· انواع آلیاژهای منیزیم و خواص آنها
انواع آلیاژهای منیزیم و خواص آنها
آلیاژهای منیزیم – آلومینیوم:
این آلیاژها اغلب حاوی (8-9)% آلومینیوم هستند، که مقدار کمی روی جهت افزایش خواص کششی و مقداری هم منگنز ( به عنوان مثال 0.3% ) برای افزایش مقاومت به خوردگی به آلیاژ اضافه می شود.
در آلیاژهای بیش از 2% آلومینیوم در شرایط ریختگی فاز b-Mg17Al12 که بعضا Mg4Al3 نامیده می شود، ظاهر می گردد که با افزایش آلومینیوم این فاز در اطراف مرز دانه ها تشکیل می شود و بالای 8% آلومینیوم، شکل پذیری به سرعت کم می شود.
آنیل کردن آلیاژ منیزیم – آلومینیوم در دمای 420 درجه ی سانتیگراد موجب انحلال مجدد جز سلولی و تمام یا قسمتی از فاز b در امتداد مرز دانه ها شده که موجب استحکام بخشی در اثر محلول جامد می شود و شکل پذیری آلیاژ افزایش می یابد.
افزودن روی به آلیاژ منیزیم – آلومینیوم باعث افزایش استحکام می گردد ولی به علت افزایش احتمال ترک خوردگی در طی انجماد استفاده از روی محدود می باشد.
در مواردی که نیاز به چقرمگی شکست و شکل پذیری بیشتر باشد، آلیاژ با خلوص بالا و با درصد های آلومینیوم کمتر توسعه یافته است که این خواص ناشی از کاهش مقدار Mg17Al12 در اطراف مرز دانه ها است.
آلیاژهای ریختگی Mg-Alو Mg-Al-Zn تا حدودی مستعد بروز تخلخل های ریز می باشند، اما در عوض دارای قابلیت ریخته گری خوبی بوده و مقاومت آنها در برابر خوردگی عموما رضایت بخش است. این آلیاژها برای استفاده در دماهای تا 110 – 120 درجه ی سانتیگراد مناسب اند و در بالای این دما نرخ خزش به مقدار غیر قابل قبولی می رسد. چنین رفتاری به این واقعیت نسبت داده می شود که آلیاژهای منیزیم عمدتا به دلیل لغزش مرز دانه ها دچار خزش می شوند و فاز Mg17Al12 که دارای دمای گداز حدود 460 درجه ی سانتیگراد بوده و در دماهای پایین تر نسبتا نرم است، تاثیری در ثابت نگه داشتن مرز دانه ها ندارد. افزودن 1% کلسیم مقاومت خزشی آلیاژهای Mg-Al را افزایش داده، اما این آلیاژها را مستعد ترک خوردگی گرم می نماید. با کاهش درصد آلومینیوم و اضافه شدن سیلیسیم نیز خواص خزشی بهبود می یابند. سیلیسیم باعث کاهش مقدار Mg17Al12 شده و در قطعات ریخته گری تحت فشار که نسبتا سریع سرد می شوند، سیلیسیم با منیزیم ترکیب شده و ذرات ریز و نسبتا سخت ترکیب Mg2Si را در مرز دانه ها تشکیل می دهد.
آلیاژهای سیستم Mg-Al مستعد انقباض میکروسکوپی بوده و لذا برای بدست آمدن کیفیتی یکنواخت باید دقت لازم به عمل آید.
آلیاژهای منیزیم – روی:
آلیاژهای منیزیم – روی قابلیت پیر سختی دارند اما ریز کردن با اعمال فوق تبرید یا تلقیح در آنها مؤثر نیست و نیز امکان بروز ریز مک در آنها وجود دارد. در نتیجه، این آلیاژها برای تولید قطعات تجاری مورد استفاده قرار نمی گیرند. فرایند پیر سازی پیچیده و شامل چهار مرحله است. حد حلالیت مناطق GP در آلیاژ Mg-5.5Zn بین (70 – 80) درجه سانتیگراد قرار داشته و پیر سازی مقدماتی در زیر این خط حلالیت، پیش از پیرسازی در دمای بالاتر ( بعنوان مثال 150 درجه سانتیگراد )، اندازه ی رسوب های میله ای شکل MgZn را که فاز هم سیما می باشد، ریز نمی نماید و پس از آن، از مناطق GP تشکیل می گردند، حداکثر سخت شدن با حضور این فاز هم سیما بدست می آید.
