آلیاژ های آلومینیوم و کاربردهای آن

آلیاژهای آلومینیوم به دلیل ویژگی‌های برجسته‌ای همچون سبکی، استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و رسانایی حرارتی و الکتریکی، از مواد پرکاربرد در صنایع مختلف محسوب می‌شوند. این آلیاژها با افزودن عناصر متنوعی مانند مس، منیزیم، روی و سیلیسیم تولید شده و در دو دسته کارشده و ریختگی طبقه‌بندی می‌شوند. هر سری از این آلیاژها خواص و کاربردهای منحصربه‌فردی دارند و نام‌گذاری آن‌ها بر اساس استانداردهای بین‌المللی انجام می‌شود. در این مقاله، ساختار، ویژگی‌ها و روش‌های نام‌گذاری آلیاژهای آلومینیوم بررسی شده است تا درک بهتری از این مواد ارزشمند ارائه شود.

آلیاژهای آلومینیومی چیست؟

آلیاژهای آلومینیوم معمولاً از ۹۰-۹۶٪ آلومینیوم تشکیل شده‌اند و به منظور بهبود خواص، یک یا چند عنصر دیگر به آن اضافه می‌شود. این آلیاژها علاوه بر عناصر اصلی، شامل عناصر فرعی با مقادیر کم هستند که تأثیر زیادی بر ویژگی‌های آن‌ها دارند. اگرچه بسیاری از فلزات می‌توانند با آلومینیوم آلیاژ تشکیل دهند، تنها تعداد کمی از آن‌ها در آلومینیوم حلالیت قابل توجهی دارند و به عنوان افزودنی‌های اصلی در آلیاژها استفاده می‌شوند. در میان عناصر آلیاژی رایج، روی، منیزیوم، مس و سیلیکون دارای حلالیت بالایی در آلومینیوم هستند. در این بین، تولید و هزینه آلیاژها بر قیمت ورق آلومینیوم تاثیر می‌گذارد.

انواع آلیاژ آلومینیوم

آلیاژهای آلومینیوم با ترکیب این فلز و سایر مواد ساخته می‌شود. نوع مواد موجود در ترکیبات آلیاژ و درصد آن‌ها، در ویژگی‌های متریال به‌دست آمده تأثیر بسزایی دارد. به‌همین‌ دلیل آلیاژهای آلومینیوم براساس این ویژگی‌ها کدگذاری شده‌اند و انواع مختلفی دارند. این آلیاژها با فرآیندهای مکانیکی مانند نورد و اکستروژن ساخته می‌شوند و آن‌ها را با سری‌های چهار رقمی از ۱۰۰۰ تا ۷۰۰۰ می‌شناسند. در ادامه توضیحاتی درباره هرکدام از سری‌های این آلیاژها ارائه می‌دهیم:

• سری ۱۰۰۰: این محصولات با نام آلیاژ خالص تجاری شناخته می‌شوند، رسانای الکتریکی و حرارتی هستند و مقاومت بالایی دربرابر خوردگی دارند.
• سری ۲۰۰۰: این آلیاژها باترکیب آلومینیوم و درصد بالای مس ساخته می‌شوند. استحکام این آلیاژ زیاد است، اما مقاومت کم‌تری دربرابر خوردگی دارد.
• سری ۳۰۰۰: این آلیاژ با ترکیب آلومینیوم و درصدی منگنز ساخته می‌شود. مقاومت دربرابر خوردگی و جوش‌پذیری عالی مهم‌ترین ویژگی‌های آلومینیوم سری ۳۰۰۰ است.
• سری ۴۰۰۰: این آلیاژ از ترکیب آلومینیوم و درصدی سیلیسیم ساخته می‌شود. آلیاژ سری ۳۰۰۰ در برابر سایش مقاوم است و انبساط حرارتی پایینی دارد.
• سری ۵۰۰۰: در ترکیبات این آلیاژ آلومینیوم و درصدی منیزیم وجود دارد و مقاومت آن دربرابر خوردگی مثال‌زدنی است.
• سری ۶۰۰۰: یکی از پرکاربردترین انواع آلیاژهای آلومینیوم در صنعت است که با ترکیب آلومینیوم، سیلیسیم و منیزیم ساخته می‌شود. استحکام، جوش‌پذیری و مقاومت دربرابر خوردگی مهم‌ترین ویژگی‌های این آلیاز است.
• سری ۷۰۰۰: این آلیاژ با ترکیب آلومینیوم و روی ساخته می‌شود، استحکام زیادی دارد اما دربرابر خوردگی چندان مقاوم نیست.

