آلیاژهای غیرآهنی، ترکیبات فلزی مهمی هستند که عنصر اصلی تشکیل‌دهنده‌ی آنها آهن نیست. این آلیاژها از ترکیب دو یا چند عنصر فلزی، که حداقل یکی از آنها غیرآهنی است، به‌دست می‌آیند. عناصر غیرآهنی رایج در این آلیاژها شامل آلومینیوم، مس، نیکل، روی، تیتانیوم و منیزیم می‌شوند. خواص منحصربهفرد هر آلیاژ غیرآهنی، ناشی از ترکیب خاص عناصر تشکیل‌دهنده‌ی آن است.
آلیاژهای غیرآهنی به‌دلیل ویژگی‌های مناسب خود، کاربردهای گسترده‌ای دارند. مقاومت در برابر خوردگی، وزن سبک، هدایت حرارتی و الکتریکی بالا از جمله این ویژگی‌ها هستند. به‌عنوان مثال، آلیاژهای آلومینیوم در صنایع هوافضا به‌دلیل وزن کم و استحکام بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. آلیاژهای مس نیز به‌دلیل هدایت الکتریکی عالی در سیم‌ها و کابل‌ها کاربرد دارند. انتخاب آلیاژ غیرآهنی مناسب، به نیازهای خاص هر کاربرد بستگی دارد. در ادامه با میهن فولاد همراه باشید تا مفصل این نوع آلیاژ را بررسی کنیم.
تاریخچه آلیاژهای غیرآهنی
هزاران سال پیش، در آغاز فلزکاری، انسان به‌طور تصادفی به یکی از مهم‌ترین کشف‌های تاریخ دست یافت. حدود پنج هزار سال پیش، در تلاش برای ذوب مس، ترکیبی از مس و قلع به‌طور ناخواسته ذوب شد و برنز، اولین آلیاژ غیرآهنی شناخته شده، متولد شد. این کشف تصادفی، انقلابی در ساخت ابزار و سلاح ایجاد کرد. برنز، نسبت به مس مقاومت و دوام بیشتری داشت.
از ابزارهای کشاورزی تا سلاح‌های جنگی، برنز به عنصر اصلی تمدن‌های اولیه تبدیل شد. ساخت ارابه‌های جنگی از برنز، نشانی از پیشرفت فناوری و قدرت این آلیاژ بود. این تحول نه در یک سال یا ده سال، بلکه در طی هزاران سال و با تکامل دانش متالورژی انسان رخ داد. کشف آهن، هزاران سال بعد در منطقه شمال عراق امروزی، فصل جدیدی را در تاریخ فلزات گشود. آهن، با استحکام و فراوانی خود، به سرعت جایگاه مهمی در زندگی انسان پیدا کرد و زمینه را برای کشف، تولید فولاد آلیاژی و سایر آلیاژها فراهم کرد.
امروزه دنیای ما پر از آلیاژ غیرآهنی است. آلیاژهای غیرآهنی، به‌خاطر خواص منحصربه‌فردی مانند مقاومت در برابر خوردگی و حرارت، در صنایع مختلفی از جمله هوافضا، پزشکی، و خودروسازی کاربرد دارند. این آلیاژها از ترکیب فلزاتی غیر از آهن، مانند مس، آلومینیوم، نیکل، و گاهی حتی با خود آهن، ساخته می‌شوند. برای مثال، آلیاژهای غیرآهنی آلومینیوم، به‌دلیل سبکی و مقاومت بالا، در صنعت هوافضا بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. آلیاژهای نیکل، به‌دلیل مقاومت در برابر حرارت و خوردگی، در توربین‌های گازی و موتورهای جت کاربرد دارند.
طبقه‌بندی و انواع آلیاژ غیرآهنی
همانطور که می‌دانیم، آلیاژ غیرآهنی از ترکیب دو یا چند فلز غیر از آهن به‌دست می‌آید. این ترکیبات، خواص جدیدی را ایجاد می‌کنند که در فلزات خالص وجود ندارد. اما تنوع این آلیاژها به قدری زیاد است که نیاز به یک سیستم طبقه‌بندی منظم دارد.
