منیزیم

آلیاژهای منیزیم

مقدمه‌ای درباره خواص

منیزیم با خلوص بیش از ۹۹٫۸% از نظر تجاری به آسانی قابل حصول است ولی این فلز در حالت غیر آلیاژی به ندرت کاربرد مهندسی دارد.

این فلز (منیزیم) دارای شبکه بلوری شش وجهی است و با توجه به انواع عناصری که با آن محلول جامد می سازند دارای خواص آلیاژی قابل توجهی است. در این ارتباط، آلومینیوم، روی، لیتیم، نقره، زرکونیم و توریم عناصری هستند که در آلیاژهای منیزیم (آلیازهای تجاری منیزیم) وجود دارند.

سیستم های دوتایی آلیاژی منیزیم با فلزات مهم تجاری به دو گروه تقسیم می‌شوند. اضافات عناصر آلیاژی به ترتیب کاهش حلالیت اتمی به همراه درصد وزنی آنها در لیست زیر آورده شده است.

سیستمهای پریتکتیک: Mn 3.4% , Zr 3.8%

سیستم‌های یوتکتیک : Li 5.7%, Al 12.7%, Ag 15.5%, Y 15.5%, Zn 8.4%, Nd 3%, Ce 0.85%

اولین عناصر آلیاژی آلومینیوم، روی، منگنز بودند و قطعات ریختگی Zn – Al – Mg به طور گسترده‌ای در خلال جنگ جهانی اول در آلمان استفاده شدند.

این آلیاژها در محیطهای خیس و مرطوب دارای مشکل خوردگی بودند تا این که در سال ۱۹۲۵ مشخص شد که با افزودن مقادیر کمی منگنز (۰٫۲%) مقاومت خوردگی آلیاژ افزایش می‌یابد.

بعدها مشخص شد که علت این افزایش مقاومت خوردگی در اثر حذف آهن و برخی ناخلاصی‌های دیگر و تبدیل آنها به صورت ترکیبات بین فلزی بی‌ضرر بوده است.

آلیاژهای ریختگی بر پایه Zn – Al – Mg هم‌اکنون نیز به عنوان پایه آلیاژهای ریختگی جهت کاربرد در دمای محیط محسوب می‌شوند. اولین آلیاژ کارپذیر مورد استفاده  آلیاژ  ٪۱۵ – Mg برای تولید ورق، قطعات اکسترود شده و فورج شده بود، ولی امروزه این آلیاژ کاربرد ندارد.

در فاصله زمانی بین دو جنگ جهانی، آلیاژها‌ی ریختگی منیزیم با مشکلاتی روبرو بودند زیرا اینها تمایل به داشتن اندازه دانه‌های بزرگ و متغیر داشتند که اغلب باعث بوجود آمدن خواص مکانیکی ضعیف و تخلخلهای ریز می‌شد که این خود باعث جهت‌دار شدن پیش اندازه خواص در قطعات کارپذیر می‌گردید. مخصوصاً تنش سیلان این آلیاژ‌ها در مقایسه با استحکام کششی مقادیر بسیار پائین‌تری را نشان می‌داد. در سال ۱۹۳۷، Sauerwald از شرکت IG Farbenindustrie در آلمان کشف کرد که زرکونیم تأثیر بسیار شدید ریز‌کنندگی دانه بر روی منیزیم دارد، ولی ده سال دیگر طول کشید تا روش قابل اعتمادی برای آلیاژ کردن این فلز با منیزیم بدست آید.

عقیده کلی بر این بود که زرکونیم نمی‌تواند بصورت آلیاژ‌های تجاری موجود استفاده شود زیرا این عنصر بعلت تشکیل ترکیبات ناپایدار به همراه آلومینیوم و منگنز از محلول خارج می‌شود. این امر باعث تعریف و بکارگیری یک گروه کاملاً جدید آلیاژ‌های ریختگی و کارپذیر حاوی زرکونیم شد که دارای خواص مکانیکی بسیار بهتر در دمای محیط و دماهای بالا بود. امروزه این نوع آلیاژها کاربر گسترده‌ای در صنایع هوا فضا پیدا کرده است.

