آلیاژ آلومینیوم چیست؟

آلومینیوم خالص، به دلیل نرمی و انعطاف‌پذیری بالا، برای بسیاری از کاربردهای صنعتی مناسب نیست. به همین دلیل، آلیاژ آلومینیوم مورد توجه قرار گرفته است و با ترکیب آلومینیوم و عناصر دیگر، مثل مس، منیزیم، سیلیکون، منگنز و روی، خواص مکانیکی و شیمیایی فوق‌العاده‌ای را اراده می‌دهد. آلیاژهای آلومینیوم، با وزن کم، استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت ماشین‌کاری عالی، در صنایع مختلفی مثل هوافضا، خودروسازی، ساختمان‌سازی و بسته‌بندی، کاربردهای گسترده‌ای دارند. آلیاژهای آلومینیوم، در مقایسه با فولاد آلیاژی، وزن کمتری دارند و در عین حال، استحکام قابل توجهی ارائه می‌دهند.

آلیاژ چیست؟

همان‌طور که می‌دانید، آلیاژ دارای ترکیباتی از عناصر آلیاژی است. این ترکیب‌ها، برای بهبود خواص ماده اولیه، مانند استحکام، مقاومت در برابر خوردگی، رسانایی الکتریکی یا خواص مغناطیسی، انجام می‌شود. فولاد آلیاژی، نمونه‌ای از آلیاژ توسعه یافته است.

آلیاژها را می‌توان به دو دسته کلی آلیاژ آهنی، که پایه آن آهن است و آلیاژ غیرآهنی، که پایه آن فلز دیگری مانند آلومینیوم، مس، نیکل، تیتانیوم یا منیزیم است، تقسیم‌بندی کرد. برای مثال، آلیاژ مس، به‌دلیل رسانایی الکتریکی عالی، در سیم‌کشی و صنایع الکترونیک استفاده می‌شود. آلیاژ منیزیم، به‌دلیل وزن کم، در ساخت قطعات خودرو و هواپیما مورد توجه است. حتی پلیمرها نیز می‌توانند با مواد دیگر ترکیب شده و آلیاژ پلیمری را تشکیل دهند.

اما چرا این ترکیب شیمیایی اهمیت دارد؟ زیرا آهن خالص، به‌تنهایی استحکام لازم را ندارد. پس فولاد آلیاژی، با ترکیب آهن و عناصری مانند کربن، منگنز و سیلیسیم، خواص بهتری می‌تواند ارائه دهد. این آلیاژ، استحکام و مقاومت لازم را برای تحمل بارهای سنگین فراهم می‌کند. بنابراین، آلیاژها با تغییر خواص مواد، امکان ساخت محصولاتی با عملکرد بهتر را فراهم می‌کنند.

آلیاژ آلومینیوم چیست؟

آلیاژ آلومینیوم، ترکیبی از آلومینیوم خالص با عناصر آلیاژی دیگر است. این عناصر، مانند مس، منیزیم، منگنز، سیلیسیم، قلع، نیکل و روی، برای بهبود خواص مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی به آن اضافه می‌شوند. آلومینیوم به‌صورت خالص، فلزی نرم و چکش‌خوار است و استحکام کافی برای بسیاری از کاربردهای مهندسی را ندارد. اما با تشکیل آلیاژ، این فلز سبک، به ماده‌ای مستحکم و مقاوم تبدیل می‌شود.

روش تولید آلیاژ آلومینیوم

فرآیند ساخت آلیاژ آلومینیوم، شامل ذوب آلومینیوم و سپس افزودن عناصر آلیاژی به آن در دما و شرایط کنترل شده است. نسبت هر عنصر در آلیاژ، تاثیر مستقیمی بر خواص آن دارد. برای مثال، افزودن مس به آلومینیوم، استحکام و سختی آن را افزایش می‌دهد. در حالی‌که افزودن منیزیم، مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می‌بخشد. پس از ترکیب عناصر، مذاب حاصل، به شکل شمش یا بیلت ریخته‌گری می‌شود و سپس برای تولید محصولات مختلف، تحت عملیات شکل‌دهی مانند نورد، اکستروژن یا فورج قرار می‌گیرد.

