آلیاژهای منیزیم و کاربردها

آلیاژهای منیزیم با آلومینیوم

دو تا از معروف‌ترین آلیاژهای این گروه به نام‌های Birmabright و Magnalium می‌باشد. آلیاژهایی که حاوی توریم می‌باشد خیلی کاربردی نمی‌باشند. زیرا در کنار توریم حتماً باید یک جز رادیواکتیو موجود باشد.
آلیاژهای منیزیم به دو صورت ریختگری و کارشده به کار می‌رود. آلیاژهای منیزیم حاوی آلومینیوم معمولاً برای ریختگری و آنهایی که حاوی زیرکونیوم می‌باشند عموماً برای حالت کارشده‌استفاده می‌شود؛ آلیاژهای حاوی زیرکونیوم را همچنین می‌توان در دماهای بالاتر استفاده نمود. آلیاژهای منیزیم حاوی ایتریم، خاکی کمیاب و زیرکونیوم مانند WE54 و WE43 می‌توانند در شرایطظ خزشی تا دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد کار کنند و در برابر خوردگی مقاوم باشند.

ویژگی‌ها

نسبت مقاومت به وزن آلیاژهای رسوب سختی منیزیم با مستحکم‌ترین آلیاژهای آلومینیوم یا با فولادهای آلیاژی قابل مقایسه می‌باشد. آلیاژهای منیزیم چگالی کمتر، قابلیت تحمل بار بر واحد وزن بیشتر و مدول خاص بالاتری دارند. آلیاژهای منیزیم عموماً در مواردی که نیاز به استحکام زیاد نمی‌باشد یا در مواردی که وزن کم و شکل پذیری مناسب مد نظر باشند عموماً مورد استفاده قرا می‌گیرند. برخی آلیاژهای منیزیم برای کاربرد در بدنه هواپیما یا قطعاتی که با سرعت در حال چرخش و رفت و برگشت در ماشین آلات می‌باشند به صورت پیچیده‌ای ریختگری می‌شوند. استحکام آلیاژهای منیزیم در دماهای تا حدودی بالا کاهش می‌یابد؛ بطوری‌که دماهای بالاتر از ۲۰۰ درجه فارنهایت (۹۳ درجه سانتی گراد) باعث کاهش قابل توجهی در عملکرد آلیاژ منیزیم می‌شود.
علی رغم ماهیت واکنش پذیر فلز، منیزیم و آلیاژهای آن دارای مقاومت خوب در برابر خوردگی می‌باشند. نرخ خوردگی بسیار کند می‌باشد. اما غوطه وری آلیاژ منیزیم در آب نمک باعث خوردگی شدید می‌شود، با این حال آلیاژهای کار شده منیزیم به دلیل وجود تخلل کمتر و حضور نیکل و کرم در ترکیب خود دارای مقاومت به خوردگی بالاتری در آب نمک می‌باشند.
خوردگی ممکن است حتی در محیط‌هایی که کمتر محافظت شده‌اند و هوا جریان دارد یا بارندگی اتفاق میفتد نیز رخ دهد. قطعات آلیاژ منیزیم به جز محیط‌های خورنده ضعیف، عموماً رنگ می‌شوند. برای اطمینان از چسبندگی مناسب رنگ، قطعات به وسیله سایش، سنگ زنیو شستشو با اسید دی کرومات تمیز می‌شوند و سپس رنگ می‌شوند.
مشکلات فنی حذف ناخالصی کلرید از قطعات ساخته شده، پیشرفت و توسعه این آلیاژ را با تأخیر روبرو ساخت. با یافتن راه حل نهایی حذف کلراید، راه برای کشف و بهره‌برداری از آلیاژهای جدید روشن شد و الزام استفاده از این آلیاژ در سیستم‌های هوا و فضا و سیستم‌های دفاعی الزامی شد.
وزن مخصوص کم با استحکام بالا از مزایای خاص منیزیم می‌باشد. دانسیته کم منیزیم (تقریباً ۱۸۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب) نسبت به آلومینیوم آلومینیوم (حدود ۲۸۰۰ کیلوگرم / متر مکعب) از خواص منحصر به فرد منیزیم می‌باشد. البته شایان ذکر است که خواص مکانیکی آلیاژهای منیزیم، در مقایسه با آلیاژهای آلومینیوم پایین‌تر می‌باشد.
عناصر گادولینیوم و ایتریم به پیر سختیو مقاومت در دمای بالای آلیاژ منیزیم کمک می‌کنند. نسبت‌های مولی گادولونیوم به ایتریوم حدود ۰: ۱، ۱: ۱، ۳: ۱ و ۱: ۰ با یک مقدار ثابت ۲٫۷۵ درصد مولی در آلیاژهای منیزیم مورد بررسی قرار گرفت. همه آلیاژهای بررسی شده نشان از پدیده پیر سختی قابل توجه فاز رسوب سخت شونده β با ساختار بلوری DO19 و فاز β با ساختار بلوری BCO حتی در دماهای پیر سازی بالاتر از ۲۰۰ درجه سانتی گراد داشتند. هر دو رسوب در پیک نمونه‌های پیر سختی شده مشاهده شد. رسوبات حاصل از پیر سختی بسیار ریز بوده و با افزایش مقدار گادولونیوم افزایش می‌یابند که باعث افزایش پیک سختی، استحکام کششی و تنش تسلیم شده اما تغییرات طول را کاهش می‌دهد. از سوی دیگر، مقدار بیشتر ایتریم تغییرات طول را افزایش و استحکام را کاهش می‌دهد.

