آلیاژهای سری ۲۰۰۰ آلومنیوم

معرفی
عنصر مس در این آلیاژها مهم‌ترین عنصر مرکب بوده که معمولا به همراه منیزیم به عنوان مرکب دوم با آلومینیوم ترکیب می‌شوند.این گروه از آلیاژهای آلومینیوم خواص متضاد سری ۱۰۰۰ را دارا هستند. این گروه از آلیاژهای آلومینیوم اولین نوع آلومینیوم عملیات حرارتی‌پذیری با استحکام بالای ساخته شده در تاریخ است. دورآلومین در سال ۱۹۱۹ ساخته شد و متعاقبا در آمریکا به عنوان آلیاژ ۲۰۱۷ تولید شد. بسیاری از آن‌ها به صورت آلکلاد تولید می‌شوند. هر چند ورقه‌های ضخیم‌تر و بقیه‌ی محصولات برای بسیاری از کاربردها نیاز به پوشش محافظ ندارند.این سری دارای آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر بوده و برخی از آن‌ها به درجه‌ای از استحکام می‌رسند که قابل مقایسه با مقاومت آلیاژهای فولاد می‌باشد. این سری در بین آلیاژهای آلومینیوم دارای کمترین مقاومت در برابر خوردگی بوده و به همین دلیل معمولا آن‌ها را با آلومینیوم خالص یا یکی از آلیاژهای سری ۶۰۰۰ می‌پوشانند. حتی در برابر خوردگی‌های جوی نیز بر خلاف دیگر آلیاژهای آلومینیوم مقاوم نبوده و در صورت نیاز به استفاده‌های در معرض هوا آن‌ها را رنگ می‌کنند.معمولا این آلومینیوم‌ها به فرم ورقه‌هایی هستند که به دلیل مقاومت پایین در برابر خوردگی با آلومینیوم با خلوص بالا و یا یک آلیاژ منیزیم سیلیکون از گروه ۶۰۰۰ یا آلیاژی که دارای ۱ درصد روی می‌باشند پوشیده می‌شوند.این پوشش معمولا ضخامت دو و نیم تا پنج درصد ضخامت هر طرف است که یک لایه محافظ گالوانیک برای ماده‌ی هسته می‌شوند که موجب افزایش مقاومت در برابر خوردگی می‌شود. با عملیات حرارتی تطویل و کاهش یافته واستحکام تسلیم آن‌ها بیشتر می‌شود؛ هر چند استحکام کششی آن‌ها چندان تغییر نمی‌کند. این سری از آلیاژهای آلومینیوم دارای قابلیت ماشین کاری نسبتا خوب و بالایی هستند. این گروه از آلیاژهای آلومینیوم نسبت به مقاومت بالایی که دارند داری وزن کمی هستند. آلیاژهای ۲۰۱۴ و ۲۰۲۴ از معروف‌ترین و پر کاربردترین‌های این سری از آلیاژهای آلومینیوم هستند. شاید بتوان گفت آلیاژ ۲۰۲۴ بیشترین کاربرد خود را در صنایع هوایی دارد که البته به خاطر مقاومت پائین در برابر خوردگی تنشی به‌طور فزاینده در حال جایگزین شدن با برخی آلیاژهای سری ۷۰۰۰ می‌باشد.آلیاژ 2011 قابلیت ماشین کاری خوبی دارد ولی امروزه آلیاژ 2219 به علت خواص مناسب‌تر، جای آلیاژ 2011 را گرفته‌است. آلیاژ 2219 دارای خواص کششی بالا، استحکام خزشی خوب و چقرمگی زیادی است.معمولا آلیاژهای گروه 2xxx به وسیله روش نوردی با آلومینیم یا آلیاژ آلومینیم- روی پوشش داده می‌شوند تا مقاومت به خوردگی مطلوبی را ایجاد کنند. در یک استحکام کششی برابر، آلیاژهای گروه 2xxx از آلیاژهای گروه 7xxx چقرمگی شکست پایین‌تری را نشان می‌دهند. دلیل این مسئله، اندازه بزرگ ترکیبات بین فلزی در آلیاژهای 2xxx است. با کاهش مقادیر آهن، سیلیسم و مس، چقرمگی شکست و انعطاف‌پذیری بهبود می‌یابد. این آلیاژها در هواپیما و صنایع اتومبیل‌سازی به کار می‌روند.
خواص مکانیکی
این سری از آلیاژها کارپذیری ضعیفی دارند و معمولا به صورت مکانیکی به یکدیگر متصل می‌شوند هر چند برخی از آن‌ها جوش خوری خوبی دارند. خستگی این دسته از آلیاژهای آلومینیوم نسبت به دیگر آلیاژهای آلومینیوم به جز آلیاژهای سری ۷۰۰۰ بیشتر می‌باشد.