آلیاژهای منیزیم – روی – مس:
افزودن مس به آلیاژهای دوتایی Mg-Zn موجب بهبود قابل توجه شکل پذیری و مؤثرتر شدن عملیات پیر سازی می گردد. این آلیاژها خواص کششی مشابه با آلیاژ AZ91 (به طور مثال مقاومت کششی در حد 215 الی 260 مگاپاسکال، حد تناسب حدود 130الی 160 مگاپاسکال و ازدیاد طول نسبی بین 3 تا 8 درصد) از خود نشان داده و این مزیت را دارد که خواص فوق الذکر تکرار پذیر هستند و پایداری در دماهای بالا نیز بهبود می یابد. یکی از آلیاژهای این خانواده که در ماسه ریخته گری می شود به نام ZC63 نامگذاری شده است. افزودن تدریجی مس به آلیاژهای Mg-Zn درجه حرارت یوتکتیک را مطابق نمودار زیر بالا می برد و از این نظر دارای اهمیت است بطوریکه استفاده از دماهای بالاتر در عملیات محلولی و نتیجتاً حداکثر حلالیت روی و مس را امکان پذیر می سازد. ساختار یوتکتیک نیز تغییر کرده و به جای ساختار کاملا جدا از هم در آلیاژهای دوتایی Mg-Zn که در آن ترکیب Mg و Zn در اطراف مرزدانه و بین بازوهای دندریتی توزیع شده است، در آلیاژهای سه تایی مس دار ساختار لایه ای تشکیل می شود.
بر اثر عملیات حرارتی محلولی، انحلال جزئی یوتکتیک صورت گرفته و پولکها و میله های در زمینه ی آلفا باقی می ماند. گمان می رود که چنین ساختار علت بهبود شکل پذیری آلیاژ باشد.
افزودن مس به آلیاژهای Mg-Al-Zn اثر زیان آور بر مقاومت به خوردگی آنها دارد اما در آلیاژهای Mg-Zn-Cu این مسأله دیده نمی شود که دلیل آن ممکن است داخل شدن مس در فاز یوتکتیکی به صورت Mg(Cu,Zn) باشد.
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 0.6% می باشد 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:
1.سازگاری با زیرکونیم
2.ویژگی های ریخته گری
3.خواص مطلوب آلیاژ
توجه به مورد سوم، بهبود خواص کششی شامل تنش تسلیم و استحکام کششی و همچنین افزایش مقاومت خزشی دو هدف اصلی بوده و در صنایع هوافضا این مورد بیشتر مد نظر قرار گرفته است.
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 می گیرند. با وجود این، امکان بروز ریزمک در این آلیاژها و غیر قابل جوشکاری بودن، آنها را به شدت محدود کرده است.
آلیاژهای شامل عناصر خاکی:
اخیراَ 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 می شوند، معطوف گشته است. این آلیاژ نیز فقط برای ریخته گری تحت فشار مناسب است زیرا سرد کردن آرامتر منجر به تشکیل ذرات درشت ترکیبات Al2R.E می گردد.
مکانیزم تأثیر 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 شده است.
به علاوه، جوانه زنی فاز پایدار Mg12Ce در مرز دانه ها طی خزش مشاهده شده و به نظر می رسد 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 می دهد.
معمولا از آلیاژهای حاوی عناصر خاکی در مواردی که مقاومت به خزشی آلیاژ مد نظر باشد استفاده می گردد.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 می گیرد. از آلیاژهای شامل توریم می توان به آلیاژهای ZT1 و TZ6 اشاره کرد.
آلیاژ ZT1 که شامل 3% توریم،2.2% روی و 0.7% زیرکونیم است برای بهترین خواص خزشی استفاده می شود (رنج درجه حرارت بین 250 الی 350 درجه ی سانتیگراد ).
آلیاژ جدید TZ6 که از 5.8% روی، 1.8% توریم و 0.7% زیرکونیم تشکیل شده است دارای مقاومت کششی بالا و الانگیشن حدود 5 درصد می باشد.
آلیاژهای منیزیم – لیتیوم:
لیتیوم به عنوان سبکترین فلز با چگالی 0.534gr/cm3 در منیزیم باعث کاهش چگالی و افزایش داکتیلیتی مستقل از اندازه دانه می شود. یعنی خواص منیزیم به عنوان یک فلز سازه ای بهبود می یابد. از طرف دیگر در آزمایشاتی، شامل آلیاژهای فوق سبک bcc بر پایه MgLi40at% در یک چگالی بالای 1.3gr/cm3 گزارش شده است.