کارسرد و کار گرم

آلیاژهای منیزیم با هر نوع کار سرد به سرعت سخت شده بدون آنیل مکرر نمی‌تواند کار سرد شوند؛ لذا عملیات خمش‌های تیز، پیچش یا کشش باید در حدود ۵۰۰ تا ۶۰۰ درجه فارنهایت (حدود ۲۶۰ تا ۳۱۶ درجه سانتی گراد) انجام می‌شود، اگر چه خمش ملایم با شعاع بزرگ‌تر می‌تواند در دماهای پایین‌تر انجام شود. شکل‌دهی آهسته نتایج بهتری از شکل دهی‌های سریع دارد. فورج پرسی به دلیل تخصیص بیشتر زمان به جریان مواد نسبت به فورج چکشی ترجیح داده می‌شود، محدوده دمایی فورج پلاستیک حدود ۵۰۰ تا ۸۰۰ درجه فارنهایت (۲۶۰–۴۲۷ درجه سانتی گراد) می‌باشدبطوری‌که فورج خارج از این محدوده دمایی باعث می‌شود تا قطعه به راحتی شکسته شود.

ریختگری

آلیاژهای منیزیم، به خصوص آلیاژهای رسوب سخت شونده، در ریختگری کاربرد دارند. روش‌های ریختگری ماسه‌ای، قالب دائمی و ریختگری قالب فلزی از روش‌های پر کاربرد ریختگری آلیاژهای منیزیم می‌باشد. ریختگری ماسه‌ای در قالب ماسه‌ای خام به دلیل اینکه منیزیم با رطوبت موجود در شن و ماسه واکنش نشان داده و اکسید منیزیم تشکیل شده و هیدروژن خارج می‌شود یک تکنیک خاص نیاز دارد. اکسید در مناطق خالی روی سطح مذاب شکل گرفته هیدروژن آزاد شده باعث تخلخل می‌گردد. مهارکننده‌ها مانند گوگرد، اسید بوریک، اتیل گلیکول، یا فلوراید آمونیوم با شن و ماسه ترکیب شده و مانع واکنش می‌شوند. همه قالب‌های تحت جاذبه نیاز به ستون بزرگ تغذیه فلز مذاب دارند این کار باعث ایجاد فشار اندازه کافی بزرگ برای خروج حباب‌ها و گازها از قالب می‌شود. ضخامت دیوار ریختگری باید حداقل ۵٫۳۲ اینچ باشد. در اغلب شرایط راه گاه‌های بزرگ باید در همه گوشه‌ها به دلیل تمرکز تنش‌های زیاد در آلیاژهای ریختگری، فراهم شود. قالب ریختگری دائمی از آلیاژهای مشابه ساخته شده و در مورد خواص فیزیکی مشابه ریختگری شن و ماسه است. از آنجا که انقباض حین انجماد منیزیم مشابه آلومینیوم می‌باشد، قالب‌های کاربردی برای آلومینیوم اغلب می‌تواند برای منیزیم نیز به کار برده شود. ریختگری جداره سرد برای تولید کم قطعات استفاده می‌شود. انجماد سریع ناشی از تماس مذاب با قالب سرد باعث ایجاد یک ساختار متراکم خواص فیزیکی بسیار عالی می‌شود. پرداخت و دقت ابعادی بسیار خوب و ماشینکاری تنها در جایی که دقت فوق‌العاده مورد نیاز ابوده انجام خواهد شد. معمولاً قطعات حاصل از این ریختگری تحت عملیات حرارتی قرار نمی‌گیرند.