چرا از آلیاژ آلومینیوم استفاده می‌شود؟

آلیاژ آلومینیوم، نسبت استحکام به وزن بالایی دارد. یعنی در عین سبکی، بسیار مقاوم بوده و برای همین، گزینه‌ای مناسب برای ساخت هواپیما و قطعات خودرو است. قابلیت جوشکاری و شکل‌پذیری عالی نیز از دیگر خصوصیات این آلیاژها است. به‌راحتی می‌توان آن‌ها را به اشکال مختلف درآورد و به یکدیگر متصل کرد.

مقاومت در برابر خوردگی، یکی دیگر از ویژگی‌های مهم آلیاژهای آلومینیوم است. این آلیاژها در محیط‌های مرطوب و خورنده، به خوبی مقاومت می‌کنند. هدایت الکتریکی و گرمایی خوب و همچنین قابلیت انعکاس نور و گرما، از دیگر خواص آلیاژهای آلومینیوم هستند. علاوه‌برآن، آلومینیوم غیرسمی است و برای سلامتی انسان خطری ندارد. بنابراین، آلیاژهای آلومینیوم، موادی ارزشمند با کاربردهای مختلف در صنایع مختلف هستند.

مزایا و معایب آلومینیوم

آلیاژهای آلومینیوم، مثل هر ماده‌ی دیگری، در کنار مزایای فراوان، معایبی نیز دارند که عبارتند از:

مزایا

همان‌طور که اشاره شد آلیاژ آلومینیوم، در عین سبکی، از استحکام قابل توجهی برخوردار است. کاهش وزن در صنایع مختلف، به معنی کاهش مصرف سوخت است.
آلیاژهای آلومینیوم، به‌طور طبیعی در برابر خوردگی مقاوم هستند. لایه‌ی نازک اکسید آلومینیوم که بر سطح آن‌ها تشکیل می‌شود، مانند یک سپر محافظ، از فلز زیرین در برابر عوامل خورنده محافظت می‌کند.
هدایت حرارتی و الکتریکی بالایی دارد.
به‌راحتی قابل ماشینکاری هستند و می‌توان آن‌ها را به اشکال مورد نظر درآورد.

معایب

هزینه‌ی تولید آلومینیوم، نسبت به برخی فلزات دیگر، مانند فولاد، بالاتر است.
استحکام آلومینیوم در دمای بالا کاهش می‌یابد. بنابراین، برای کاربردهای دما بالا، مناسب نیستند.
جوشکاری برخی از آلیاژهای آلومینیوم می‌تواند پیچیده باشد و نیازمند تجهیزات و مهارت خاصی است.
در مقابل خستگی (شکست در اثر بارگذاری تکراری) نسبت به فولاد، مقاومت کمتری دارند.

انواع آلیاژ آلومینیوم

این آلیاژها به دو دسته‌ی اصلی کارشده (Wrought) و ریختگی (Cast) تقسیم‌بندی می‌شوند. هر دسته نیز شامل سری‌های مختلفی است که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند.

آلیاژهای آلومینیوم کارشده (Wrought)

این آلیاژها قابلیت شکل‌پذیری از طریق فرآیندهایی مانند نورد و اکستروژن را دارند. برای شناسایی آن‌ها، از یک سیستم چهار رقمی استفاده می‌شود.

رقم اول، گروه آلیاژ را مشخص می‌کند.
رقم دوم، اصلاح آلیاژ اصلی یا حدود ناخالصی‌ها را نشان می‌دهد.
دو رقم آخر نیز بیانگر میزان خلوص آلومینیوم در آلیاژ هستند.
برای مثال، در آلیاژ 1050، رقم اول (1) نشان‌دهنده‌ی سری 1000 و خلوص 99.5% آلومینیوم است.

سری 1000، آلومینیوم خالص تجاری

این سری شامل آلیاژهایی با حداقل 99% آلومینیوم است. به‌دلیل خلوص بالا، رسانایی الکتریکی و انعکاس نوری بسیار خوبی دارند. نرم و چکش‌خوار بوده و به‌راحتی شکل می‌گیرند. از کاربردهای آن‌ها می‌توان به ساخت لوله‌های ظریف، قطعات الکتریکی و ورق‌های منعکس‌کننده اشاره کرد. مثال‌هایی از این سری عبارتند از: 1050، 1060 و 1100.

