فلزات غیر آهنی سبک و آلیاژ های آن ها

فلزاتی را که جرم آنها تا3  kg/dm 5 باشند فلزات سبک می نامند.

فلزات سبکی که بیشترین کاربرد را در صنعت دارند عبارتند از آلومینیوم،منیزیم،بریلیم وتیتانیم.

چون اکثر فلزات غیر آهن سبک خالص نرمی زیادی دارند و از استحکام کمی برخوردارند لذا با آلیاژ کردن می توان خواص آنها را بهبود بخشید و خصوصیات جدیدی را در انها به وجود آورد .

آلیاژهای پر استقامت و سبک وزن از مهم ترین فلزات برای مصارف در وسایل حمل و نقل زمینی ،دریایی و فضایی هستند و در ساختمان های فلزی و لوازم خانگی نیز کار برد دارند.

بقیه متن در ادامه مطلب...

آلومینیم (AI)
آلومینیم فلزی است به رنگ سفید نقره ای که در مجاورت هوا به سرعت اکسیده می شود و قشر نازکی از اکسیدآلومینیوم روی آن تشکیل می گردد که در مقابل خوردگی بسیار مقاوم است و بقیه فلز در مقابل تاثیرات جوی حفظ می کند.

 جرم مخصوص                                              2.7 کیلوگرم بر سانتیمتر مکعب

نقطه ذوب                                                 658  درجه سانتی گراد

استحکام       ریخته شده                                115 تا85 نیوتن بر میلیمتر مربع

کششی         نرم تابنده شده                                65  نیوتن بر میلیمتر مربع

                 سخت شده در اثر نوردکاری             190تا125 نیوتن بر میلیمتر مربع

آلومینیم قابلیت هدایت الکتریکی خوبی (تقریبا به اندازه 65.0 مس)دارد و قابلیت هدایت حرارتی آن نیز زیاد است.

آلومینیم قابلیت جوشکاری و لحیم کاری دارد و می توان آن را با روش هایی مانند کشیدن ،پرس کردن ،نورد کاری،ضرب زدن،ریخته گری و همچنین  با روش هایی مانند تراشکاری،فرزکاری،سوراخکاری و غیره به خوبی تغییر فرم داد.آلومینیم قابلیت آلیاژی  خوبی دارد و مقدار کمی مس،منگنز و یا منیزیم تاثیرات زیادی در سختی و استحکام آن باقی می گذارد.

موارد استفاده: ورق ها،نوارها،ورق های بسیار نازک (فویل)آلومینیمی را با نوردکاری تولید می کنند و انواع شمش ها،لوله ها و مفتول ها را به وسیله پرس کردن (رانش)و یا کشیدن تهیه می کنند.قسمت اعظم آلومینیم تولیدی صرف تهیه آلیاژ های آلومینیم و یا ریخته گری می شود و به دلیل وزن سبک ،قیمت مناسب،مقاومت در مقابل خوردگی و قابلیت  تغییر فرم خوبی که دارد روز به روز به موارد استعمال آن افزوده می گردد.

از آلومینیم با درجه خلوص عالی در درجه اول برای تولید رفلکتور ها(منعکس کننده ها)و نور افکن ها،در صنایع اتومبیل سازی برای تهیه نوار های زینتی و همچنین در دستگاه ها و لوله های مربوط به صنایع شیمیایی و غذایی استفاده می کنند.

آلومینیم خالص را در صنایع شیمیایی برای تهیه مخازن و ظروف حمل و نقل،در صنایع الکتریکی برای تهیه سیم ها و کابل ها ،در صنایع ساختمانی به عنوان پوشش بام ها و کارهای تزئینی و همچنین تهیه ظروف آشپزخانه و صنایع دسته بندی مورد استفاده قرار می دهند.

سنگ معدن آلومینیم : آلومینیم را از سنگ معدنی بوکسیت که حاوی 55 تا 60 در صد اکسید آلومینیم (AL2O3 )،34 در صد اکسید آهن(Fe3o4)،12 تا 30 در صد هیدراتها و 4 در صد اسید سیلیسیک(sio2)است،تهیه می کنند.

