فلزات و آلیاژهای غیرآهنی ( Non-ferrous alloys ) گروهی از فلزات و آلیاژها هستند که مقاومت به خوردگی بسیار خوبی در مقایسه با آلیاژهای آهنی دارند [۱] .
مقاومت به خوردگی بسیار خوب این مواد بدلیل کم بودن یا نبود عنصر آهن در این مواد است . فلزات و آلیاژهای غیرآهنی استحکام کمی در دماهای بالا دارند و عموما از شکنندگی حرارتی (Hot shortness) رنج میبرند . این مواد همچنین نسبت به فلزات و آلیاژهای آهنی انقباض بیشتری دارند . این مواد مزایای فراوانی دارند به همین دلیل در صنعت بسیار مورد استفاده قرار میگیرند . برخی از مزایای این مواد عبارتند از [۱] :
- مقاومت به خوردگی بالا .
- فرآیند ساخت آسان بعنوان مثال ماشینکاری ، ریختهگری ، جوشکاری ، آهنگری و نورد .
- رسانایی حرارتی و الکتریکی بسیار خوب .
- رنگهای جذاب و دانسیته پایین .
انواع فلزات و آلیاژهای غیرآهنی
فلزات و آلیاژهای غیرآهنی به آلومینیوم و آلیاژهای پایه آلومینیوم (Aluminium & Aluminium base alloys) ، نیکل و آلیاژهای پایه نیکل (Nickel & Nickel base alloys) ، مس و آلیاژهای پایه مس (Copper & Copper base alloys) ، تیتانیم و آلیاژهای پایه تیتانیم (Titanium & Titanium base alloys) ، منیزیم و آلیاژهای پایه منیزیم (Magnesium & Magnesium base alloys) ، کبالت و آلیاژهای پایه کبالت (Cobalt and Cobalt base alloys) ، روی و آلیاژهای پایه روی (Zinc and Zinc base alloys) ، تنگستن و آلیاژهای پایه تنگستن (Tungsten and basic tungsten alloys) و سایر فلزات و آلیاژهای آنها تقسیم بندی میشوند .(لینک داخلی).
در ادامه توضیحات مختصری در خصوص برخی از فلزات و آلیاژهای غیرآهنی ارائه شده است .
آلومینیوم و آلیاژهای پایه آلومینیوم
آلومینیوم فلزی سفید رنگ است که توسط فرآیندهای الکتریکی از کانی رسی بنام بوکسیت (Bauxite) تهیه میشود . سنگ معدن آلومینیومی بوکسیت به فراوانی در هند یافت میشود و صنعت آلومینیوم بسیار پر رونق است[۱] .
آلومینیوم ممکن است با یک یا چند عنصر آلیاژی دیگر نظیر مس ، منگنز ، منیزیم ، سیلیسیم و نیکل آلیاژ شود . افزودن مقادیر اندکی از عناصر آلیاژی به آلومینیوم نرم و انعطاف پذیر ، آن را به فلزی سخت و مستحکم تبدیل میکند ؛ این در حالی است که آلومینیوم همچنان سبک وزن خواهد ماند [۱] .
آلیاژهای پایه آلومینیوم ، به دو گروه اصلی آلیاژهای آلومینیوم کار پذیر (Wrought aluminum alloy) و آلیاژهای آلومینیوم ریختگی (Cast aluminum alloys) تقسیم میشوند . آلیاژهای آلومینیوم کار پذیر که زیر مجموعهای از فلزات و آلیاژهای غیر آهنی هستند ، به آلیاژهای آلومینیوم گروه ۱۰۰۰ ، ۲۰۰۰ ، ۳۰۰۰ ، ۴۰۰۰ ، ۵۰۰۰ ، ۶۰۰۰ ، ۷۰۰۰ و ۸۰۰۰ تقسیم میشوند . آلیاژهای آلومینیوم ریختگی نیز به گروههای ۱xxx ، ۲xxx ، ۳xxx ، ۴xxx ، ۵xxx ، ۶xxx ، ۷xxx ، ۸xxx و ۹xxx دسته بندی میشوند .