جوشکاری و لحیم کاری

بسیاری از آلیاژهای منیزیم استاندارد به راحتی با گاز یا جوشکاری مقاومتی جوشکاری می‌شوند، اما با اکسیژن برش داده نمی‌شوند. آلیاژهای منیزیم به دلیل تشکیل ترکیبات بین فلزی شکننده یا تشکیل ترکیبات خورنده با فلزات دیگر عمدتاً جوش کاری نمی‌شونددر حالیکه دو یا چند قطعه باید به یکدیگر جوش داده شوند، ساختار در محل جوش باید یکسان باشد. لحیم کاری آلیاژهای منیزیم تنها برای از بین بردن عیوب سطحی نقطه‌ای امکان‌پذیر است. اتصالات مفصلی در سازه منیزیمی معمولاً از اتصالت آلومینیومی یا آلومینیوم - منیزیمی استفاده می‌شود. میخ‌های پرچ اغلب از جنس منیزیم نیستند زیرا در دماهای بالا کارکرد خود را از دست می‌دهند.

ماشینکاری

یکی از جاذبه‌های خاص آلیاژهای منیزیم خواص ماشین کاری فوق‌العاده خوب آن‌ها می‌باشد. قدرت لازم برای برش آن‌ها بسیارکم و سرعت برش بسیار بالایی (۵۰۰۰ فوت در هر دقیقه در برخی موارد) دارند.. هنگامی که منیزیم در سرعت بالا برش داده می‌شود، ابزار باید تیز بوده و در همه جهات برنده باشد. کسل‌کننده، ابزارها در در سرعت بالا ممکن است گرمای کافی برای مشتعل کردن تراشه‌های ریز را تولید کند. از آنجا که براده‌ها و گرد و غبار حاصل از سنگ زنی می‌تواند به راحتی مشتعل شود، سنگ زنی باید با یک مایع خنک‌کننده یا با یک دستگاهی که گرد و غبار حاصل از سنگ زنی را در زیر آب مدفون کند انجام می‌شود. سنگ مورد استفاده برای منیزیم باید برای فلزات آهنی استفاده می‌شود زیرا یک جرقه ممکن است گرد و غبار حاصل از سنگ زنی را مشتعل کند. چنانچه منیزم مشتعل شود، می‌توان آن را با چدن، شن و ماسه خشک یا با مواد دیگر خاموش کرد. در صورت اشتعال آب یا مایع خاموش هرگز نباید مورد استفاده قرار گیرد، زیرا آن‌ها آتش حاصله را پراکنده می‌کنند. تکنیک‌های ویژه‌ای که باید در ساخت منیزیم (کارشده، ریختگری، و پرچ شده) استفاده می‌شود هزینه تولید را افزایش می‌دهد. در انتخاب بین آلومینیوم و منیزیم، هزینه فلز پایه نسبت به هزینه‌های ساخت خیلی مهم نمی‌باشد[۴]. به جز یک یا دو آلیاژ نرم، ماشینکاری یک مرحله میانی برای شکل‌دهی می‌باشد.

