آلیاژهای منیزیم: کاربرد، طبقه بندی و خواص

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 10:25

آلیاژهای منیزیم دارای تعدادی خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد هستند که اصلی ترین آنها چگالی کم و استحکام بالا است. ترکیب این خصوصیات در مواد با افزودن منیزیم امکان تولید محصولات و سازه هایی با ویژگی های مقاومت بالا و وزن کم را فراهم می کند.

ویژگی های منیزیم

تولید صنعتی و استفاده از منیزیم نسبتاً اخیراً - فقط حدود 100 سال پیش - آغاز شده است. این فلز جرم کمی دارد، زیرا چگالی نسبتاً کمی دارد (1.74 گرم بر سانتی‌متر)، مقاومت خوبی در برابر هوا، مواد قلیایی، محیط‌های گازی حاوی فلوئور و روغن‌های معدنی دارد.

نقطه ذوب آن 650 درجه است. با فعالیت شیمیایی بالا تا احتراق خود به خود در هوا مشخص می شود. استحکام کششی منیزیم خالص 190 مگاپاسکال، مدول الاستیک 4500 مگاپاسکال و ازدیاد طول نسبی 18 درصد است. این فلز توانایی میرایی بالایی دارد (به طور موثر ارتعاشات الاستیک را جذب می کند) که به آن کمک می کند.تحمل ضربه عالی و کاهش حساسیت به پدیده های تشدید.

از دیگر ویژگی های این عنصر می توان به هدایت حرارتی خوب، توانایی کم در جذب نوترون های حرارتی و برهمکنش با سوخت هسته ای اشاره کرد. با توجه به ترکیبی از این ویژگی ها، منیزیم یک ماده ایده آل برای ایجاد پوسته های مهر و موم شده هرمتیک از عناصر با دمای بالا در راکتورهای هسته ای است.

آلیاژ منیزیم به خوبی با فلزات مختلف ترکیب می شود و یکی از عوامل احیا کننده قوی است که بدون آن فرآیند متالوترمی غیر ممکن است.

در شکل خالص خود، عمدتاً به عنوان افزودنی آلیاژی در آلیاژهایی با آلومینیوم، تیتانیوم و برخی عناصر شیمیایی دیگر استفاده می شود. در متالورژی آهنی، از منیزیم برای گوگردزدایی عمیق فولاد و چدن استفاده می شود و خواص دومی با کروی شدن گرافیت بهبود می یابد.

منیزیم و مواد افزودنی آلیاژی

رایج ترین افزودنی های آلیاژی مورد استفاده در آلیاژهای مبتنی بر منیزیم شامل عناصری مانند آلومینیوم، منگنز و روی است. از طریق آلومینیوم، ساختار بهبود می یابد، سیالیت و استحکام مواد افزایش می یابد. معرفی روی همچنین به دست آوردن آلیاژهای قوی تر با اندازه دانه کاهش می یابد. با کمک منگنز یا زیرکونیوم، مقاومت به خوردگی آلیاژهای منیزیم افزایش می یابد.

افزودن روی و زیرکونیوم باعث افزایش استحکام و شکل پذیری مخلوط های فلزی می شود. و وجود خاک کمیاب خاصعناصری مانند نئودیمیم، سریم، ایتریم و غیره به افزایش قابل توجه مقاومت حرارتی و به حداکثر رساندن خواص مکانیکی آلیاژهای منیزیم کمک می‌کنند.

برای ایجاد مواد فوق سبک با چگالی 1.3 تا 1.6 گرم در مترمربع، لیتیوم به آلیاژها وارد می شود. این افزودنی باعث می شود وزن آنها به نصف در مقایسه با مخلوط های فلزی آلومینیوم کاهش یابد. در عین حال، شاخص های انعطاف پذیری، سیالیت، کشش و قابلیت ساخت آنها به سطح بالاتری می رسد.

طبقه بندی آلیاژهای منیزیم

آلیاژهای منیزیم بر اساس تعدادی معیار طبقه بندی می شوند. این است:

• با توجه به روش پردازش - برای ریخته گری و تغییر شکل؛
• با توجه به درجه حساسیت به عملیات حرارتی - به غیر سخت شده و سخت شده توسط عملیات حرارتی؛
• بر اساس خواص و کاربردها - برای آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت، استحکام بالا و مصارف عمومی؛
• طبق سیستم آلیاژی - چندین گروه از آلیاژهای منیزیم فرفورژه غیرقابل سخت شدن و سخت شدن حرارتی وجود دارد.

آلیاژهای ریخته گری

این گروه شامل آلیاژهایی با افزودن منیزیم است که برای تولید قطعات و عناصر مختلف با ریخته‌گری شکل‌دار طراحی شده‌اند. آنها خواص مکانیکی متفاوتی دارند که بسته به آن به سه دسته تقسیم می شوند:

• مقاومت متوسط؛
• استحکام بالا؛
• مقاوم در برابر حرارت.

از نظر ترکیب شیمیایی، آلیاژها نیز به سه گروه تقسیم می شوند:

• آلومینیوم + منیزیم + روی;
• منیزیم + روی + زیرکونیوم;
• منیزیم + خاک کمیابعناصر + زیرکونیوم.

