابل توجهی میشود. این بدین معناست که در صورت اعمال کار مکانیکی مثل نورد روی این آلیاژ، به دلیل تغییرات ریز ساختاری، استحکام آن به شدت افزایش مییابد. بسیاری از آلیاژهای سری ۵۰۰۰ به عنوان آلیاژهای نهایی و تزئینی به کار میروند. آلیاژهای آلومینیوم-منیزیم گستره وسیعی از استحکام، خاصیت جوشکاری و شکل پذیری خوب و مقاومت زیاد به خوردگی دارند. در این سری آلیاژی، هر چه استحکام بالاتر باشد، قابلیت جوش پذیری هم افزایش پیدا میکند.
شاید بتوان آلیاژهای سری ۶۰۰۰ را معروفترین آلیاژهای آلومینیوم کار شده یا کار پذیر دانست. این مواد با دارا بودن عناصری مثل منیزیم و سیلیسیم، علاوه بر قابلیت شکل پذیری بسیار خوب، استحکام مناسبی هم دارند. همین موضوع باعث شده تا برای تولید قطعات آلومینیومی به روش اکستروژن، از این آلیاژها استفاده شود. معروفترین اعضای این دسته عبارتنداز آلیاژهای ۶۰۶۱ و ۶۰۶۳ که مناسبترین ماده برای ساخت پروفیل درب و پنجرههای ساختمانی بهشمار میروند.
این دسته به دو زیر گروه آلیاژهای آلومینیوم-روی-منیزیم و آلیاژهای آلومینیوم-روی-منیزیم-مس تقسیم میشوند. عمده کاربرد این دسته، ساخت قطعات استراتژیک برای هواپیما، بالگرد و پهپاد است. برخی از این آلیاژها بیشترین استحکام را بین آلیاژهای آلومینیوم تجاری دارند. روی و منیزیم هر دو حلالیت زیادی در آلومینیوم دارند و معمولا منجر به رسوب سختی زیادی میشوند.