اکستروژن داغ

منیزیم خالص به دلیل خواص مکانیکی ضعیفی که دارد عموماً اکسترود می‌شود. عناصر آلیاژی اصلی شامل آلومینیوم، روی، سریم و زیرکونیوم؛ منگنز بوده زیرا بر روی استحکام اثر کمی دارند اما مقاومت به خوردگی را افزایش می‌دهند. یک آلیاژ دوتایی مهم، حاوی تا ۲ درصد منگنز، به‌طور گسترده‌ای برای تولید ورق نورد استفاده می‌شود. این آلیاژ نسبتاً نرم و راحت‌تر از دیگر آلیاژها اکسترود شده و همچنین یکی از معدود آلیاژهایی بوده که می‌تواند به‌طور مستقیم بدون پیش اکستروژن، نورد شود. در انگلستان، اکستروژن بر روی بیلت ۲٫۸۷–۱۲ اینچ (۷۳–۳۰۵ میلی‌متر) در قطر انجام می‌شود. اکستروژن منیزیم به‌طور کلی شبیه به آلیاژهای پایه آلومینیوم بوده اما، با توجه به قانون Wilkinson and fox، طراحی قالب نیاز به توجه خاص داشته بطوری‌که طول تحمل بار کوتاه و ورودی قالب قالب تیز باشد.
سختی آلیاژها به نسبت حضور عناصر پیر سخت شونده با اکستروژن افزایش می‌یابد، و درجه حرارت کار افزایش می‌یابد. دمای شمش به اندازه سطح مقطع، میزان کاهش سطح بستگی دارد اما در محدوده ۲۵۰–۴۵۰ درجه سانتی گراد (۴۸۲–۸۴۲ درجه فارنهایت) هستند. دمای محیط باید یکسان یا تنها کمی بالاتر از دمای شمش باشد. پیش گرم شمش باید یکنواخت باشد تا همگنی ساختار حفظ شود.
ساختار اولیه شمش و روش ریختگری که منجر به تشکیل ساختار دانه ریز می‌شود بسیار مهم می‌باشد. در مواد دانه درشت، ذرات بزرگتر کمتر حل شده، و منجر به ایجاد یک گرادیان حلالیت می‌شوند. در آلیاژهای منیزیم، این کار باعث تنش‌های داخلی شده و می‌توانید یکنواختی حرارتی را تحت تأثیر قرار دهد.
آلیاژهای دوتایی منیزیم منگنز (AM505) به راحتی در فشارهای پایین در محدوده دمای ۲۵۰ تا ۳۵۰ درجه سانتی گراد (۴۸۲–۶۶۲ درجه فارنهایت). اکسترودمی‌شوند. درجه حرارت واقعی به میزان کاهش طول بستگی داشته و شرایط اکستروژن نسبتاً غیر حساس می‌باشد. شرایط سطحی خوب اکستروژن تنها درسرعت‌های بالا (۵۰–۱۰۰ فوت در هر دقیقه) به دست می‌آید.
آلیاژهای شامل آلومینیوم و روی، به ویژه به ویژه آلیاژهایی که آلومینیوم بیشتری دارند مانند AZM و AZ855 به دلیل پارگی گرم مشکلات زیادتری در اکستروژن دارند. آلیاژهای حاوی ۶ درصد آلومینیوم بیا مقادیر بیشتر Mg4Al3، یک ذوب یوتکتیکی در ۴۳۵ درجه سانتیگراد اتفاق می‌افتد. دمای اکستروژن ممکن است بین۲۵۰ تا۴۰۰ درجه سانتیگراد (۴۸۲ تا ۷۵۲ درجه فارنهایت) متفاوت باشد، در دماهای بالاتر، سرعت تا محدود ۱۲ فوت در دقیقه محدود می‌شود. ریختگری مداوم همگنی این آلیاژ را بهبود می‌بخشد.
آلیاژهای منیزیم-روی-زیرکونیوم، ZW2 و ZW3، یک پیشرفت قابل توجهی در تکنولوژی آلیاژ منیزیم بود. آن‌ها استحکام بالایی دارند اما از آنجایی که آلومینیوم ندارند شمش ریختگری شده تنها حاوی مقادیر کمی از فاز دوم می‌باشد. از آنجایی که دمای انجماد در حدود ۱۰۰ درجه سانتی گراد (۱۸۰ درجه فارنهایت) می‌باشد، خطر پارگی گرم در سرعت‌های نسبتاً بالای اکستروژن بسیار کاهش می‌یابد. با این حال، خواص مکانیکی به زمان پیش گرمایش، درجه حرارت و سرعت اکستروژن و زمان پیش گرمایش بسیار حساس می‌باشد، و خواص مشابه آلیاژهای حاوی آلومینیوم می‌دهد برای رسیدن به خواص بهتر باید دفعات حرارت دهی کم و دما و سرعت اکستروژن پایین باشد. افزایش مقدار روی تا حدود ۵ یا ۶ درصدمانند آلیاژهای ZK60 و ZK61، حساسیت به سرعت اکستروژن را کاهش می‌دهد.