یکی از روش‌های طبقه‌بندی آلیاژ غیرآهنی، براساس فلز پایه است. برای مثال، آلیاژهای آلومینیوم، مس، نیکل، منیزیم و کبالت از جمله مهم‌ترین دسته‌های این طبقه‌بندی هستند. هر کدام از این دسته‌ها، طیف وسیعی از آلیاژهای مختلف با خواص و کاربردهای متفاوت دارند.
آلیاژهای آلومینیوم: به‌دلیل سبکی، مقاومت در برابر خوردگی، و قابلیت ریخته‌گری عالی، در صنایع مختلفی مانند هوافضا، خودروسازی، و بسته‌بندی کاربرد دارند. اضافه کردن عناصری مانند مس، منیزیم، و سیلیسیم به آلومینیوم، خواص مکانیکی آن را بهبود می‌بخشد.
آلیاژهای غیرآهنی مس: به‌خاطر هدایت الکتریکی و حرارتی عالی، در صنایع الکترونیک، لوله‌های آب و سکه‌ها استفاده می‌شوند. برنج و برنز، از جمله آلیاژهای معروف مس هستند.
آلیاژهای نیکل: به‌دلیل مقاومت مناسب در برابر حرارت، در توربین‌های گازی، موتورهای جت، و صنایع شیمیایی کاربرد دارند.
آلیاژهای منیزیم: به‌خاطر سبکی فوق‌العاده، در صنایع هوافضا و خودروسازی مورد توجه هستند.
آلیاژهای کبالت: به‌دلیل سختی و مقاومت، در ابزارهای برشی و قطعات موتور استفاده می‌شوند.
تنوع در ترکیب عناصر آلیاژی، منجر به ایجاد خواص متفاوت در آلیاژ غیرآهنی می‌شود. به‌عنوان مثال، اضافه کردن روی به ترکیب آلومینیوم و منیزیم، آلیاژی با خواص متفاوت از آلیاژ منیزیم-آلومینیوم ایجاد می‌کند. این تنوع و قابلیت تنظیم خواص، آلیاژهای غیرآهنی را به موادی بسیار مهم و کاربردی در صنایع مختلف تبدیل کرده است.
انواع آلیاژهای نیکل و کاربردهای آن
نیکل، از زمان کشف آن در سال ۱۷۵۱ توسط اکسل فردریک کرونشت، شیمیدان سوئدی، توجه متخصصان را به خود جلب کرده است. شکل‌پذیری و مقاومت بالای این فلز، آن را به گزینه‌ای عالی برای تولید آلیاژهای مختلف تبدیل کرده است. آلیاژهای نیکل به دو دسته اصلی آلیاژ غیرآهنی و آهنی تقسیم می‌شوند. آلیاژهای آهنی نیکل شامل گروه‌هایی مانند نیکل-آهن، نیکل-کروم-آهن، و نیکل-کروم-آهن-مولیبدن هستند.
آلیاژهای غیرآهنی نیکل
نیکل-مس (مونل): این آلیاژ با ترکیب تقریبی ۶۷٪ نیکل و ۳۳٪ مس، مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی، به‌خصوص در محیط‌های اسیدی مانند اسید سولفوریک، از خود نشان می‌دهد. این آلیاژ در ساخت پمپ‌ها، شیرها، واشرها، و مخازن تحت فشار کاربرد دارد. برخی از انواع مونل حاوی ۳۰-۳۴٪ مولیبدن هستند که مقاومت آنها را بیشتر می‌کند.
نیکل-کروم (اینکونل): این آلیاژ غیرآهنی به‌دلیل مقاومت عالی در برابر خوردگی، دماهای بالا و جریان الکتریکی شناخته می‌شود. اینکونل نباید با هیستول اشتباه گرفته شود، زیرا هیستول حاوی آهن نیز هست. انواع مختلفی از اینکونل با ترکیبات و خواص متفاوت وجود دارد.