طرز تهیه آلومینیم: برای تهیه آلومینیم لازم است در مرحله اول از سنگ معدنی بوکسیت ،ترکیبات آهن و سیلیسیم را جدا کرد و اکسید آلومینیم را به دست آورد.برای این منظور بوکسیت را در سنگ شکن ها خرد و در کوره های دوار خشک می کنندو در آسیاب های ساچمه ای به صورت پودر درمی آورند.حال،پودر اکسید حاصل را با محصول سود سوزآور در آب،تحت فشاری معادل 30 بار و دمای 25 درجه سانتی گراد درون مخزنی که اتوکلاو نام دارد،حرارت می دهند. این عمل باعث می شود که آلومینیم با سود ترکیب شودو آلومنات سدیم (Na3Alo2) را به وجود اورد. در این حالت ،آهن و سیلیسیوم در ظرف ته نشین می شود و قابل تفکیک است. پس از این مرحله،محتوی اتوکلاو را به درون فیلتر های تحت فشار هدایت می کنند و آلومینات سدیم را از مواد رسوبی تفکیک می نمایند..حال آلومینات سدیم را به درون دستگاه های به همزن هدایت می کنند . در اثر این عمل محلول به عوامل هیدرات آلومینیم و محلول سود سوزآور تفکیک می شود. ژس از این مرحله ،دستگاه جدا کننده ای سود سوزآور را ژس از تفکیک به مخزن اولیه وهیدرات آلومینیم را به کوره دوار می فرستد.

آب هیدرات آلومینیم در کوره دوار در دمای تا 1300 درجه سانتی گراد آزاد می شودو اکسید آلومینیوم خالص (آلومین)به صورت پودر به دست می آید،آلومین حاصل را در حمام های الکترولیز در حالی که به آن کریولیت (فلورورسدیم و فلورورآلومینیم) افزوده اند احیا می کنند.افزودن کریولیت باعث می شود نقطه ذوب اکسید آلومینیم که در حدود 2000 درجه سانتی گراد است،به 900 تا950  درجه سانتی گراد کاهش یابد.

افزودن کریولیت باعث می شود نقطه ذوب اکسید آلومینیم که در حدود 2000 درجه سانتی گراد است،به 900 تا 950 درجه سانتی گراد کاهش یابد.

برای احیای یک تن اکسید آلومینیم،4 تا 5 تن بوکسیت kwh17000  کار الکتریکی مورد نیاز است .برای این منظور،از جریانی به شدت  20000تا  100000 آمپر و اختلاف سطحی معادل 4 تا 6 ولت استفاده می شود.(در عمل باید چندین سلول را به طور سری مورد استفاده قرار داد تا بتوان به اختلاف سطح 500 تا 600 ولت کار کرد.)به همین دلیل بهتر است کارخانه های تهیه آلومینیم در مجاورت نیروگاه های برق ایجاد شوند. آلومینیمی که از حمام الکترولیز به دست می آید،به صورت مذاب است و دمایی حدود  1000درجه سانتی گراد دارد. این مذاب را در قالب های فلزی می ریزند وپس از فرم گرفتن برای عملیات بعدی حمل می کنند.آلومینیم به دست آمده از حمام الکترولیز،آلومینیم تصفیه شده نام دارد و دارای درجه خلوص 99 تا 9.99 درصد است.