خواص ریخته گری آلیاژها

بهترین خاصیت ریخته گری در بین محصولات این سه گروه دارای آلیاژهای آلومینیوم منیزیم است. آنها به کلاس مواد با مقاومت بالا (تا 220 مگاپاسکال) تعلق دارند، بنابراین بهترین گزینه برای ساخت قطعات موتور هواپیما، اتومبیل و سایر تجهیزاتی هستند که تحت بارهای مکانیکی و حرارتی کار می کنند.

برای افزایش ویژگی های استحکام، آلیاژهای آلومینیوم-منیزیم با عناصر دیگر نیز آلیاژ می شوند. اما وجود ناخالصی‌های آهن و مس نامطلوب است، زیرا این عناصر بر جوش‌پذیری و مقاومت به خوردگی آلیاژها تأثیر منفی می‌گذارند.

آلیاژهای منیزیم ریخته گری در انواع مختلف کوره های ذوب تهیه می شوند: کوره های طنین دار، کوره های بوته ای با گرمایش گاز، نفت یا برق، یا کوره های القایی بوته.

شار و مواد افزودنی ویژه برای جلوگیری از احتراق در حین ذوب و ریخته‌گری استفاده می‌شود. ریخته گری با ریخته گری در قالب های ماسه، گچ و پوسته، تحت فشار و با استفاده از مدل های سرمایه گذاری تولید می شود.

آلیاژهای فرفورژه

در مقایسه با آلیاژهای ریخته گری، آلیاژهای منیزیم فرفورژه قوی تر، انعطاف پذیرتر و سخت تر هستند. آنها برای تولید بلنک ها با نورد، فشار دادن و مهر زنی استفاده می شوند. به عنوان عملیات حرارتی محصولات، سخت شدن در دمای 350-410 درجه و به دنبال آن سرد شدن خودسرانه بدون پیری استفاده می شود.

وقتی گرم می شودخواص پلاستیکی این گونه مواد افزایش می یابد، بنابراین، پردازش آلیاژهای منیزیم با استفاده از فشار و در دمای بالا انجام می شود. مهر زنی در دمای 280-480 درجه در زیر پرس ها توسط قالب های بسته انجام می شود. در نورد سرد، تبلور مجدد میانی مکرر بازپخت انجام می شود.

هنگام جوشکاری آلیاژهای منیزیم، به دلیل حساسیت چنین موادی به گرمای بیش از حد، ممکن است استحکام درز محصول در قسمت هایی که جوشکاری انجام شده کاهش یابد.

زمینه های کاربرد آلیاژهای منیزیم

محصولات مختلف نیمه تمام - شمش، اسلب، پروفیل، ورق، آهنگری و غیره از طریق ریخته گری، تغییر شکل و عملیات حرارتی آلیاژها تولید می شوند. این بلنک ها برای تولید المان ها و قطعات دستگاه های فنی مدرن مورد استفاده قرار می گیرند که راندمان وزنی سازه ها (وزن کاهش یافته) با حفظ ویژگی های مقاومتی آنها در اولویت قرار دارد. در مقایسه با آلومینیوم، منیزیم 1.5 برابر سبک تر و 4.5 برابر سبک تر از فولاد است.

در حال حاضر، استفاده از آلیاژهای منیزیم به طور گسترده در صنایع هوافضا، خودروسازی، نظامی و سایر صنایع انجام می شود، جایی که هزینه بالای آنها (برخی گریدها حاوی عناصر آلیاژی بسیار گران قیمت هستند) از نقطه نظر اقتصادی توجیه می شود. امکان ایجاد تجهیزاتی بادوام تر، سریع تر، قوی تر و ایمن تر که می تواند در شرایط شدید، از جمله زمانی که در معرض دمای بالا قرار می گیرد، به طور موثر کار کند.

به دلیل پتانسیل الکتریکی بالای خود، این آلیاژها مواد بهینه برای ایجاد محافظ هایی هستند که حفاظت الکتروشیمیایی سازه های فولادی مانند قطعات خودرو، سازه های زیرزمینی، سکوهای نفتی، کشتی های دریایی و غیره را در برابر فرآیندهای خوردگی ایجاد می کنند. تحت تأثیر رطوبت، آب شیرین و دریا.

آلیاژها با افزودن منیزیم نیز در سیستم‌های مهندسی رادیویی مختلف مورد استفاده قرار گرفته‌اند، جایی که از آنها برای ایجاد کانال‌های صوتی برای خطوط اولتراسونیک برای به تاخیر انداختن سیگنال‌های الکتریکی استفاده می‌شود.

نتیجه گیری

صنعت مدرن از نظر استحکام، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت ساخت، تقاضاهای بیشتری را برای مواد ایجاد می کند. استفاده از آلیاژهای منیزیم یکی از نویدبخش ترین زمینه ها است، بنابراین تحقیقات مربوط به جستجوی خواص جدید منیزیم و احتمالات کاربرد آن متوقف نمی شود.

در حال حاضر استفاده از آلیاژهای مبتنی بر منیزیم در ساخت قطعات و ساختارهای مختلف، کاهش وزن آنها را تقریباً 30 درصد و افزایش استحکام کششی تا 300 مگاپاسکال را ممکن می سازد، اما به گفته دانشمندان، از حد مجاز این فلز منحصر به فرد دور است.