آلیاژهای منیزیم

اخیراً اسکاندیم و گادولینیوم به عنوان عناصر آلیاژی استفاده می‌شوند؛ یک آلیاژ با ۱ درصد منگنز، ۰٫۳ درصد اسکاندیم و ۵ درصد گادولینیم، مقاومت در برابر خزش مناسبی را دردمای ۳۵۰ درجه سانتیگراد باعث می‌شود. ترکیب فیزیکی این عناصر بسیار پیچیده می‌باشد، زیرا ترکیبات بین فلزی Mn2Sc تشکیل می‌شود. اربیم نیز به عنوان یک افزودنی در نظر گرفته شده‌است.

آلیاژهای منیزیم – لیتیم

اضافه کردن حدود ۱۰ درصد لیتیوم به منیزیم باعث می‌شود تا آلیاژ مورد نظر به عنوان آند با یک کاتد دی‌اکسید منگنز در باتری به کار برده شود[۱۶]. آلیاژهای منیزیم-لیتیوم به‌طور کلی نرم و انعطاف‌پذیر ب و دانسیته آن g / cm31.4 بوده که برای سیستم‌های فضای بسیار جذاب می‌باشد.
شبیه‌سازی مکانیکی کوانتومی برای پیش‌بینی تشکیل آلیاژهای منیزیم-لیتیوم منظم مورد استفاده قرار گرفت[۱۷]. این روش پیش‌بینی می‌کند که اضافه کردن حدود ۱۳ درصد باعث شکل‌گیری یک ساختار منظم مکعبی می‌شود.

آلیاژهای غیرقابل اشتعال

با افزودن حدود ۲ درصد کلسیم به آلیاژ منیزیم AM60، آلیاژ غیرقابل احتراق AMCa602 حاصل می‌شود[۱۸]. واکنش اکسیداسیون کلسیم باعث تشکیل یک پوشش اکسید کلسیم می‌شود که مانعاشتعال منیزیم می‌شود. درجه حرارت اشتعال آلیاژ تا۲۰۰–۳۰۰ درجه کلوین افزایش می‌یابد (فضای بدون اکسیژن بالا برای عملیات ماشینکاری لازم نیست).