آلیاژهای آلومینیم

در اثر اضافه کردن عناصری مانند منیزیم،مس،سیلیسیم،روی،سرب و منگنز به آلومینیم،آلیاژهای متعددی از آلومینیم به دست می آید که ویژگی های متنوعی دارند.آلیاژهای آلومینیمی که امروزه تولید می شوند،دارای ویژگی هایی هستند که قبلا از فولادها انتظار می رفت.آلیاژهای آلومینیم را می توان در حالت سرد یا به صورت گرم تغییر فرم داد و آنها را ریخته گری و لحیم کاری یا جوشکاری کرد.در براده برداری از آنها به دلیل طول براده بلند،براده های سمج و متمایل به ماسیدن،باید سرعت برش را زیاد انتخاب کرد و از ابزار های برش دارای زاویه براده زیاداستفاده نمود.این ابزارها لازم است فضای کافی برای جمع شدن و هدایت براده ها نیز داشته باشند. با عملیات حرارتی می توان استحکام آلیاژهای آلومینیم را تا حد چشم گیری افزایش داد. از آن جا که اکسید آلومینیم در برابر خوردگی مقاوم تر از آلومینیم خالص و آلیاژهای آن است،در صنعت سطح قطعات آلومینیمی را به طور مصنوعی به کمک الکتریسیته اکسید می کنند؛این عمل را «الکسیر کردن»می گویند.قشر اکسیدی سرد حاصل از الکسیر کردن بقیه فلز را از تاثیر عوامل جوی و ایجاد خوردگی محفوظ  می دارد و دوام آن نیز افزایش می دهد.از روش های دیگری که برای افزایش مقاومت آلیاژهای آلومینیم در مقابل خوردگی به کار می رود .«پلاته کردن»است. در این روش می توان با پوشش نازکی از آلومینیم خالص یا آلیاژهای مس که در اثر نوردکاری گرم به سطح خارجی مصنوعات ساخته شده از آلیاژهای آلومینیم کشیده می شود ،دوام آنها در مقابل خوردگی افزایش داد .آلیا‍ژهای آلومینیم را می توان به دو گروه اصلی آلیاژهای خمیری و آلیاژهای ریختگی تقسیم کرد.

آلیاژهای خمیری آلومینیم آلیا‍ژهایALCUMG: این آلیاژها به «دورآلومین» نیز تعریف هستند.دور آلومین را می توان سخت کاری کرد ولی قابلیت جوشکاری را ندارند،از آنها  می توان در تولید قطعاتی که تحت تاثیر تنش های زیادی قرار می گیرند (در صنایع هواپیما سازی،اتومبیل سازی و ماشین سازی)بهره گرفت. دوام این آلیاژ ها در مقابل خوردگی کم است؛به همین دلیل ،سطح خارجی آنها را با قشر نازکی از آلومینیم خالص پلاته می کنند.

برای افزایش  قابلیت بهره برداری و تهیه آلیاژ های اتومات،به اندازه 2 تا 5 در صد سرب نیز به آن ها می افزایند.از نمونه این آلیاژ می توان آلیاژ Al cu Mg Pb را نام برد. جرم مخصوص تقریبی این آلیاژها kg/dm38.2  و استحکام کششی آن ها قبل از سختکاری n/mm2230 تا 170 و بعد از آبکاری n/mm2430 تا 330 است.در صد عناصر تشکیل دهنده این آلیاژ ها 5.3 تا 9.4 در صد مس ،2.0 تا 8.1 در منیزیم،2. 0 تا1.1 درصد منگنز و بقیه آلومینیم است.

آلیاژهای  Al Mg Si : این آلیاژها را نیز می توان سختکاری کرد. از ویژگی های دیگرآنها دوام در مقابل خوردگی و قابلیت پولیش کردن آنهاست .اگر به این آلیاژها فلزات دیگری مانند سرب،قلع،کادمیم و برلیم (در مجموع 1 تا 3درصد)نیز بیفزایند،قابلیت براده برداری آن ها افزایش می یابد. جرم مخصوص تقریبی این آلیاژها kg/dm37.2، استحکام کششی آنها قبل از سخت کاریN/MM2125 تا 100 و بعد از سخت کاریN/MM2310تا190 است.در صد عناصر تشکیل دهنده آنها ،6.0 تا 6.1 در سیلسیم،6.0 تا 6.1 در منیزیم،  0تا 3. 0 درصد کرم2. 0 تا1 در صد منگنز و بقیه آلومینیم می باشد.از این آلیاژها در تهیه قطعاتی که تحت تاثیر تنش های متوسط قرارمی گیرند(ساختمان هاو مخزن های ثابت ومتحرک)،استفاده می شود.