سری 2000، آلومینیوم-مس

عنصر اصلی آلیاژی در این سری، مس است. افزودن مس به آلومینیوم، استحکام، سختی و قابلیت جوشکاری آن را افزایش می‌دهد. قابلیت ماشینکاری خوبی داشته و برای ساخت قطعات ظریف مانند پیچ‌های مهندسی مناسب هستند. آلیاژهای 2011، 2025، 2219 و 2419 از جمله اعضای این سری هستند. همچنین قابلیت عملیات حرارتی دارند که امکان تنظیم خواص مکانیکی را فراهم می‌کند.

سری 3000، آلومینیوم-منگنز

در این سری، منگنز عنصر اصلی آلیاژی است. افزودن منگنز، استحکام آلومینیوم را افزایش می‌دهد. این آلیاژها برای کاربردهای عمومی که استحکام متوسطی نیاز است، مناسب هستند. از معروف‌ترین آلیاژهای این گروه می‌توان به 3003، 3004 و 3005 اشاره کرد که برای ساخت مخازن تحت فشار مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سری 4000، آلومینیوم-سیلیسیم

این سری، با افزودن سیلیسیم به آلومینیوم تولید می‌شود. کاربرد این سری نسبت به سایر سری‌ها کمتر است. معمولاً در صورت نیاز به حضور سیلیسیم، از سری 6000 که شامل منیزیم و سیلیسیم است، استفاده می‌شود.

سری 5000، آلومینیوم-منیزیم

منیزیم، عنصر اصلی آلیاژی در این سری است. افزودن منیزیم، استحکام و مقاومت در برابر خوردگی آلومینیوم را افزایش می‌دهد. این آلیاژها قابلیت جوشکاری خوبی دارند و بسیاری از آن‌ها به‌عنوان آلیاژهای تزئینی استفاده می‌شوند. آلیاژهای 5052، 5083 و 5086 از جمله اعضای این سری هستند.

سری 6000، آلومینیوم-منیزیم-سیلیسیم

این سری، از معروف‌ترین و پرکاربردترین آلیاژ آلومینیوم کارشده است. ترکیب منیزیم و سیلیسیم، استحکام و شکل‌پذیری خوبی به این آلیاژها می‌دهد. آلیاژهای 6061 و 6063، که برای ساخت پروفیل‌های درب و پنجره استفاده می‌شوند، از جمله اعضای معروف این سری هستند.

سری 7000، آلومینیوم-روی

این سری شامل آلیاژهای با استحکام بسیار بالا است. روی، عنصر اصلی آلیاژی در این سری است و باعث افزایش استحکام می‌شود. آلیاژهای 7075 و 7050، که در صنایع هوافضا کاربرد دارند، از جمله اعضای این سری هستند.

آلیاژهای آلومینیوم ریختگی (Cast)

این آلیاژها برای ریخته‌گری در قالب طراحی شده‌اند و خواصی مانند سیالیت و تغذیه‌پذیری خوبی دارند. برای شناسایی آن‌ها از یک سیستم سه یا چهار رقمی استفاده می‌شود.

رقم اول، گروه آلیاژ را مشخص می‌کند.
دو رقم بعدی، نشان‌دهنده میزان خلوص آلومینیوم نیستند و برای تمایز آلیاژها در یک گروه استفاده می‌شوند.