مقاومت و چقرمگی شکست
آلیاژ
تمپر
چگالی ( گرم بر سانتی‌متر مکعب)
مدول یانگ (GPa)
استحکام تسلیم (ksi)
استحکام کششی (ksi)
ازدیاد طول %
حد HCF
چقرمگی شکست
2014
T6
2.8
72.4
415
485
13
125
26.4
2019
T62
2.85
73.8
290
415
10
105
36.3
2024
T4
2.77
72.4
325
470
20
140
22.0
7050
T74
2.83
70.3
450
510
13
170
38.5
7075
T6
2.80
71.0
505
570
11
16
28.6
سختی برینل معروف‌ترین آلیاژهای سری ۲۰۰۰
سختی برینل در آلیاژ 2011T3 برابر ۹۵ در آلیاژ 2011T8 برابر ۱۰۰ و در 2014O برابر 45 هم چنین در 2014T4 برابر 105 و در 2014T6 برابر ۱۳۵ می‌باشد.در آلیاژ 2017O این میزان برابر ۴۵ و در 2017T4 برابر ۱۰۵ می‌باشد. در آلیاژ 2024O سختی برینل ۴۷ و در 2024T3 و 2024T4 برابر ۱۲۰ می‌باشد.
رسانایی معروف‌ترین آلیاژهای سری ۲۰۰۰
رسانایی در آلیاژ 2011T3 برابر 39 درصد IACS و در 2011T8 برابر 45 درصد می‌باشد.در 2014O این عدد به 50 تغییر یافته و 2014T4 برابر 34 می‌شود.همچنین رسانایی 2017O پنجاه درصد و رسانایی 2017T4 برابر 34 درصد می‌باشد. و نهایتا این مقدار در 2024O برابر 50 درصد و در 2024T3 و 2024T4 برابر 30 درصد می‌باشد.
کاربرد
مقاومت بالا ی این سری باعث شده از آن‌ها به‌طور گسترده‌ای در صنایع هوایی استفاده گردد (این مساله بالاخص در مورد 2024 صدق می‌کند).همچنین از آن‌ها برای تولید اجزای مختلف کامیونها استفاده می‌گردد (بیشتر 2014 این کابرد را به خود اختصاص داده است). برخی عناصر خاص این سری مانند 2219 و همچنین 2048 به سادگی توسط جوشکاری قوسی با گاز محافظ (GMAW) و یا جوشکاری تیگ (جوشکاری تنگستن تحت پوشش گاز محافظ GTAW ) با یکدیگر جوش داده شده و در صنایع هوایی که در آن متدهای جوش دادنی مطرح و مد نظر است مورد استفاده قرار می‌گیرد.
آلیاژ 2219 یک آلیاژ با قابلیت جوش خوری بالا و دارای مقاومت در برابر خوردگی تنشی بالا است. به همین دلیل در صنایع هوایی فرا صوتی از آن بهره می‌گیرند. آلیاژ 2195، یک آلیاژ آلومینیوم - لیتیم با مدول یانگ بالا بوده که دارای مقاومت بالاتر و جوش خوری بهتری نسبت به 2219 به منظور کاربردهای فضائی می‌باشد.
برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت بالا و همچنین چقرمگی شکست بالا هستند نمونه‌های مختلفی از این آلیاژ مانند 2124 و یا 2324 و 2419 که کنترل دقیقی بر روی میزان ناخالصی‌هایی که موجب کاهش مقاومت در برابر شکست می‌شوند انجام شده استفاده می‌گردد.از این دست کاربردها می‌توان باز هم به صنایع هوایی اشاره نمود.
از آلیاژهای 2011 ، 2017 و 2017 به‌طور گسترده‌ای برای تولید اتصال دهنده‌ها و مته‌ی دریل بهره برده می‌شود.
به دلیل مناسب بودن خواص بالستیکی 2519 که معادل با خواص بالستیکی 7039 می‌باشد در تولید سپرهای دفاعی در صنایع هوایی از این آلیاژ کمک گرفته می‌شود.همچنین 2519T87 با استفاده از فیلتر 2319 توانایی جوش خوری نسبتا خوبی را از خود نشان می‌دهد.
هم چنین برای تولید میله‌های ساختمانی تانکر کامیون‌ها و یا تریلر آن‌ها و نیز راکت‌های بالا برنده شاتل‌ها و … از این سری آلیاژهای بهره می‌گیرند.