آلیاژهای   Al Mg : آلیاژهای این خانواده مثلاً   AlMg3استحکام خوبی دارند و در مقابل خوردگی مخصوصاً در مجاورت آب دریا مقاوم هستند.قابلیت پولیش کاری این آلیاژها باعث می شود که از آن ها در کارهای تزیینی نیز استفاده شود.از مهم ترین آلیاژهای این گروه می توان Al Mg3 را نام برد که در آن به صورت ورق ،لوله و پروفیل در صنایع اتومبیل سازی و کشتی سازی و همچنین ساختن در و پنجره و غیره به کار می برند.تغییر فرم روی این آلیاژها معمولا به صورت سرد و بدون براده برداری انجام می گیرد.نمونه دیگر از آلیاژAlMg7 است. این آلیاژ را می توان به خوبی براده ربداری کرد.از این آلیاژ قطعات وسایل دقیق صنایع اپتیک را می توان تهیه نمود. این آلیاژها قابلیت ریخته گری نیز دارند.

آلیاژهای ریختگی الومینیم

آلیاژهایG-Al Si : این آلیاژها را که به سیلومین نیز معروف هستند، می توان به خوبی ریخته گری و جوشکاری کرد. از این گروه می توان آلیاژ  G-Al Si2 را نام برد که علاوه بر ویژگی  های یاد شده ،در مقابل خوردگی نیز مقاوم بوده و از قابلیت براده برداری خوبی نیز برخوردار است.

از این آلیاژ برای ریخته گری قطعات جدار نازکی که دارای فرم پیچیده ای هستند و در معرض ضربه قرار دارند(بدنه موتورسیکلت ها)استفاده می کنند.موارد استفاده دیگر این آلیاژها به مقدار زیادی در ساختمان ماشین های خانگی(ظرف شویی،رختشویی)و همچنین دستگاه های صنایع غذایی است.جرم مخصوص این آلیاژ ها  Kg/dm3 65.2  و استحکام کششی آن ها N/mm2280 تا 160 می باشد. در صد عناصر تشکیل دهنده این آلیاژ ها 0 تا 5.0 در منگنز، 11 تا 5.13 در سیلیسیم و بقیه آلومینیم است.

آلیاژهای G-Al Si Mg: این آلیاژها را نیز می توان سختکاری و جوشکاری کرد.انقباض و انبساط حرارتی آن ها بسیار کم و در برابر ساییدگی بسیار مقاوم هستند؛دوام آنها در مقابل خوردگی نیز زیاد است.نمونه ای از این آلیاژ ها    G-Al Si Mg    است که برای تهیه  قطعاتی که دارای فرم پیچیده ای هستند و تحت تاثیر تنش های زیادی قرار می گیرند(محفظه موتورها و جعبه دنده ها)مناسب هستند.

منیزیم(Mg)

منیزیم فلزی است نرم به رنگ سفید نقره ای که از سبک ترین فلزات است.استحکام آن خیلی کم و در مقابل اکسید شدن وخوردگی مقاومت زیادی ندارد. منیزیم به صورت براده ،پودر ودر حالت مذاب ،به سرعت می سوزد. به همین دلیل می باید در هنگام ذوب ریخته گریمنیزیم و آلیاژهای آن تماس مذاب را با اکسیژن قطع نمود.منیزیم خالص به دلیل استحکام کمی که دارد در صنعت برای ساخت قطعات صنعتی مورد استفاده ندارد و از آن به عنوان یک ماده گوگردگیر و جاذب اکسیژن در ریخته گری فلزات استفاده می شود.ازمنیزیم به عنوان تبدیل کننده کربن موجود در چدن ها به گرافیت کروی نیز استفاده می شود. از آنجا که این فلز به راحتی می سوزد و نور درخشانی از خود منتشر می کند از آن در ساخت وسایل آتش بازی و تهیه فلاش های عکاسی نیز بهره می گیرند. از منیزیم به عنوان ماده اصلی آلیاژهای منیزیم استفاده می شود و به عنوان یک فلز آلیاژی در آلیاژهای آلومینیم و مس نیزبه کار می رود.منبع اصلی منیزیم آب دریاست.

