آلیاژهای منیزیم

آلیاژهای منیزیم ترکیبات منیزیم با دیگر فلزات (که آلیاژ نامیده می‌شود) است که شامل آلومینیوم، زینک، منگنز، سیلیکون، مس، عنصرهای خاکی کمیاب معروف به Rare Earth و زیرکونیم می‌باشد.
منیزیم سبک‌ترین فلز ساختاری است و آلیاژهای آن معمولا کمترین وزن را بین آلیاژهای صنعتی دارند. آلیاژهای منیزیم یک ساختار شبکه شش ضلعی(دستگاه بلوری هگزاگونال) دارد، که روی خواص بنیادی این آلیاژها تاثیر می‌گذارد. تغییر شکل پلاستیک در شبکه شش ضلعی پیچیده‌تر از فلزات دارای شبکه‌های مکعبی مانند آلومینیوم، مس و فولاد است؛ بنابراین، آلیاژهای منیزیم معمولا به عنوان آلیاژهای ریخته‌گری استفاده می‌شود همچنین تحقیقات راجع به این آلیاژها از سال ۲۰۰۳ وسیع‌تر شده‌است.
منیزیم
کاربردها
ریخته‌گری آلیاژهای منیزیم برای بسیاری از اجزای اتومبیل‌های مدرن و موتورهای با بدنه منیزیمی در بعضی از وسایل حمل و نقل با عملکرد بالا استفاده می‌شود. همچنین آلیاژهای منیزیم در ساخت بدنه دوربین‌های عکاسی و اجزای لنزهای عکاسی کاربرد دارد.
در واقع تمام آلیاژهای تجاری منیزیم که در ایالات متحده آمریکا تولید می‌شود، شامل آلومینیوم(۳ تا ۱۳ درصد) و منگنز (۰٫۱ تا ۰٫۴ درصد) می‌باشد. بسیاری نیز شامل زینک (۰٫۵ تا ۳ درصد) هستند و همچنین بعضی از آن‌ها به وسیله عملیات حرارتی سختکاری شده‌اند. تمامی آلیاژها برای بیش از یک فرم محصول استفاده می‌شوند، ولی آلیاژهای AZ63 و AZ92 بیشتر برای عملیات ریخته‌گری با ماسه، AZ91 برای ریخته‌گری در قالب فلزی و AZ92 بیشتر برای ریخته‌گری در قالب‌های دائمی به کار گرفته می‌شود (آلیاژهای AZ63 و A10 نیز بعضی مواقع در موارد یاد شده به کار برده می‌شود). برای آهنگری، AZ61 بیشترین کاربرد را دارد و آلیاژ M1 برای استحکام کم و AZ80 برای استحکام‌های بالا مورد نیاز است. با فرایند اکستروژن رنج گسترده‌ای از شکل‌ها، میله‌ها و تیوب‌ها که در آن‌ها استحکام کمی کافی است، از آلیاژ M1 ساخته شده‌است. آلیاژهای AZ31، AZ61 و AZ80 برای زمان‌هایی که استحکام بیشتری مورد نیاز است استفاده می‌شود.
منیزیمی که اکسید نمی‌شود (معروف به Magnox) تشکیل شده از ۹۹٪ منیزیم و ۱٪ آلومینیوم است و در تهیه روکش لوله‌های سوختی در رآکتورها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نام‌گذاری آلیاژهای منیزیم
سیستم نام‌گذاری برای آلیاژهای منیزیم برخلاف سیستم نامگذاری فولاد و آلیاژهای آلومینیوم دارای استاندارد خاصی نمی‌باشد؛ بنابراین اکثر تولیدکنندگان از سیستمی که از یک یا دو حرف، دو یا سه عدد و یک پسوند برای مشخص کردن آلیاژ استفاده می‌کند استفاده می‌کنند؛ بنابراین اسامی آلیاژهای منیزیم معمولا با دو (یا یک) حرف که در ادامه آن دو (یا سه) عدد آمده‌است مشخص می‌شود. حروف نشان دهنده المان‌های اصلی آلیاژ هستند (A: آلومینیوم، Z: زینک، M: منگنز، S: سیلیکون). اعداد نشان دهنده درصد نامی ترکیبات اصلی است. برای مثال AZ91 یک آلیاژ منیزیم با ۹ درصد جرمی آلومینیوم و ۱ درصد جرمی زینک است. ترکیبات دقیق مربوط به هر آلیاژ را باید از استانداردها بدست آورد.