افزایش داکتیلیتی توسط کاهش نسبت ثوابت شبکه (c/a) در اثر جایگزینی اتم های Li به جای اتم های Mg ایجاد می شود.
[size=medium]نمایش اختصاری آلیاژهای منیزیم
برای نمایش اختصاری آلیاژهای منیزیم، به گونه ای که ترکیب شیمیایی تقریبی و نوع عملیات حرارتی یا مکانیکی انجام شده بر روی آنها را بیان کند، سیستم های گوناگونی پیشنهاد گردیده و بکار می رود که در میان آنها سیستم استاندارد ASTM در سطح جهانی پذیرفته شده است و در این متن نیز به عنوان مبنا مورد استفاده قرار می گیرد.
در سیستم ASTM که برای مشخص کردن آلیاژهای آلومینیوم و آلیاژهای منیزیم به طور یکسان به کار می رود علامت اختصاری هر آلیاژ دارای چهار بخش است:
بخش نخست نشان دهنده دو عنصر آلیاژ کننده اصلی می باشد. این دو عنصر توسط دو حرف الفبا و به ترتیب کاهش درصد آنها بیان می گردند (چنانچه درصد های آنها برابر باشند، ترتیب الفبایی دو حرف رعایت می شود).
در جدول زیر عناصر آلیاژ کننده آلومینیوم و منیزیم و حروف نماینده آنها درج شده است:
آلومینیوم A
منیزیم Mg
سرب P
بیسموت B
توریم H
نقره Q
مس C
زیرکونیم K
کروم R
کادمیوم D
لیتیوم L
سیلیسیوم S
خاک های نادر E
منگنز M
قلع T
آهن F
نیکل N
آنتیموان Y
روی Z
بخش دوم مقدار هر یک از دو عنصر آلیاژی را بیان می کند. این بخش از دو عدد صحیح تشکیل شده که هر یک نزدیکترین عدد به درصد عنصر مربوط به آن است. ترتیب نوشتن این دو عدد با ترتیب نمایش دو عنصر در بخش نخست یکسان است.
در بخش سوم آلیاژهای استاندارد گوناگونی که دو عنصر آلیاژی اصلی و درصدهای دو عنصر در تمام آنها یکسان می باشند، بر اساس اختلافات جزیی شان از یکدیگر جدا می شوند. این بخش از یک حرف تشکیل یافته است. حروف متوالی الفبا به جز O ، آلیاژهای مشابه (که اختلاف آنها مثلا در نوع یا مقدار سومین عنصر آلیاژ کننده می باشد) را به ترتیب استاندارد شدن آنها مشخص می کنند و شامل حروف زیر می باشند:
A: اولین ترکیب آلیاژ ثبت شده در ASTM
B: دومین ترکیب آلیاژ ثبت شده در ASTM
C: سومین ترکیب آلیاژ ثبت شده در ASTM
D: آلیاژ با خلوص خیلی زیاد ثبت شده در ASTM
X1 : آلیاژ ثبت نشده در ASTM
E: آلیاژ با مقاومت عالی در برابر خوردگی
چنانچه فقط ترکیب آلیاژی مورد نظر باشد، سه بخش گفته شده برای مشخص کردن آلیاژ کافی است در غیر این صورت بخش چهارم که بازگو کننده شرایط فیزیکی آلیاژ (نوع عملیات مکانیکی یا عملیات حرارتی انجام شده روی آلیاژ) می باشد، به دنبال بخش سوم اضافه شده و با یک خط تیره از آن جدا می گردد.
بخش چهارم از یک و یک عدد به دنبال آن تشکیل می شود. حروف و اعدادی که به این منظور به کار می روند با ذکر معانی آنها در زیر آمده است:
بدون هیچگونه عملیات حرارتی یا مکانیکی-------------------------------------------------------------------As fabricated
آنیل شده، دوباره متبلور شده( فقط قطعات کار شده )Annealed,recrystallized(wrought product)-------------------
سخت شده بر اثر تغییر شکل مکانیکی Strain hardened-------------------------------------------------------------------
در حالت ناپایدار ایجاد شده توسط عملیت حرارتی محلولیSolution heat treated.Unstable temper------------------
حالت پایدار (متفاوت با F و O و یا H )ایجاد شده از طریق عملیات حرارتی------Thermally treated to produce stable tempers other than –F.-O.or-H
تقسیمات فرعی عملیات –H و –T :
17