تهیه منیزیم: منیزیم را در صنعت از سنگ های معدنی کارنالیت (5.8 در صد منیزیم) یا دلمیت (12 درصد منیزیم) به دست می آورند. برای تهیه منیزیم لازم است ابتدا سنگ های معدنی را به کلرید منیزیم تبدیل کنیم.برای این منظور به شرح زیر  عمل می شود:

الف:کارنالیت در دستگاه حل کننده شسته و تمیز می شود،سپس در یک فیلتر صاف شده و در یک دستگاه

بخار نا خالصی های آن از بین می رود و جسم سختی به نام کلرید منیزیم متبلور به دست می آید.برای گرفتن آب اضافی،محلول را به یک کوره گردان هدایت می کنند تا کلرید منیزیم آماده برای حمل به حمام الکترولیز شود.

ب:در صورتی که از سنگ معدنی ماگنزیت استفاده می شود،آن را در کوره دوار برشته می کنند تا اکسید منیزیم به دست آید،سپس ،در یک کوره آن را با گاز کلر ترکیب می کنند تا کلریدمنیزیم حاصل شود.

ج:در صورت استفاده از دلمیت،آن را در کوره دوار حرارت می دهندتا برشته شودو اکسید منیزیم به دست آید؛سپس،با روش های مختلف آن را با کلر ترکیب می کنند تا کلرید منیزیم تولید شود.

کلرید منیزم حاصل را برای تهیه منیزیم به حمام الکترولیز هدایت می کنند. با این روش ،منیزیم با درجه خلوص 7.99 در صد به دست می آید.

با اضافه کردن عناصری مانند آلومینیم ،روی ،منگنز،مس و سیلیسیم به منیزیمف می توان آلیاژهای متنوعی را تولید کرد.آلیاژهای منیزیم دارای استحکام زیاد و وزن سبکی هستند.

این آلیاژها را معمولا به وسیله ابزار های براده برداری بهتر از انواع فلزات دیگر می توان براده برداری کرد. به عنوان مایع خنک کننده  باید از مایع خنک کننده رقیق استفاده کرد که در آن آب وجود نداشته باشد(مانندروغن متهفروغن چغندر)؛در غیر این صورت ،باید حتما آن را خشک براده برداری کرد.چون براده های ظریف این آلیاژها به راحتی آتش می گیرند،لذا لازم است برای خاموش کردن آن ها از ماسه یا براده های چدن استفاده شود.برای این منظور ،هرگز از آب استفاده نکنید زیرا به آتش دامن می زند وآن را به طور ناگهانی شعله ور می سازد.آلیاژ های منیزیم را نیز به دو گروه  آلیاژهای خمیری و ریختگی تقسیم می کنند. شایان ذکر است که در تغییر فرم بدون براده برداری آلیاژهای خمیری،لازم است ابتدا آن ها را تا حدودc300 گرم کرد.آلیاژهای منیزیم به سرعت تحت تاثیر عوامل جوی قرار می گیرند و به همین دلیل ،باید روی آن ها را با قشری محافظ پوشش داد.نوعی آلیاژ منیزیم که 90 در صد منیزیم داشته و علاوه بر آلومینیم،روی یا منگنز نیز به همراه دارد به نام تجارتی «الکترون» معروف است.