سیلیسیم، به‌دلیل بهبود خواص ریخته‌گری، در تمامی این آلیاژها وجود دارد. سری‌های اصلی آلیاژهای ریختگی عبارتند از: ۲۰۰، ۳۰۰، ۴۰۰، ۵۰۰، ۷۰۰ و ۸۰۰ و… . هر کدام از این سری‌ها با عناصر آلیاژی مختلفی مانند مس، سیلیسیم، منیزیم، روی و قلع تولید می‌شوند و کاربردهای خاص خود را دارند. برای مثال، سری 400 که حاوی سیلیسیم است، برای ریخته‌گری قطعات با هندسه‌ی پیچیده استفاده می‌شود. سری 300 نیز که حاوی سیلیسیم و مس یا منیزیم است، از پرکاربردترین آلیاژهای ریختگی محسوب می‌شود.
کاربردهای آلومینیوم در صنعت

آلیاژ آلومینیوم، به‌دلیل خواص عالی خود، در بخش وسیعی از صنایع کاربرد دارد که شامل:
صنایع حمل‌ونقل

در صنعت هوافضا، آلومینیوم برای ساخت بدنه و بال‌های هواپیما مورد استفاده قرار می‌گیرند. در صنعت خودروسازی نیز، این آلیاژها در ساخت قطعات موتور، شاسی و بدنه خودرو به‌کار می‌روند و باعث کاهش وزن و افزایش راندمان سوخت می‌شوند. در صنعت ریلی نیز برای ساخت واگن‌های قطار استفاده می‌شود. کشتی‌سازی نیز از دیگر صنایعی است که از این آلیاژها استفاده می‌کند.
صنایع ساختمان

در صنعت ساختمان، آلیاژ آلومینیوم برای ساخت درب، پنجره، نمای ساختمان و سازه‌های سبک مورد استفاده قرار می‌گیرد. مقاومت در برابر خوردگی، از جمله مزیت‌های استفاده از این آلیاژها در ساختمان‌سازی است.
بسته‌بندی

در صنعت بسته‌بندی، از آلومینیوم برای تولید قوطی‌های نوشیدنی، فویل‌های آلومینیومی و بسته‌بندی‌های غذایی استفاده می‌شود. این آلیاژها از مواد غذایی در برابر رطوبت، نور و اکسیژن محافظت می‌کنند.
صنایع الکتریکی و الکترونیکی

به‌دلیل هدایت الکتریکی بالا، آلیاژ آلومینیوم در ساخت سیم‌های برق و قطعات الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین در ساخت مبدل‌های حرارتی نیز کاربرد دارد.
سیستم نامگذاری انجمن آلومینیوم (AA)

برای سهولت در دسترسی و پیدا کردن گریدهای مختلف در صنعت، هر آلیاژی طبق یک سیستم نامگذاری نامی مشخص دارد. رایج‌ترین آن هم استاندارد انجمن آلومینیوم (Aluminum Association) است. این سیستم به ما می‌گوید که با چه فلزی طرف هستیم و عنصر اصلی آن چیست. آلیاژهای آلومینیوم معمولا به دو دسته بزرگ تقسیم می‌شوند: کارپذیر یا کارشده (Wrought Alloys) که با نورد و کشش شکل می‌گیرند و ریختگی (Casting Alloys) که در قالب ریخته می‌شوند.
سیستم چهار رقمی برای آلیاژهای کارپذیر

رقم اول: این مهم‌ترین رقم است و عنصر آلیاژی اصلی را مشخص می‌کند. مثلا اگر 6 باشد، یعنی آلیاژ ما با منیزیم و سیلیکون قوی شده است.
1xxx: آلومینیوم تقریبا خالص (بیش از 99%)، عالی برای برق و رسانایی.
2xxx: آلومینیوم-مس، استحکام خیلی بالا.
3xxx: آلومینیوم-منگنز، مقاومت به خوردگی خوب و کار کردن با آن آسان است.
5xxx: آلومینیوم-منیزیم، عالی برای دریا و آب شور.
6xxx: آلومینیوم-منیزیم-سیلیکون، همه کاره، خوش‌ساخت و قابل جوشکاری.
7xxx: آلومینیوم-روی، قوی‌ترینِ قوی‌ها، مناسب برای هواپیما و ارتش.
رقم دوم (تغییرات): معمولا صفر است. اگر عدد دیگری باشد، یعنی یک تغییری در ترکیب اصلی آن گروه ایجاد شده است.
دو رقم آخر (کد مخصوص): این دو رقم یک کد اختصاصی برای تفاوت آلیاژها در یک گروه است. مثلا در گروه 6، 6061 با 6082 فرق می‌کند.