حروفی که استفاده می‌شود بر اساس فرمت تعریف شده در دستورالعمل B275 از ASTM استفاده می‌شود:
A
Aluminium
B
Bismuth
C
Copper
D
Cadmium
E
Rare earths
F
Iron
H
Thorium
J
Strontium
K
Zirconium
L
Lithium
M
Manganese
N
Nickel
P
Lead
Q
Silver
R
Chromium
S
Silicon
T
Tin
V
Gadolinium
W
Yttrium
X
Calcium
Y
Antimony
Z
Zinc
آلیاژهای ریخته‌گری
AZ63
AZ81
AZ91
AM50
AM60
ZK51
ZK61
ZE41
ZC63
HK31
HZ32
QE22
QH21
WE54
WE43
Elektron 21
آلیاژهای شکل پذیر
AZ31
AZ61
AZ80
Elektron 675
ZK60
M1A
HK31
HM21
ZE41
ZC71 ZM21 AM40 AM50 AM60 K1A M1 ZK10 ZK20 ZK30 ZK40
آلیاژهای متداول منیزیم
آلیاژهای منیزیم – آلومینیوم:
این آلیاژ حاوی ۸–۹٪ آلومینیوم، مقادیر کمی روی که باعث افزایش خواص کششی شده و حدودا ۰٫۳٪ منگنز که مقاومت به خوردگی را افزایش می‌دهد، می‌باشد. حضور آلومینیوم در این آلیاژها سبب شده که بوسیله عملیات فوق تبرید یا عملیات تلقیح، منیزیم ریزدانه گردد و در نتیجه خواص مکانیکی آن بهبود یافته و سیالیت کاهش می‌یابد. همچنین وجود آلومینیوم قابلیت جذب گاز را افزایش می‌دهد بنابراین میزان تخلخل‌های گازی زیاد می‌شود.
اگر میزان آلومینیوم بالای ۸٪ باشد شکل‌پذیری بسیار کاهش می‌یابد.
آنیل کردن آلیاژ منیزیم – آلومینیوم در دمای ۴۲۰ درجه سانتیگراد موجب استحکام بخشی در اثر محلول جامد(SS) می‌شود و شکل‌پذیری آلیاژ افزایش می‌یابد.
افزودن روی به آلیاژ منیزیم – آلومینیوم باعث افزایش استحکام می‌گردد ولی به علت افزایش احتمال ترک خوردگی در طی انجماد، استفاده از روی محدود می‌باشد.
در مواردی که نیاز به شکل‌پذیری بیشتر باشد، آلیاژ با خلوص بالا و با درصدهای آلومینیوم کمتر استفاده می‌شود.
شکل‌پذیری بیشتر ناشی از کاهش مقدار Mg17Al12 در اطراف مرز دانه‌ها است.