آلیاژ‌های ریختگی منیزیم مخصوصاً در اروپا در مقایسه با محصولات کارپذیر آن موارد مصرف بیشتری یافته است بطوری که در سالهای اخیر ٪۹۰-۸۵ آلیاژهای تولید شده منیزیم بصورت ریختگی بوده است. قطعات آهنگری شده و اکسترود شده بیشترین کاربردهای آلیاژهای کارپذیر منیزیم را تشکیل می‌دهند. علاوه بر این، در ایالات متحده امریکا که کارخانجات نورد با ظرفیت بالاتر وجود داشته و بازار بیشتری برای ورقهای ضخیم حکاکی نوری و در صنایع هوا فضا وجود دارد، کاربردهای متعددی برای ورقهای ضخیم منیزیم بوجود آمده است.

بسیاری از آلیژهای منیزیم قابل عملیات حرارتی هستند اگر چه در مقایسه با بعضی آلیاژهای آلومینیم تاثیر این عملیات حرارتی بسیار کمتر است فرایند های رسوب گذاری در آلیازهای منیزیم اغلب پیچیده بوده و به صورت کامل شناخته نشده اند.

یک مشخصه فرایند پیر شدن در بسیاری از آلیاژهای منیزیم این است که همگی دارای مرحله تشکیل رسوب شش وجهی منظم با ساختاری بلوری هستند که با شبکه منیزیم همبسته است.

این ساختار مشابه فاز کاملا شناخته شده  است که ممکن است در آلیاژهای پیر شده Al- Cu تشکیل شود و عموما در آلیاژهای حاوی اتمهای با اختلاف اندازه اتمی زیاد دیده می شود .

این فاز باعث سختی آلیاژهای منیزیم می‌شود که در آنها تا حداکثر سختی در دامنه وسیعی از دما وجود دارد. طول محور a سلول CO۱۹ دو برابر محور A زمینه منیزیم است در حالی که طول محورهای CC  هر دو یکی است.

رسوبها به صورت ورقه یا عدسیهایی به موازات امتداد <1000> mg که در صفحات  قرار دارد تشکیل می شوند. در این ارتباط لازم است توجه که صفحات متوالی  در یک ساختمان مرکب Mg ۳X همگی از اتمهای منیزیم تشکیل شده‌اند بنابراین انتظار می رود فصل مشترک با انرژی پایین در امتداد این صفحات تشکیل شود زیرا در این ساختمان لازم است تنها دومین اتصالات نزدیک  تغییر کنند.

این مشخصه ساختمانی است که موجب پایداری نسبی فازی در محدوده وسیعی از دما شده و ممکن است مهمترین فاکتور برای افزایش مقاومت خزشی در آلیاژهای منیزیم که دارای این خاصیت هستند محسوب شوند.


آلیاژهای کارپذیر

ساختمان بلوری شش وجهی منیزیم باعث ایجاد محدودیتی بر میزان شکل‌پذیری این فلز، مخصوصا در دماهای پایین می گردد. در دمای محیط تغییر شکل از طریق لغزش بر روی صفحات قاعده در امتداد متراکم  و دوقولوئی شدن در صفحات قطری (هرمی) انجام می گردد.

وقتی که تنش اعمال شده به موازات صفحات قاعده باشد، این نوع دوقولویی شدن فقط در اثر نیروهای فشاری امکان‌پذیر است، در حالی که در تنشهای عمود بر صفحات قاعده، دوقلویی شدن فقط در کشش انجام می‌گیرد.

در دماهای بالاتر از حدود ۲۵۰ درجه ساسیوس صفحات لغزشی قطری (هرمی) دیگری نیز فعالی می‌شوند که در نتیجه آن تغییر شکل خیلی آسانتر شده و دوقلویی شدن اهمیت  کمتری می‌یابد. بنابراین تولید محصولات کارپذیر آلیاژهای منیزیم معمولا به صورت کار گرم انجام می‌گیرد.