آنودایزینگ آلیاژهای سری 2000
به دلیل وجود مس در این سری از آلیاژهای آلومینیوم مقاومت در برابر خوردگی این سری نسبتا پایین بوده و همین مساله موجب می‌شود که آنودایزینگ آلومینیوم‌های گروه 2000 کمی سخت و دشوار باشد. به دلیل حضور مس، رنگ آنودایز طبیعی آن به زیتونی متمایل می‌شود و همین مساله باعث می‌شود که این سری برای استفاده‌های دکوری به کار برده نشوند. (چراکه آنودایز آن‌ها کدر خواهد شد) همچنین در آنودایز سخت آن باید توجه داشت که به دلیل حضور مس در این آلیاژ‌ها، خوردگی و در نهایت از دست دادن قطعه حین آنودایز کردن بسیار محتمل می‌باشد. جهت بررسی و مقایسه نمونه‌های آندایز شده تعداد پنج نمونه از هر گروه از آلیاژهای آلومینیوم بر اساس استاندارد ASTM B 117 تحت عملیات پاشش نمک قرار گرفتند و نتایج به دست آمده در جدول ۳ آورده شده‌است. با بررسی نتایج مشخص می‌شود که نمونه‌های آلیاژی ۲۰۲۴ و ۷۰۷۵ به هیچ عنوان شرایط مطلوبی از لحاظ مقاومت به خوردگی ندارند و اگر در محیط قرار بگیرند باید پوشش مناسب بر روی آن‌ها ایجاد شود. نتایج تحقیقات انجام شده توسط شانگینک سان و همکاران اش در مورد خوردگی اتمسفری آلیاژهای ۲۰۲۴ و ۷۰۷۵ در محیط‌های صنعتی، شهری و دریایی نیز حاکی از مقاومت به خوردگی پائین این آلیاژها است.
میانگین زمان ایجاد سه حفره بر روی نمونه در تست پاشش نمک (ساعت)
نوع آلیاژ
۱۵
۲۰۲۴ - T۳
تا ۲۲۳۰ ساعت مشاهده نشد
۵۰۸۳ - H۳۴
۳۱۵
۶۰۶۱ - T۶
۳۰
۷۰۷۵ - T۶
آندایزینگ ۲۰۲۴
خلاصه‌ی نتایج تست پاشش نمک بر روی نمونه‌های آندایزینگ آلیاژ ۲۰۲۴ در جدول زیر آورده شده. همانگونه که مشخص است تمام نمونه‌های آب‌بندی نشده در ۲۵ ساعت بیش از ۳ حفره در آن‌ها دیده شد، بنابراین از نظر استاندارد مقاومت به خوردگی مناسبی ندارند و در واقع آب‌بندی کردن یک مساله بحرانی و ضروری در مورد پوشش‌های آندایز آلیاژهای ۲۰۲۴ می‌باشد.در مواردی که نمونه‌ها آب‌بندی شده‌اند مقاومت به خوردگی آن‌ها افزایش یافته و تمامی نمونه‌ها و تحت هر دو شرایط انجام آندایزینگ به مدت زمان ۳۳۶ ساعت مشکلی نداشتتند. نمونه‌هایی که تحت دانسیته جریان ۱/۶ آندایز و آب‌بندی شده بودند، پس از مدت ۱۳۳۰ ساعت از نظر استاندارد مردود بودند، در حالی که نمونه‌های آندایز شده تحت شرایط ۱ یعنی با دانسیته جریان ۲/۶ تا مدت زمان ۲۲۳۰ ساعت نیز هیچ گونه مشکلی نداشتند. آلیاژ با درصد بالای مس ۲۰۲۴، یکی از آلیاژهایی است که آندایز آن بسیار مشکل است. در آندایز این آلیاژ در ضخامت‌های بالا،اکسیژن یکی از عوامل ایجاد ترک خوردگی لایه آندایز و پایین آمدن مقاومت به خوردگی آن می‌باشد. ممکن است آندایزینگ تحت دانسیته جریان پایین، سبب ایجاد ترک در پوشش شده و مقاومت به خوردگی آن را کاهش داده باشد. بنابراین بهترین شرایط انجام آندایزینگ آلیاژ ۲۰۲۴، عملیات آندایزینگ آب‌بندی شده تحت دانسیته‌ی جریان ۲/۶ می‌باشد.
میانگین زمان ایجاد سه حفره بر روی نمونه در تست پاشش نمک (ساعت)
شرایط آب‌بندی
شرایط آندایزینگ
تا ۲۲۳۰ ساعت مشاهده نشد
آب‌بندی شده
۱
۲۵
آب‌بندی نشده
۱
۱۳۳۰
آب‌بندی شده
۲
۲۵
آب‌بندی نشده
۲
آلومینیوم
آلیاژهای آلومینیوم
خواص مکانیکی مواد
آلیاژ
آلومینیوم اکسید