آلیاژهای ریختگی Mg-Al و Mg-Al-Zn تا حدودی مستعد بروز تخلخل‌های ریز می‌باشند، اما در عوض دارای قابلیت ریخته‌گری خوبی بوده و مقاومت آن‌ها در برابر خوردگی عموما رضایت بخش است. این آلیاژها برای استفاده در دماهای تا ۱۱۰ – ۱۲۰ درجه سانتیگراد مناسب اند و در بالای این دما نرخ خزش به مقدار غیرقابل قبولی می‌رسد. چنین رفتاری به این واقعیت نسبت داده می‌شود که آلیاژهای منیزیم عمدتا به دلیل لغزش مرز دانه‌ها دچار خزش می‌شوند و فاز Mg17Al12 که دارای دمای‌گذار حدود ۴۶۰ درجه سانتیگراد بوده و در دماهای پایین‌تر نسبتا نرم است، تاثیری در ثابت نگه داشتن مرز دانه‌ها ندارد. افزودن ۱٪ کلسیم مقاومت خزشی آلیاژهای Mg-Al را افزایش داده، اما این آلیاژها را مستعد ترک خوردگی گرم می‌نماید. با کاهش درصد آلومینیوم و اضافه شدن سیلیسیم نیز خواص خزشی بهبود می‌یابند. سیلیسیم باعث کاهش مقدار Mg17Al12 شده و در قطعات ریخته‌گری تحت فشار که نسبتا سریع سرد می‌شوند، سیلیسیم با منیزیم ترکیب شده و ذرات ریز و نسبتا سخت ترکیب Mg2Si را در مرز دانه‌ها تشکیل می‌دهد.
آلیاژهای سیستم Mg-Al مستعد انقباض میکروسکوپی بوده و لذا برای بدست آمدن کیفیتی یکنواخت باید دقت لازم به عمل آید.
عملیات پیر سختی آلیاژ Mg-Al:
الف) گرم کردن تا دمای۷۵۰–۷۸۰ فارنهایت و نگهداری به مدت ۱۵–۱۸ ساعت
ب) سرد کردن در آب
ج) باز پخت در دمای ۳۵۰–۳۶۰ فارنهایت بمدت ۱۴ تا ۱۸ ساعت
آلیاژهای منیزیم – روی – مس
افزودن مس به آلیاژهای دوتایی Mg-Zn موجب بهبود قابل توجه شکل‌پذیری و موثرتر شدن عملیات پیرسازی می‌گردد. این آلیاژها خواص کششی مشابه با آلیاژ AZ91 (به‌طور مثال مقاومت کششی در حد ۲۱۵ الی ۲۶۰ مگاپاسکال، حد تناسب حدود ۱۳۰ الی ۱۶۰ مگاپاسکال و ازدیاد طول نسبی بین ۳ تا ۸ درصد) از خود نشان داده و این مزیت را دارد که خواص یادشده تکرار پذیر هستند و پایداری در دماهای بالا نیز بهبود می‌یابد.
یکی از آلیاژهای این خانواده که در ماسه ریخته‌گری می‌شود به نام ZC63 نامگذاری شده‌است. افزودن تدریجی مس به آلیاژهای Mg-Zn درجه حرارت یوتکتیک را بالا می‌برد و از این نظر دارای اهمیت است به‌طوری‌که استفاده از دماهای بالاتر در عملیات محلولی و نتیجتا حداکثر حلالیت روی و مس را امکان‌پذیر می‌سازد.
بر اثر عملیات حرارتی محلولی، شکل‌پذیری آلیاژ بهبود می‌یابد.
افزودن مس به آلیاژهای Mg-Al-Zn اثر زیان‌آور بر مقاومت به خوردگی آن‌ها دارد اما در آلیاژهای Mg-Zn-Cu این مسئله دیده نمی‌شود.
حد خستگی در حالت بدون شیار این آلیاژ بهتر از آلیاژهای Mg-Al-Zn است، در حالی که مقادیر مربوط به حالت شیار دار یکسان است.
آلیاژهای ریختگی زیرکونیم دار
حداکثر حلالیت زیرکونیم در منیزیم مذاب ۰٫۶٪ می‌باشد و چون آلیاژهای دوتایی Mg-Zr برای مصارف تجاری استحکام کافی ندارند، افزودن عناصر آلیاژی دیگر به آن‌ها ضروری است. انتخاب این عنصر تحت تاثیر سه عامل اساسی قرار دارد:
۱)سازگاری با زیرکونیم
۲)ویژگی‌های ریخته‌گری
۳)خواص مطلوب آلیاژ: بهبود خواص کششی شامل تنش تسلیم و استحکام کششی و همچنین افزایش مقاومت خزشی (در صنایع هوافضا این مورد بیشتر مد نظر قرار گرفته‌است).