سوپرآلیاژهای پایه نیکل: این دسته به‌طور خاص یک آلیاژ مشخص نیست، بلکه شامل گروهی از آلیاژهای نیکل، مانند نیکل-کروم و نیکل-مس، است که با فلزات دیگر ترکیب می‌شوند تا خواص بهبود یافته‌ای داشته باشند. این آلیاژها در کاربردهایی مانند توربین‌های گازی و موتورهای جت، استفاده می‌شوند.
انواع آلیاژهای مس و طبقه‌بندی آنها
مس، ، از گذشته در تمدن بشری نقش مهمی ایفا کرده است. این فلز به‌خاطر خواص منحصربه‌فردی مانند هدایت الکتریکی و حرارتی عالی، شکل‌پذیری خوب، و مقاومت، در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های مس، قابلیت آلیاژسازی آن است. با بیش از ۴۰۰ نوع آلیاژ مختلف، مس بزرگ‌ترین خانواده را در میان انواع آلیاژ غیرآهنی تشکیل می‌دهد. این آلیاژها را می‌توان به دو روش طبقه‌بندی کرد:
براساس ترکیب عناصر (مانند برنج و برنز)
براساس سیستم کدگذاری انجمن توسعه مس آمریکا (CDA)
طبقه‌بندی آلیاژ غیرآهنی مس براساس CDA
آلیاژ غیرآهنی مس در سیستم CDA به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
آلیاژهای فرفورژه (Wrought Alloys): این آلیاژها به‌صورت ورق، میلگرد، سیم، و لوله تولید می‌شوند و قابلیت شکل‌دهی خوبی دارند.
آلیاژهای ریختگی (Cast Alloys): این آلیاژها برای ریخته‌گری در قالب مناسب هستند و معمولاً دارای خواص مکانیکی بهتری نسبت به آلیاژهای کارشده هستند.
انواع آلیاژهای غیرآهنی آلومینیوم
آلومینیوم، بعد از فولاد، پرمصرف‌ترین فلز در جهان است. هدایت الکتریکی و حرارتی عالی، به‌همراه قابلیت ریخته‌گری، آلومینیوم را به ماده‌ای بسیار مناسب برای تولید آلیاژ تبدیل کرده است. مقاومت در مقابل خوردگی نیز از دیگر مزایای آلومینیوم است که آن را به گزینه‌ای خوب برای صنایع حمل‌ونقل تبدیل می‌کند. آلیاژ غیرآهنی آلومینیوم از نظر روش تولید به دو دسته اصلی تقسیم می‌شود:
آلیاژهای فرفورژه (Wrought Alloys): این آلیاژها ابتدا به شکل شمش تولید می‌شوند و سپس با روش‌هایی مانند نورد، اکستروژن، و فورج به شکل خود در می‌آیند.
آلیاژهای ریختگی (Cast Alloys): این آلیاژها به‌طور مستقیم با ریختن آلومینیوم مذاب در قالب تولید می‌شوند.
سیستم نام‌گذاری آلیاژهای آلومینیوم
آلیاژ غیرآهنی آلومینیوم با یک کد چهار رقمی مشخص می‌شود:
رقم اول: نشانی از عنصر آلیاژی اصلی است.
رقم دوم: اصلاح آلیاژ یا خلوص را نشان می‌دهد (صفر به معنی خلوص بالا).
دو رقم آخر: برای تمایز بین آلیاژهای یک گروه استفاده می‌شود.
سیستم نام‌گذاری آلیاژهای ریختگی
آلیاژ غیرآهنی ریختگی نیز با یک سیستم کدگذاری متفاوت شناسایی می‌شود:
رقم اول: نشانی از عنصر آلیاژی اصلی است.
دو رقم بعدی: درصد آلومینیوم را نشان می‌دهد.