مثلا وقتی می‌گوییم 6061، بلافاصله می‌دانیم که با یک آلیاژ آلومینیوم-منیزیم-سیلیکون طرف هستیم که قابلیت عملیات حرارتی (قوی شدن با حرارت) دارد و یک انتخاب عالی برای سازه‌های ساختمانی است.
تفاوت آلیاژ آلومینیوم ریختگی و کارپذیر

گفتیم که آلیاژ آلومینیوم شامل دو دسته ریختگی و کارپذیر است؛ اما این دو چه تفاوت‌هایی با هم دارند؟
1. آلیاژهای کارپذیر (Wrought Alloys)

این آلیاژها با کوبیدن، کشیدن یا عبور دادن از غلتک‌های نورد شکل می‌گیرند. این فرآیندها ساختار داخلی فلز را فشرده و منظم می‌کنند. برای همین، آلیاژهای کارپذیر بسیار قوی‌تر و چقرمه‌تر (مقاوم در برابر شکست) هستند. بیشترین کاربرد آنها هم در ورق‌ها، میله‌ها، پروفیل‌ها و قطعات مهم سازه‌ای (مثل 6061 و 7075) است.
2. آلیاژهای ریختگی (Casting Alloys)

این آلیاژها به شکل مایع درآمده و در قالب‌های مختلف (مثل دایکاست) ریخته می‌شوند تا قطعاتی با شکل‌های خیلی پیچیده (مانند سرسیلندر موتور) بسازند. در این آلیاژها معمولا سیلیکون زیادی وجود دارد که باعث می‌شود فلز مذاب مثل آب در قالب جاری شود و تمام گوشه‌ها را پر کند. همچنین، از سیستم سه رقمی با نقطه (A356.0) استفاده می‌کنند.

چطور آلیاژهای آلومینیوم توسعه داده می‌شوند؟

آلیاژهای آلومینیوم (مثل سری 2xxx، 6xxx و 7xxx) را می‌توان با حرارت دادن، بسیار بهتر و قوی‌تر کرد که به این کار به عملیات حرارتی می‌گویند.
1. انحلال (Solution Heat Treatment)

قطعه تا دمای بسیار بالا (حدود 500C) گرم می‌شود. در این دما، تمام اتم‌های اضافی (مثل مس یا روی) کاملا در ساختار آلومینیوم، درست مثل حل شدن شکر در آب داغ حل می‌شوند. بعد ناگهان قطعه را در آب سرد فرو می‌برند (کوئنچ). این کار باعث می‌شود اتم‌های حل شده فرصت جدا شدن نداشته باشند و در ساختار حبس شوند.
2. پیرسازی (Aging)

حالا قطعه را در دمایی پایین‌تر و کنترل‌شده (مثلا 150C) برای مدت طولانی (چند ساعت) گرم می‌کنیم. در این مرحله، اتم‌های حبس شده شروع به جدا شدن و تشکیل ذرات بسیار ریز و سخت می‌کنند. این ذرات مثل موانعی در مسیر حرکت عیوب داخلی فلز عمل می‌کنند و اجازه نمی‌دهند که فلز به راحتی تغییر شکل دهد. برای همین، استحکام تسلیم و سختی فلزی افزایش می‌یابد.

استانداردهای آلیاژهای آلومینیوم

ASTM (استاندارد آمریکایی): مرجعی برای روش‌های آزمون و مشخصات فنی. مثلا ASTM B209 مشخصات استاندارد ورق‌های آلومینیومی را تعیین می‌کند.
EN (استاندارد اروپایی): این استانداردها در اروپا استفاده می‌شوند و به هماهنگی مواد کمک می‌کنند. EN 573 نامگذاری شیمیایی آلیاژها را مشخص می‌کند.
ISO (سازمان بین‌المللی استانداردسازی): استانداردهای جهانی که بسیاری از کشورها آن‌ها را پذیرفته‌اند.