محصولات کارپذیر این آلیاژ ها از طریق اکستروژن، نورد و آهنگری پرسی در محدوده دمایی ۵۰-۳۰۰ درجه سلسیوس تولید می شوند و در ارتباط با خواص مختلف در جهات متفاوت در محصولات نهائی چند نکته کلی را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

  • از آنجایی که مدول الاستیک در جهات مختلف شبکه شش وجهی منیزیم تغییرات زیادی نشان نمی دهد، جهات ترجیحی تاثیر نسبتا کمی بر روی مدول محصولات کار شده می‌گذارد.
  • اکستروژن این آلیاژهای کارپذیر منیزیم در دماهای نسبتا پایین باعث می شود که صفحات قاعده و نیز امتدادهای به موازات تقریبی امتداد اکستروژن متمایل شوند. نورد کردن باعث جهت دادن صفحات به موازات سطح ورق و امتدادهای   به موازات امتداد نورد می‌شود.
  • چون تنشهای فشاری بهموازات صفحات قاعده به آسانی باعث دوقلویی شدن می‌گردند، بنابراین آلیاژهای کارپذیر منیزیم تنش سیلان طولی پائین‌تری در فشار نشان می‌دهند تا در کشش. نسبت این دو تنش بین ۵/۰ تا ۷/۰ قرار دارد، و از آنجائی که طراحی ساختارهای سبک وزن به خواص کمانش که خود شدیدا بستگی به استحکام فشاری دارد ارتباط دارد، این نسبت مشخصه بسیار مهم آلیاژهای کار شده منیزیم محسوب می‌شود. مقدار این نسبت در آلیاژهای مختلف متغیر بوده و با کاهش اندازه دانه افزایش می‌یابد. زیرا نقش مرز دانه‌ها در کل استحکام به متناسبا بیشتر می شود.
  • مقاوم شدن محصولات کار شده در اثر کار سردی که در آن کشش و فشار متناوب ایجاد می‌شود می‌تواند باعث دوقلویی شدن شدید از طریق فشار نماید که کاهش قابل توجهی در خواص کششی ایجاد می‌کند.

آلیاژهای کارپذیر منیزیم را نیز مانند آلیاژهای ریختگی آن می‌توان به دو گروه بدون زیرکونیم و حاوی زیرکونیم تقسیم کرد.


آلیاژهای ورق و صفحه

آلیاژهای اولیه به صورت ورق آلیاژهای (AZ 31(Mg – 3Al – 1Zn – 0.3Mn که هنوز هم در دمای محیط و یا دماهای کمی بالا موارد مصرف گسترده‌ای دارند، و آلیاژ (MIA (Mg – ۱/۵Al که امروزه مصرف کمی دارد بودند. آلیاژ AZ31 از طریق کرنش سختی استحکام می‌یابد و قابلیت جوشکاری نیز دارد، اگر چه برای به حداقل رسانیدن ترک خوردگی تنشی باید قطعات جوش شده را تنش‌زدایی کردو استحکام دما محیط بالاتر را می‌توان در آلیاژ انگلیسی (ZK31 (Mg – ۳Zn – ۰/۷Zr  یافت، ولی جوش‌پذیری آن محدود است.

دو آلیاژ کم استحکام‌تر (ZK21 (Mg – ۲Zn – ۱Mn) و ZE1 (Mg – ۱/۲Zn – ۰/۲RE  جوش‌پذیرند و هیچگونه تنش‌زدائی نیز نیاز ندارند. آلیاژ ZE10  در بین آلیاژها منیزیم ورقی بالاترین سختی را دارا است.

سیستم Mg – Li به عنوان ورق صفحه بسیار سبک وزن توجه زیادی را به خود جلب نموده است. لیتیم با وزن مخصوص ۵۳/۰ سبکترین فلز محسوب می‌شود و نمودار فازی Mg – Li ( شکل ۲-۵) نشان می‌دهد که این عنصر حلالیت حالت جامد بسیار زیاد در منیزیم دارد. علاوه بر آن، برای تشکیل فازی جدید  که دارای ساختمان bbc است فقط ٪۱۱ لیتیم نیاز است و بنابراین شکل‌پذیری حالت سرد بسیار زیادی از آن انتظار می‌رود.