آلیاژهای منیزیم – روی – زیرکونیم
قابلیت زیرکونیم برای جوانه زنی در آلیاژهای Mg-Zn منجر به معرفی آلیاژهایی مانند ZK51 و ZK61 گردید. این آلیاژها معمولا به ترتیب در شرایط عملیات حرارتی T5 و T6 مورد استفاده قرار می‌گیرند.
آلیاژهای شامل عناصر کمیاب خاکی (Rare Earth)
اخیرا توجه محققین به آلیاژهای منیزیم – آلومینیوم حاوی عناصر خاکی که به عنوان مثال به صورت میش متال طبیعی با ترکیب 55Ce-%20La-%20Nd-%5Pr% به آلیاژ افزوده می‌شوند، معطوف گشته است. این آلیاژ نیز فقط برای ریخته‌گری تحت فشار مناسب است زیرا سرد کردن آرامتر منجر به تشکیل ذرات درشت ترکیبات Al2R.E می‌گردد.
مکانیزم تاثیر عناصر کمیاب خاکی برخواص خزشی هنوز کاملا شناخته نشده است، اگر چه در آلیاژ دوتایی پیر شده Mg-1.3R.E رسوبات پراکنده ریز دیده شده‌است.
به علاوه، جوانه زنی فاز پایدار Mg12Ce در مرز دانه‌ها طی خزش مشاهده شده و به نظر می‌رسد این فاز میزان تغییر شکل ناشی از لغزش مرز دانه را کاهش دهد. با این حال، باید توجه کرد که استفاده از میش متال قیمت آلیاژ را افزایش می‌دهد.
معمولا از آلیاژهای حاوی عناصر خاکی در مواردی که مقاومت به خزشی آلیاژ مد نظر باشد استفاده می‌گردد؛ که سه آلیاژ پیشنهاد شده توسط ASTM به شرح زیر است:
1) EK30A
2) EK41A
3) EZ33A
آلیاژهای شامل توریم
آلیاژ منیزیم – توریم، به دلیل مقاومت خزشی بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. از آلیاژهای شامل توریم می‌توان به آلیاژهای ZT1 و TZ6 اشاره کرد.
آلیاژ ZT1 که شامل ۳٪ توریم، ۲٫۲٪ روی و ۰٫۷٪ زیرکونیم است برای بهترین خواص خزشی استفاده می‌شود (رنج درجه حرارت بین ۲۵۰ الی ۳۵۰ درجه سانتیگراد).
آلیاژ جدید TZ6 که از ۵٫۸٪ روی، ۱٫۸٪ توریم و ۰٫۷٪ زیرکونیم تشکیل شده‌است دارای مقاومت کششی بالا و الانگیشن حدود ۵ درصد می‌باشد.
آلیاژهای منیزیم – لیتیوم
لیتیوم به عنوان سبکترین فلز با چگالی ۰٫۵۳۴ گرم بر سانتی‌متر مکعب در منیزیم باعث کاهش چگالی و افزایش داکتیلیتی مستقل از اندازه دانه می‌شود. یعنی خواص منیزیم به عنوان یک فلز سازه‌ای بهبود می‌یابد.
افزایش داکتیلیتی توسط کاهش نسبت ثوابت شبکه (c/a) در اثر جایگزینی اتم‌های Li به جای اتم‌های Mg ایجاد می‌شود.
آلیاژهای منیزیم – روی
آلیاژهای منیزیم – روی قابلیت پیر سختی دارند. همچنین سیالیت را بالا برده و مقاومت به خوردگی را با کنترل مس افزایش می‌دهد. لازم است ذکر شود که این آلیاژها معمولا برای تولید قطعات تجاری مورد استفاده قرار نمی‌گیرند.