خواص آلیاژهای کارشده

آلیاژهای کارشده آلومینیوم به دلیل خواص ویژه‌ای مانند مقاومت بالا به خوردگی، رسانایی حرارتی و الکتریکی و… در صنایع مختلف بسیار پرکاربرد هستند. در ادامه به بررسی خواص آلیاژهای موردنظر می‌پردازیم.

• مقاومت به خوردگی: بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم به علت تشکیل طبیعی لایه‌ی اکسیدی چسبنده به سطح مقاومت به خوردگی اتمسفری و شیمیایی بالایی دارند. این مشخصه در آلیاژهای سری ۱xxx، ۳xxx، ۵xxx و ۶xxx بارزتر است.
• رسانایی حرارتی: آلومینیوم و آلیاژهای آن رسانایی حرارتی بالایی دارند و با اینکه نسبت به فولاد در دمای پایین‌تری ذوب می‌شوند، اما در صورت مجاورت با آتش دمای آن‌ها کندتر افزایش می‌یابد.
•  رسانایی الکتریکی: آلومینیوم و برخی از آلیاژهای آن رسانایی الکتریکی بسیار بالایی داشته و از این لحاظ در میان فلزات رسانای تجاری پس از مس در رده‌ی دوم قرار می‌گیرند.
• نسبت استحکام/وزن: آلومینیوم با چگالی کم خود برای ساخت آلیاژهای مهندسی مناسب است. گر چه استحکام آلیاژهای پایه آلومینیوم به اندازه استحکام قابل حصول در فولادها نیست ولی نسبت استحکام به وزن این آلیاژها بالا بوده و به این دلیل آلیاژهای تجاری آلومینیوم تعداد زیادی دارند. استحکام اغلب این آلیاژ را می‌توان از طریق رسوب‌سختی و یا کار گرم افزایش داد.
• چقرمگی شکست: بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم چقرم بوده و در کاربردهایی که مقاومت به شکست ترد و رشد ترک موردنیاز باشد بکار گرفته می‌شوند.
• کارپذیری: آلومینیوم و آلیاژهای آن را می‌توان در بسیاری از روش‌های فلزکاری که نیاز به کارپذیری دارند (مانند اکستروژن) بکار گرفت.
• سهولت اتصال: آلومینیوم و آلیاژهای آن را می‌توان با طیف گسترده‌ای از روش‌های تجاری معمول از قبیل جوشکاری، لحیم‌کاری، پیچ‌کاری، پرچ‌کاری و حتی میخ‌زنی به یکدیگر اتصال داد.
• قابلیت بازیافت: بازیافت آلومینیوم و آلیاژهای آن در میان مواد سازه‌ای بسیار ساده است و می‌توان پس از بازیافت آن‌ها را مستقیماً به صورت محصولات کیفیت بالا بکار برد.
• آلیاژهای ریختگی بطور کلی خواص آلیاژهای کارشده در آلیاژهای ریخته‌گی نیز وجود دارد ولی در انتخاب آلیاژهای ریخته‌گی خواص زیر اهمیت دارند:
• سهولت ریخته‌گری: این خصوصیت در سری سیلسیم بالای ۳xx.x بارز است. میزان بالای سیلسیم باعث جریان‌پذیری خوب و پرشدن قالب می‌شود. استحکام: آلیاژهای سری ۲xx.x استحکام بسیار بالایی دارند ولی ریخته‌گری آن‌ها سخت‌تر بوده و قابلیت پرداخت خوبی ندارند.
• پرداخت کار: سری ۵xx.x و ۷xx.x به علت قابلیت پرداخت خوب مورد توجه‌ هستند اما ریخته‌گری آنها از گروه ۳xx.x سخت‌تر است. نامگذاری آلیاژهای آلومینیوم ریختگی و کارشده توسط شماره‌های معینی مشخص می‌شوند. این شماره‌ها نشان می‌دهند که در فرآیند ساخت چه عناصری به آلیاژهای فوق اضافه‌شده و گروه ویژه‌ای از این فلزات را ساخته‌اند. ANSI و AA در سیستم نام‌گذاری ANSI و AA Aluminum Association برای آلیاژهای کارشده از یک مکانیزم شماره‌دهی چهاررقمی و برای آلیاژهای ریختگی از سیستم شماره‌دهی سه‌رقمی استفاده می‌شود که اولین عدد، معرف گروه‌بندی فلز و مهم‌ترین عنصر آلیاژی اضافه‌شده به آلیاژ است.