بالاخره این که شیب مرز فازی  نشان می‌دهد که برخی از ترکیبات این آلیاژ ممکن است مستعد پیر سختی باشند. تحقیقات اولیه نشان داد که حضور مقادیر کم سدیم در آلیاژهای دو جزئی باعث شکنندگی مرز  دانه‌ای می‌شود، که با استفاده  از لیتیم پر خلوص این مشکل رفع می گردد. مشکل دوم این بود که آلیاژهای دو جزئی در دماهای کمی بالا (۰C 70-50) ناپایدار هستند و بیش از حد پیر می شوند که این منجر به خزش شدید تحت بارهای نسبتا کم می‌گردد. با افزودن عناصر دیگر پایداری بالاتری نیز حاصل می‌شود، که امروزه ترکیب (Mg – ۱۴۰Li – ۱Al) LA 141 که جوش‌پذیر است برای ساخت صفحات زرهی و قطعات و اجزا هوا فضائی استفاده  می‌شود. این آلیاژها دارای دانسیته نسبی ۳۵/۱ و مدول ویژه یا سفتی (E/d) ای است که پس از برلیم در مقام دوم قرار دارد . با افزودن ۰٫۵ درصد سیلیسم به این آلیاژ افزایش دیگری در پایداری دما بالای این آلیاژ حاصل می شود.

آلیاژهای کارپذیر منیزیم حاوی توریم نیز برای موارد مصرف دما بالا ساخته شده‌اند. اولین آلیاژ از این گروه آلیاژ (HK31 (Mg – ۳Th – ۰٫۶Zr است که برای حصول حداکثر مقاومت خزشی باید عملیات حرارتی کامل T6 بر روی آن انجام گیرد.  در یک آلیاژ دیگر (HK21 (Mg – ۲Th – ۰٫۶Mn کار سرد قبل از پیر کردن (حالت T8) باعث افزایش استحکام در دماهای تا ۳۵ درجه سلسیوس می‌شود. آلیاژ انگلیسی (ZTY (Mg  ۰/۷۵ Th– ۰/۵Th – ۰/۶ Zr دارای خواس خزشی قابل مقایسه‌ با آلیاژهای HM 21 , HK31  است، ولی دارای این مزیت است که به هیچ گونه عملیات حرارتی نیاز ندارد. هر سه این آلیاژها جوش‌پذیر هستند.

در مورد آلیاژهای کارپذیر منیزیم ورقی، تغییر شکل سرد محدودی می‌توان اعمال نمود و حداقل شعاع خمش آنها در حالت آنیل از ۵ تا T 10 و در حالت نورد سخت شده از ۱۰ تا T 20 متغیر است، که T ضخامت ورق را نشان می‌دهد. بنابراین برای حتی یک عمل ساده تغییر شکل ترجیح داده می شود از تغییر شکل گرم در محدوده دمای ۰C 350-230 استفاده  شود. این در شرایط می‌توان ورق را از طریق پرس کردن، کشش عمق، چرخکاری و سایر روشهایی که در آنها از تجهیزات و ماشین‌آلات نسبتا کم قدرت استفاده  می شود تغییر شکل  داد.


آلیاژهای اکستروژنی

انواع مختلف آلیاژهای اکستروژنی بر پایه Mg – Al – Zn  حاوی ۱ تا ۸ درصد آلومینیوم مورد استفاده  قرار می گیرند که از بین آنها با استحکام ترین آلیاژ (AZ81 (Mg-8 Al-1 Zn -0.7Mn است که اگر بعد از تولید عملیات حرارتی شود تا حدی پیر سخت می‌گردد. آلیاژ AZ 61 در انگلستان به عنوان یک آلیاژ سبک با موارد استفاده  عموم شناخته شده است. یک ترکیب خاص از این نوع آلیاژها که به عنوان آلیاژ قوطی سازی ساخته شده است در راکتورهای اتمی Magnox انگلستان که با گاز خنک می شود مورد استفاده  قرار گیرد. این آلیاژ دارای ترکیب Mg – 0.5 Al – ۰٫۰۰۵ Be است و قوطی‌های المانهای سوخت راکتور را به همراه فین‌های خنک کننده از این جنس از طریق اکستروژن ضربه ای و یا از طریق ماشینکاری قطعات اکسترود نشده فین‌دار تولید می‌شود. شکل مارپیچی قطعه از طریق پیچش گرم قطعه اکسترود شده حاصل می‌شود. آلیاژ منیزیم برای این منظور به این دلیل انتخاب شده است که این فلز دارای سطح مقطع جذب نسبتا کمی برای نوترونهای حرارتی بوده (۵۹٪ بارنز) در برابر خزش و خوردگی توسط محیط سرد کننده دی‌اکسید کربن در دمای عمل (۰C 420-180) مقاوم بوده و بر خلاف آلومنیوم، با سوخت اورانیوم ترکیب نمی شود. افزودن آلومنیوم به این آلیاژها باعث مقاوم شدن محلول جامد می‌گردد در حالی که مقادیر بسیار کم برلیم مقاومت اکسیداسیون را افزایش می دهد.