رقم بعد از اعشار: نوع محصول را مشخص می‌کند (۰: ریخته‌گری، ۱: شمش، ۲: شمش با محدودیت ترکیب).
کاربردهای آلیاژهای کبالت و انواع آنها
کبالت، از جنگ جهانی دوم تا به امروز در صنایع مختلف نقش ایفا کرده است. آلیاژ غیرآهنی کبالت، به‌دلیل مقاومت فوق‌العاده در برابر حرارت و تنش‌های مکانیکی، به‌عنوان سوپرآلیاژ شناخته می‌شود. معمولاً با عناصری مانند تنگستن، کروم، نیکل، و آهن تولید می‌شوند. این ترکیبات، مقاومت و پایداری در محیط‌های سخت با دما و تنش بالا را برای این آلیاژها به ارمغان می‌آورد.
طبقه‌بندی آلیاژهای کبالت
سوپرآلیاژهای پایه کبالت را می‌توان به سه گروه اصلی طبقه‌بندی کرد:
گروه اول: مقاوم در دماهای بسیار بالا (۶۵۰ تا ۱۱۵۰ درجه سانتیگراد)
این آلیاژها در قطعاتی مانند محفظه‌های احتراق و کانال‌های انتقال گاز در موتورهای هواپیما کاربرد دارند. برخی از مثال‌های این گروه عبارتند از:
Haynes 188: با استفاده از رسوب کاربید استحکام دهی شده و در برابر دما و نیروهای مکانیکی مقاومت بالایی دارد.
S-816: یک آلیاژ غیرآهنی پیر سختی است که برای استفاده در محدوده دمایی ۱۵۰۰ تا ۲۰۰۰ درجه فارنهایت طراحی شده است.
Haynes 25: آلیاژی با مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون در دماهای بالا.
گروه دوم: مقاوم در دماهای تا ۶۵۰ درجه سانتیگراد
آلیاژهای غیرآهنی مانند MP35N و MP159 در این دسته قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، MP159 یک آلیاژ کبالت-نیکل است که با روش ذوب القایی در خلا و VAC-ARC تولید می‌شود. این روش، کنترل دقیق بر ترکیب شیمیایی آلیاژ را ممکن می‌سازد. این آلیاژ دارای مقاومت، انعطاف‌پذیری، و مقاومت به خوردگی بالایی است.
گروه سوم: استلایت‌ها (Stellites)
این گروه، شامل گستره وسیعی از آلیاژهای غیرآهنی کبالت-کروم با خواص مقاومتی و بیولوژیکی است. علاوهبر کبالت و کروم، عناصری مانند تنگستن، مولیبدن، و کربن نیز در ترکیب استلایت‌ها وجود دارند. استحکام این آلیاژها با تشکیل کاربیدها تامین می‌شود. خواص استلایت‌ها عبارتند از:
استحکام مکانیکی بالا
پایداری در برابر بارگذاری ایستایی
مقاومت به خستگی و خزش
مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی
انواع و ویژگی‌های آلیاژ غیرآهنی منیزیم
آلیاژ غیرآهنی منیزیم، فلزی سفید رنگ و سومین عنصر فراوان در پوسته زمین، به‌دلیل سبکی و استحکام بالای آلیاژهایش، در صنایع مختلف مورد توجه قرار گرفته است. یکی از خواص منحصربهفرد آلیاژهای منیزیوم، قابلیت جذب ارتعاش است که آنها را به گزینه‌ای مناسب برای کنترل ارتعاشات در خودروها تبدیل می‌کند. اما این آلیاژها معمولاً مقاومت به خوردگی و سایش کمتری نسبت به سایر آلیاژهای غیرآهنی دارند. منیزیم با فلزات زیادی قابلیت آلیاژسازی دارد و نام‌گذاری این آلیاژها معمولاً براساس ترکیب عناصر و روش تولید آنها توسط تولیدکنندگان انجام می‌شود.