آلیاژهای کارشده

آلیاژهای آلومینیومی با ترکیبات مختلف، خواص متنوعی برای کاربردهای صنعتی دارند. در این بخش، سری‌های مختلف آلیاژهای کارشده و ریختگی را معرفی می‌کنیم.

• سری ترکیب ۱XXX آلومینیوم تقریباً خالص ۲XXX آلیاژ آلومینیوم و مس ۳XXX
• آلومینیوم منگنزدار ۴XXX آلومینیوم سیلیسیم‌دار ۵XXX آلیاژ آلومینیم و منیزیم ۶XXX
• آلیاژهایی با ترکیب منیزیم، سیلیسیم و آلومینیوم ۷XXX
• آلیاژهایی با ترکیب روی و آلومینیوم و منیزیم ۸XXX
• آلیاژ آلومینیوم با عناصر کمتر متعارف همچون لیتیم آلیاژهای ریختگی سری ترکیب ۱xx.x آلومینیوم تقریباً خالص ۲xx.x
• آلیاژ آلومینیوم و مس ۳xx.x آلومینیوم داری مس، سیلسیم و اندکی منیزیم ۴xx.x آلومینیوم سیلیسیم‌دار ۵xx.x
• آلیاژ آلومینیم و منیزیم ۶xx.x آلیاژهایی با ترکیب منیزیم، سیلیسیم و آلومینیوم
• ۷xx.x آلیاژهایی با ترکیب روی و آلومینیوم و منیزیم ۸xx.x آلیاژ آلومینیوم با عناصر کمتر متعارف همچون قلع و لیتیم

 علاوه بر شماره گذاری آلیاژها، برای مشخص کردن یک الیاژ نوع فرایند عملیات حرارتی یا فرایند ساخت آلیاژنیز مبنای شماره گذاری است. برای این نامگذاری از حروف انگلیسی در انتهای نام آلیاژ استفاده می‌شود، مثلا AA 2024-T4.این نام گذاری تحت استاندارد ملی آمریکا با شماره ANSI H35.1 و با عنوان سیستم تعریف شده تمپر نامیده می شود و برای تمامی روش‌های تولید کاربرد دارد. بسته به نوع فرآیند تولید یکی از حروف F برای بدون تغییر و حالت از تولید، O برای آنیل، H برای سخت کردن کرنشی، W برای عملیات حرارتی محلول سازی و T برای عملیات حرارتی دیگر از جمله رسوب سختی برای نامیدن آلیاژها بکار می رود. 

بصورت کامل تر: F برای حالت بدون تغییر و از تولید O برای حالت آنیل شده H برای حالت کرنش سخت شده

 (کار سرد شده): برای عدد اول در رده HXX H1 کرنش سخت شده بدون عملیات حرارتی H2 کرنش سخت شده و جزیی آنیل شده H3 کرنش سخت شده و پایداره شده از طریق عملیات حرارتی دمای پایین عدد دوم در رده HXX ( در صورت وجود) بیانگر مقدار سختی به دست آمده نسبت به حالت سختی حداکثر در آن عملیات سخت کاری است.