برلیم(Be)

برلیم فلزی است سخت و شکننده به رنگ سفیدنقره ای.از این فلز در تهیه آلیاژهای مس- بریلیم،شمع هواپیماها،بوته های ذوب پوشش منعکس کننده آئینه های خورشیدی و مخروط دماغه موشک ها استفاده می شود.برای تهیه این فلز سنگ معدنی آن را با احیای شیمیایی به صورت کلوخه های کوچک متبلور در می آورند و با ذوب مجدد آن ها گرد بریلیم به دست می آید. این گرد با روش متالورژی پودر و نوردکاری گرم به قطعه تبدیل می شود.قیمت بریلیم در حد یک فلز قیمتی است و کاربرد عمده آن در سخت کردن مس و نیکل در مفرغ های برلیم است. همچنینکاربرد وسیعی در صنایع نظامی ،الکترونیکی و اتمی دارد.قابلیت هدایت حرارتی  فوق العاده قابلیت هدایت برقی خوبی دارد.ورق نازک آن به ضخامت 0125/0 میلیمتر در لامپ های خلا به کار برده می شود.آلیاژهای مس به همراه بریلیم (3 درصد)در یاتاقان لکوموتیو،فنر،ابزارهای ضد جرقه و قالب های پلاستیک کاربرد دارند.آلیاژ بریلیم نیکل(9/1 درصد بریلیم،5/0 درصد منگنز و بقیه نیکل)دوام چشم گیری در برابر پیچش دارد و در ساختن فنر ها مورد استفاده قرار می گیرد.

تیتانیم(Ti)تیتانیم فلزی است نقره فام مایل به خاکستری.سبکی وزن و مقاوم به خوردگی و سایش و استحکام زیاد آن موجب کاربرد آن در وسایل هواپیما،سفینه های فضایی،وسایل نظامی و لوازم جراحی شده است.آلیاژهای تیتانیم دار ماده اصلی ساختمان هواپیماهای ما فوق صوت است.

روش تهیه تیتانیم : سنگ معدن تیتانیمبه صورت اکسید تیتانیم(Tio2) و اکسید آهن دار تیتانیم(FeTiO2)معمولا در کشور های استرالیا ،هندوستان و نروژ و کانادا یافت می شود.برای تهیه تیتانیم ،ابتدا سنگ معدن ان کلریزه می کنند تا کلرید تیتانیم به دست آید؛سپس به کمک منیزیم،تیتانیم به فرم اسفنج حاصل می شود. باذوب مجدد تیتانیم اسفنجی در کوره قوس الکتریکی تیتانیم به دست می آید.

ویژگی ها و کاربرد تیتانیم : تیتانیم استحکامی معادل فولادهای خوب ساختمانی دارد و استحکام خود را تا دمای C400 نیز حفظ می کند. از این فلز به عنوان فلزآلیاژی در فولادها وهمچنین آلیاژهای آلومینیم مورد استفاده در صنایع هواپیما سازی  استفاده می گردد.کاربید تیتان در تهیه فلزات سخت مورد استفاده قرار می گیرد.

آلیاژهای تیتانیم

آلیاژهای تیتانیم دارای 5 تا 7 در صد آلومینیم هستند و بر حسب مورد استفاده ممکن است دارای 5/2 درصد قلع،4درصد وانادیم یا مولیبدن نیز باشند.این آلیاژها در مقابل  خوردگی مقاومت خوبی دارند.جرم مخصوص آن ها کم (KG/DM345/4 )است و استحکام کششی بالایی(N/mm21000تا700) برخوردارند، به همین دلیل از این آلیاژها در صنایع هواپیمایی،شیمیایی و کاغذ سازی استفاده می شود.آلیاژهای تیتانیم در تهیه پره های توربین ها ،بدنه هواپیماهای ما فوق صوت،آنتن های رادار،اتومبیلهای کورسی،بدنه تانک ها،کله گی نگهدارنده پروانه هلیکوپترها کاربرد دارند. آلیاژهای تیتانیم را می توان با سرعت برش های کم(10 تا20 متر بر دقیقه در تراش کاری،4تا8 متر بر دقیقه در سوراخ کاری)و با جریان زیاد مایع خنک کننده براده برداری کرد.