منیزیم-آلومینیوم (AM)
این آلیاژ غیرآهنی، یکی از پرمصرف‌ترین آلیاژهای منیزیم است و برای اولین بار در جنگ جهانی دوم به روش ریختگی تولید شد. اگر میزان آلومینیوم در این آلیاژ از ۸٪ بیشتر شود، شکل‌دهی آن دشوار می‌شود. این آلیاژ در صنایع هوافضا، به‌ویژه در خطوط تولید بوئینگ، کاربرد دارد.
منیزیم-آلومینیوم-روی (MgAlZn)
با اضافه کردن روی به آلیاژ منیزیم-آلومینیوم، استحکام آن افزایش می‌یابد. اما این آلیاژ به‌دلیل حساسیت به ترک‌های میکروسکوپی در حین تولید، کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد و اغلب آلیاژ منیزیم-آلومینیوم جایگزین آن می‌شود.
منیزیم-روی
این آلیاژ دوتایی قابلیت پیر سختی دارد که سیالیت آن را افزایش می‌دهد اما مقاومت آن چندان بالا نیست. برای بهبود مقاومت، مس به این ترکیب اضافه می‌شود.
منیزیم-روی-مس
اضافه کردن مس به آلیاژ منیزیم-روی، مقاومت مقابل خوردگی آن را افزایش می‌دهد، برخلاف آلیاژ منیزیم-آلومینیوم که مس مقاومت به خوردگی آن را کاهش می‌دهد.
سایر آلیاژهای منیزیم
از دیگر آلیاژهای منیزیم می‌توان به منیزیم-زیرکونیوم، منیزیم-توریم، و منیزیم-لیتیوم اشاره کرد. این آلیاژها به دلیل استحکام بالا، عمدتاً در صنایع هوافضا کاربرد دارند.
ریخته‌گری آلیاژهای غیرآهنی
ریخته‌گری، یکی از روش‌های متداول و مهم در تولید قطعات فلزی، به‌ویژه آلیاژهای غیرآهنی، است. این فرآیند، شامل ذوب فلز و ریختن آن در قالب برای ایجاد شکل مورد نظر است. تفاوت آلیاژهای آهنی و غیرآهنی رو قبلا بررسی کرده‌ایم. ریخته‌گری آلیاژهای غیرآهنی با آلیاژهای آهنی نیز تفاوت‌هایی دارد. در حالی که ریخته‌گری در آلیاژهای آهنی به‌خاطر نقطه ذوب بالا و دقت کمتر، معمولاً نیاز به ماشینکاری دارد، در آلیاژ غیرآهنی، به‌دلیل نقطه ذوب پایین‌تر و کنترل بهتر بر فرآیند انجماد، قطعات با دقت و کیفیت بالاتری تولید می‌شود. پس از ریخته‌گری، قطعات معمولاً با روش‌های مختلف سرد می‌شوند تا خواص مکانیکی مطلوب را به دست آورند.
روش‌های ریخته‌گری آلیاژهای غیرآهنی
ریخته‌گری آلیاژ غیرآهنی به دو روش اصلی انجام می‌شود:
ریخته‌گری ماسه‌ای (Sand Casting)
در این روش، از ماسه برای ساخت قالب استفاده می‌شود. این روش ساده و ارزان است و برای تولید قطعات با تیراژ پایین مناسب است.
ریخته‌گری دقیق (Precision Casting)
این روش که با نام ریخته‌گری موم گم‌شده (Lost-Wax Casting) نیز شناخته می‌شود، شامل ساخت قالب با استفاده از موم و سپس جایگزین کردن آن با فلز مذاب است. این روش برای تولید قطعات با دقت و جزئیات بسیار بالا مناسب است.
کاربرد ریخته‌گری آلیاژهای غیرآهنی
اغلب با روش ریخته‌گری دقیق تولید می‌شوند تا دقت ابعادی و سطح صاف مورد نیاز را داشته باشند.
بسته به نوع قطعه و تیراژ تولید، از روش ریخته‌گری ماسه‌ای یا دقیق استفاده می‌شود.