آلیاژ (ZK61 (Mg – ۶Zn – ۰٫۷ Zr که معمولا پس از اکسترود شدن پیر می شود در بین کلمه آلیاژهای منیزیم بالاترین استحکام تسلیم دما محیط را نشان می‌دهد. این آلیاژ دارای این مزیت است که استحکام کششی و فشاری آن بر هم منطبق است. آلیاژهای (ZK21 و ZM21 (Mg – ۲Zn – ۱Mn با مقدار روی کمتر در مواردی که سرعت اکستروژنی بالاتری ( مثلا ۴۰ متر در دقیقه) لازم  است استفاده  گسترده ای دارند. بالاترین استحکام آلیاژهای کار شده منیزیم برای ترکیب (ZM61 (Mg – ۶Zn – ۱۰ Mn به صورت میله‌های اکسترود شده عملیات حرارتی شده گزارش گردیده است. ای آلیاژ پیر سختی بالائی را نشان می‌دهد. عملیات حرارتی انحلال در ۰C420 سریع سرد کردن و سپس پیر کردن دوبله در زیر و بالاتر از منحنی مناطق GP ( 24 ساعت در ۰C90 و ۱۶ ساعت در ۰C180) منجر به خواص کششی زیر می‌گردد. تنش سیلان MPa 340، استحکام کششی MPa 385 به همراه درصد تغییر طول معادل ٪۸ خواص مشابه‌ای نیز در آلیاژ جدید بر پایه سیستم Mg , Zn. Cu دیده می‌شود که دارای این مزیت نیز هست که در مقایسه با آلیاژ ZM61 دارای سرعت اکستروژن بالاتری است. این آلیاژ (ZCM 110 (Mg- 6.5 ZN- 1.25 Cu – ۰٫۷۵ Mn است که به آن عملیات حرارتی T6 و عملیات حرارتی انحلال به مدت  ۸ ساعت در ۰C435 کوئنچ کردن در آب گرم، پیر کردن به مدت ۲۴ ساعت در ۰C200 داده می‌شود. این آلیاژها از نظر نسبت استحکام به وزن قابل مقایسه با برخی از پر استحکام‌ترین آلیاژهای کار شده آلومنیوم هستند.

در دماهای بالا، الیاژهای توریم دار (Mg -3Th – ۱Mn) HM 31 , Hk 31 برای ساخت قطععاتی که تا ۰C350 مقاومت خزشی دارند استفاده  می شود، که آلیاژ دوم در دماهای ۰C425 نیز به مدت کوتاه پایدار است.


آلیاژهای آهنگری

قعطات آهنگری شده آلیاژهای منیزیم بخش نسبتا کوچکی از محصولات منیزیمی را تشکیل می‌دهند و عموما در جایی استفاده  می‌شوند که نیاز به قطعات سبک دارای شکل پیچیده با استحکامی بالاتر از استحکام قطعات ریختگی باشد. بنابراین سعی می‌شود برای قطعات آهنگری شده از آلیاژهای پراستحکام AZ 8  یا ZK 60 برای کابردهای دما محیط، و از آلیاژهای HM 21, Hk 31 برای کاربردهای دما بالا استفاده  شود. برای آهنگیری این آلیاژها از دستگاه پرسی بیشتر از چکشی استفاده  می‌شود . معمولا قبل از آهنگری قطعات آنها را اکستروژن اولیه می‌کنند تا ساختار را ریز نمایند.

فهرست
error: این محتوا تحت حفاظت است