خواص آلیاژ آلومینیوم

برخی از خواص آلیاژ آلومینیوم عبارتند از:
1. مقاومت به خستگی (Fatigue)

اگر یک تکه مفتول را بارها و بارها خم کنید، حتی اگر با نیروی کم این کار را بکنید، بالاخره می‌شکند. این شکست به‌خاطر خستگی است. در قطعات متحرک (مثل شفت‌ها یا بال هواپیما)، آلومینیوم مقاومت خوبی در برابر این تنش‌های چرخه‌ای دارد، اما برخلاف فولاد، حد مشخصی برای ابدی بودن ندارد.
2. چقرمگی شکست (Fracture Toughness)

چقرمگی یعنی اینکه یک ماده چقدر می‌تواند در برابر گسترش یک ترک کوچک مقاومت کند. اگر قطعه شما یک ترک ریز داشته باشد، یک ماده چقرمه به راحتی نمی‌گذارد آن ترک بزرگ شود. متأسفانه، هرچه آلیاژ را قوی‌تر کنیم (مثلاً 7075 را به T6 تبدیل کنیم)، چقرمگی آن کمی کاهش می‌یابد. گاهی مجبوریم کمی از استحکام صرف‌نظر کنیم تا ایمنی و چقرمگی افزایش یابد (مثل تمپ T73 در 7075).
3. رفتار در دماهای مختلف

در سرما: خبر خوب اینکه آلیاژهای آلومینیوم در سرما نه تنها ضعیف نمی‌شوند، بلکه حتی کمی بهتر هم عمل می‌کنند! به همین دلیل برای ساخت مخازن گاز مایع فوق‌سرد (مثل LNG) مناسب هستند.
در گرما: خبر نه چندان خوب این است که استحکام آلومینیوم در دماهای بالاتر از 150 درجه سانتی‌گراد، به شدت افت می‌کند. اگر قطعه شما در محیط داغی مثل نزدیکی موتور کار می‌کند، باید به فکر فلزات مقاوم‌تری مثل تیتانیوم یا فولادهای خاص باشید.

مفهوم هر کد در عملیات حرارتی این آلیاژها

وقتی آلیاژی را می‌بینید که با یک حرف T و یک عدد مشخص شده، یعنی تحت عملیات حرارتی قرار گرفته است:

T4: قوی شده با عملیات حرارتی و سپس رها شده در دمای اتاق (پیرسازی طبیعی).
T6: قوی شده با عملیات حرارتی و سپس پخته شده در کوره (پیرسازی مصنوعی و اوج استحکام).
T73: این یک عملیات حرارتی ویژه برای 7075 است که آن را کمی بیش از حد می‌پزند تا در برابر نوع خاصی از زنگ‌زدگی (خوردگی تنشی) مقاوم شود.

جوشکاری انواع آلیاژ آلومینیوم

جوشکاری سری (5xxx و 6xxx): آلیاژهای سری 5 (دریایی) و 6 (سازه‌ای) به راحتی جوش داده می‌شوند. فقط توجه کنید که منطقه اطراف جوش (HAZ) در 6061 ممکن است کمی از استحکام T6 خود را از دست بدهد.
جوشکاری سری (2xxx و 7xxx): این آلیاژها به‌خاطر ترکیبشان، هنگام جوشکاری با مشکل ترک‌های داغ روبرو می‌شوند. به همین دلیل معمولا آن‌ها را جوش نمی‌دهند و از روش‌های اتصال مکانیکی (پیچ و پرچ) استفاده می‌کنند.

ماشین‌کاری آلیاژ آلومینیوم

آلومینیوم به صورت کلی تراشیدن راحتی دارد، اما:

قوی‌ترها (7075): عالی هستند. تراشه‌ها به خوبی جدا می‌شوند و سطح براقی به دست می‌آید.
نرم‌ترها (خالص): کمی دشوارند، چون تراشه‌ها دوست دارند به ابزار بچسبند. برای اینها باید از ابزارهای تیز و روغن‌کاری مناسب استفاده کرد.

تولیدکنندگان آلیاژ آلومینیوم

شرکت آلومینیوم المهدی
شرکت آلومینیوم ایران
شرکت آلومینیوم هرمزال
شرکت آلومینیوم سالکو
شرکت آلومینای ایران