به‌خاطر نیاز به دقت و استحکام بالا، اغلب با روش ریخته‌گری دقیق تولید می‌شوند.
انتخاب روش مناسب ریخته‌گری بستگی به عوامل مختلفی مانند نوع آلیاژ، پیچیدگی قطعه، دقت مورد نیاز، و هزینه دارد.
خواص و ویژگی‌های آلیاژ غیرآهنی
آلیاژ غیرآهنی، به‌دلیل طیف وسیعی از خواص منحصربهفرد، در صنایع مختلف کاربردهای گسترده‌ای دارند. ساخت قطعات پیچیده هوافضا، زیورآلات ظریف از جمله این کاربردها هستند. گرچه قیمت آهن با قیمت آلیاژهای غیرآهنی تفاوت قابل توجهی دارد، اما خواص ویژه این آلیاژها اغلب این اختلاف قیمت را جبران می‌کند. در ادامه، به برخی از این خواص اشاره می‌کنیم:
افزایش استحکام
یکی از اصلی‌ترین دلایل استفاده از آلیاژها، افزایش استحکام نسبت به فلزات خالص است. آلیاژ غیرآهنی نیز از این قاعده مستثنی نیست و اغلب استحکام بسیار بالاتری نسبت به فلزات تشکیل‌دهنده خود دارد.
مقاومت در برابر خوردگی
خوردگی، یکی از مشکلات رایج در فلزات است که سالانه خسارات زیادی به بار می‌آورد. آلیاژ غیرآهنی به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که مقاومت بالایی در برابر خوردگی داشته باشند و در محیط‌های مختلف بدون تخریب عملکرد خود را حفظ کنند.
مقاومت در برابر حرارت
بسیاری از آلیاژهای غیرآهنی در محیط‌های با دمای بالا، مانند موتور هواپیما، استفاده می‌شوند. بنابراین، مقاومت در برابر حرارت یکی از خواص ضروری برای این آلیاژها است.
سوالات متداول
تفاوت آلیاژهای آهنی و غیرآهنی چیست؟
آلیاژهای آهنی عمدتاً از آهن تشکیل شده‌اند و عناصر آلیاژی دیگری مانند کربن، منگنز، و سیلیسیم به آنها اضافه می‌شود. فولاد و چدن نمونه‌هایی از آلیاژهای آهنی هستند. در مقابل، آلیاژهای غیرآهنی حاوی آهن به‌عنوان عنصر اصلی نیستند و از فلزات دیگری مانند آلومینیوم، مس، نیکل، منیزیم و تیتانیوم تشکیل می‌شوند.
چرا از آلیاژ غیرآهنی استفاده می‌کنیم؟
آلیاژهای غیرآهنی خواص منحصربه‌فردی دارند که آنها را برای کاربردهای خاص مناسب می‌سازد. برخی از این خواص عبارتند از: مقاومت به خوردگی بالا، وزن کم، هدایت الکتریکی و حرارتی خوب و مقاومت در برابر سایش و خزش. به‌عنوان مثال، آلیاژهای آلومینیوم به‌خاطر سبکی در صنایع هوافضا و خودروسازی استفاده می‌شوند. همچنین، آلیاژهای مس به دلیل هدایت الکتریکی عالی در سیم‌های برق کاربرد دارند.
چگونه آلیاژهای غیرآهنی طبقه‌بندی می‌شوند؟
آلیاژهای غیرآهنی را می‌توان براساس فلز پایه طبقه‌بندی کرد. برای مثال، آلیاژهای آلومینیوم، آلیاژهای مس، آلیاژهای نیکل، و آلیاژهای تیتانیوم دسته‌های مختلفی از آلیاژهای غیرآهنی هستند. هر دسته شامل انواع مختلفی از آلیاژها با ترکیبات و خواص متفاوت است. به‌عنوان مثال، برنج و برنز دو نوع آلیاژ مس هستند که با عناصر مختلفی آلیاژ شده‌اند و خواص متفاوتی دارند.