• HX2 بیانگر سختی به میزان ۱/۴ سختی حداکثر است.
• HX4 بیانگر سختی به میزان ۱/۲ سختی حداکثر است.
• HX6 بیانگر سختی به میزان ۳/۴ سختی حداکثر است.
• HX8 بیانگر سختی به میزان حداکثر است.
• HX9 بیانگر سختی بیشتر از سختی حداکثر است.

T برای حالتی است که آلیاژها تحت عملیات حرارتی قرار گرفته باشند.این حالت بیانگر تمپر هایی است که پایدار هستند ( البته به غیر از حالات Fو O یا H)، بر خلاف حالت نام گذاری W است.

• T1 سرد شده از یک فرایتد شکل دهی، با درجه حرارت بالا و پیر شده به صورت طبیعی
• T2 سرد شده از یک فرایتد شکل دهی، با درجه حرارت بالا، کار سرد شده و پیر شده به صورت طبیعی
• T3 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده، کار سرد شده و پیر شده به صورت طبیعی
• T4 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده و پیر شده به صورت طبیعی
• T5 سرد شده از یک فرایند شکل دهی با دمای بالا و پیر شده به صورت مصنوعی
• T6 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده و پیر شده به صورت مصنوعی
• T7 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده و پایدار شده
• T8 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده، کار سرد و پیر شده به صورت مصنوعی
• T9 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده، پیر شده به صورت مصنوعی و سپس کار سرد شده
• T10 سرد شده از یک فرایتد شکل دهی با درجه حرارت بالا، کار سرد شده و پیر شده به صورت مصنوعی در بعضی موارد پسوندهای رده T دارای اعدادی بیش از یک رقم هستند مانند AA 224-T351 یا AA 6061-T651 که در این صورت باید موارد زیر را در نظر داشت TX51 بیانگر تنش زدایی بوسیله کشش بعد از عملیات حرارتی عدد اول(عدد x)است. TX52 بیانگر تنش زدایی بوسیله تنش فشاری بعد از عملیات حرارتی عدد اول(عدد x)است.

TX54 بیانگر تنش زدایی بوسیله ترکیبیاز کشش و فشاربعد از عملیات حرارتی عدد اول(عدد x)است. TX6 بیانگر کار سرد به وسیله نورد تا کاهش ۶ درصد از سطح مقطع، بعد از محلول سازی و سرد کردن است. UNS در سیستم نامگذاری UNS یا سیستم یکپارچه نام گذاری، آلیاژها با یک عدد پنچ رقمی مشخص می گردد. برای تمامی آلیاژهای آلومینیوم اولین رقم ۹ است و چهار رقم بعدی مانند سیستم نام گذاری AA است. مثلا UNS 92XXX به آلیاژی از آلومینیوم و مس اشاره دارد.  

آلیاژهای آلومینیوم: کلیدی برای بهبود کیفیت و کاهش هزینه‌ها در صنعت

در نهایت، آلیاژهای آلومینیوم به دلیل ویژگی‌های منحصر به‌فردی همچون سبکی، مقاومت بالا در برابر خوردگی، رسانایی حرارتی و الکتریکی، و استحکام بالا، از پرکاربردترین مواد در صنایع مختلف به شمار می‌روند. این آلیاژها با ترکیب دقیق فلزات مختلف و بسته به فرآیند تولید، خواص متنوعی دارند که موجب استفاده گسترده آن‌ها در ساخت قطعات حساس و محصولات متنوع می‌شود. درک دقیق از انواع آلیاژها و فرآیندهای تولید آن‌ها می‌تواند در بهبود کیفیت و کاهش هزینه‌ها به ویژه در زمینه‌هایی مانند قیمت ورق آلومینیوم و صنعت ساخت‌وساز مؤثر باشد.