کاربردهای منیزیم

طراحان، ارتباط و همکاری تنگاتنگی با تولیدکنندگان منیزیم برقرار نموده‌اند. شاهدی بر این مدعا این است که ۷۰ درصد منیزیم ریخته‌گری تولیدی برای صنعت خودرو تهیه می‌شود. کاهش وزن خودرو به اندازه ۱۰۰ کیلوگرم باعث کاهش مصرف ۵۱ درصد لیتر بنزین در۱۰۰ کیلوگرم می‌شود. پیش‌بینی می‌شود در سال‌های آینده وزن قطعات ریخته‌گری شده از منیزیم به‌طور میانگین در هر خودرو به ۴۰ کیلوگرم برسد. استفاده از منیزیم در موتورهای احتراق داخلی وزن آن‌ها را از ۱۲۰۰ کیلوگرم به ۹۰۰ کیلوگرم کاهش داده است. در جایگزینی آلیاژ موتور به ترتیب ۳۵ درصد و ۷۵ درصد کاهش وزن در جایگزینی منیزیم با آلومینیوم و چدن ایجاد می‌شود.
اگرچه افزایش استفاده از آلیاژهای منیزیم در صنعت خودرو به میزان ۱۵ درصد در هر سال از دهه قبل ادامه داشته‌است اما این جایگزینی فقط ۱تا ۴ کیلوگرم باعث کاهش وزن خودروها شده‌است. در صورتی که این عدد ۱۲۰ کیلوگرم برای آلومینیوم و پلاستیک برای یک خودرو ۱۵۰۰ کیلوگرمی تولید شده در آمریکای شمالی می‌باشد.
توانایی مناسب در جذب ارتعاشات و اینرسی کم که به وزن سبک این عنصر باعث استفاده از آن در قطعات تحت سرعت بالا و قطعاتی که تحت تغییر سرعت‌های ناگهانی قرار می‌گیرند شده‌است. مثال‌هایی از این دست شامل چرخ اتومبیل، پیستون‌های موتورهای احتراقی، قطعات پر سرعت ماشین و تجهیزات هواپیما و هلی‌کوپتر می‌باشد. کاربرد آلیاژهای منیزیم در صنعت اتومبیل آمریکا در مواردی همچون فرمان اتومبیل، صندلی‌ها، گیربکس، سیستم تهویه هوا، مخزن سوخت و … است که بعضی از آن‌ها در اشکال ذیل نشان داده شده‌است.

کاربردهای غیر خودرویی

آلیاژهای منیزیم در کاربردهای مختلف در تجهیزات تفریحی مثل اسکلت دوچرخه نیز به کار رفته‌اند. کاربرد گسترده و قابل توجه در مهندسی ارتباطات در نشان داده شده‌است. در اینجا وزن کم، بسیار مهم است. همچنین مقاومت مقابل تشعشعات الکترومغناطیس که مواد پلاستیکی فاقد آن هستند باعث کاربرد منیزیم در این کاربردها شده‌است. همان‌طور که قابل مشاهده است آلیاژهای منیزیم دارای رشد زیادی در قرن گذشته بودند.

کاربردهای غیر سازه‌ای

منیزیم کاربردهای غیر سازه‌ای مختلفی نیز دارد. این فلز به عنوان افزودنی در آلیاژهای آلومینیوم، روی، سرب و سایر فلزات غیر آهنی استفاده می‌شود. همچنین منیزیم به عنوان اکسیژن زدا و سولفورزدا در تولید آلیاژهای مس و نیکل استفاده می‌شود و به عنوان سولفورزدا در صنعت آهن و فولاد و به عنوان عامل اکسیدکننده در تولید برلیوم، تیتانیوم، هافنیوم و اورانیوم استفاده می‌شود. کاربرد مهم غیر سازه‌ای دیگر منیزیم در واکنش گرینیارد در شیمی آلی است. همچنین منیزیم به صورت خالص یا آلیاژ با ۳۰ درصد آلومینیوم یا بیشتر در مواد محترقه مورد استفاده قرار می‌گیرد.
جایگاه منیزیم در جدول الکتروموتیوی آن را قادر می‌سازد تا به عنوان فاز حفاظت کاتدی برای سایر فلزات مورد استفاده قرار گیرد. تولیدکنندگان چدن خاکستری منیزیم و آلیاژهای حاوی منیزیم را درست قبل از ریختن فلز مذاب در قالب به آن اضافه می‌کنند تا منیزیم ذرات گرافیت را کروی کند و چقرمگی و داکتیلیته چدن را افزایش دهد. صادرات جهانی منیزیم را از سال ۱۹۸۳ تا ۱۹۸۸ را نشان می‌دهد که گروه‌های عمده کاربردی منیزیم در آن تفکیک شده‌اند.