مشخصات کلی آلیاژهای آلومینیوم کار پذیر در جداول زیر ارائه شده است [۲] .
مشخصات آلیاژهای آلومینیوم کار پذیر [۲] .
ترکیب شیمیایی آلیاژهای ریختگی آلومینیوم که گروهی از فلزات و آلیاژهای غیرآهنی هستند ، در جدول زیر لیست شده است [۲] .
ترکیب شیمیایی آلیاژهای ریختگی آلومینیوم [۲] .
یک عضو دیگر از این گروه نیکل و آلیاژهای پایه نیکل هستند .
نیکل و آلیاژهای پایه نیکل
حداقل ۸۵ درصد از کل تولید نیکل از سنگ معدن سولفید بدست میآید [۱] .
آلیاژهای پایه نیکل که خود زیر مجموعهای از فلزات و آلیاژهای غیرآهنی هستند ، به آلیاژهای نیکل با خلوص بالا (Pure nickel) ، آلیاژهای حاوی نیکل- مس (Nickel–Copper) ، آلیاژهای حاوی نیکل- کروم- آهن (Nickel–Chromium–Iron) ، آلیاژهای حاوی نیکل- کروم- مولیبدن (Nickel–Chromium–Molybdenum) ، آلیاژهای نیکل تولید شده با متالورژی پودر (Nickel-powder alloys (dispersion strengthened)) و آلیاژهای نیکل تولید شده با آلیاژ سازی مکانیکی (Nickel-powder alloys (mechanically alloyed)) تقسیم میشوند .
در جدول زیر خواص برخی از آلیاژهای نیکل به همراه کاربرد آنها ارائه شده است [۲] .
خواص و کاربرد برخی از آلیاژهای نیکل [۲] .
مس و آلیاژهای پایه مس
مس خام که از سنگ معدن آن استخراج میشود دارای ۶۸ درصد خلوص است که بعنوان مس جوشدار (Blister copper) شناخته میشود . با استفاده از فرآیندهای تصفیه الکترولیتی ، مس با خلوص بالا (۹/۹۹ درصد) بدست میآید که مجددا ذوب شده و به شکلهای مختلف ریختهگری میشود . مس یک فلز مقاوم در برابر خوردگی با یک رنگ قهوهای متمایل به قرمز است[۱] .
آلیاژهای پایه مس که خود گروهی از فلزات و آلیاژهای غیر آهنی هستند به آلیاژهای مس با خلوص بالا ، برنجهای ساده ، برنزهای قلع و آلومینیوم ، فسفر (قلع) برنز ، برنز آلومینیوم ، برنز سیلیسیم ، کوپرو نیکل و نیکل- نقره و آلیاژهای ریختهگری مس را تقسیم میشوند . برنج (Brass) آلیاژی از مس و روی و برنز (Bronze) آلیاژی از مس و قلع است . این دو گروه مهمترین آلیاژهای پایه مس (گروهی از فلزات و آلیاژهای غیر آهنی) هستند که در صنعت کاربردهای فراوانی دارند .
تیتانیم و آلیاژهای پایه تیتانیم
آلیاژهای تیتانیم آلیاژهایی هستند که دارای ۵۰ یا بیشتر از ۵۰ درصد تیتانیم هستند . این آلیاژها خواص استحکام به دانسیته بالایی دارند . این آلیاژها از مقاومت به خوردگی خوبی در مقایسه با تیتانیم خالص برخودار هستند [۳] . ازآلیاژهای پایه تیتانیم عبارتند از :
- گریدهای تیتانیم خالص- غیر آلیاژی (Unalloyed grades)
- آلیاژهای آلفا (α and near-α alloys)
- آلیاژهای آلفا- بتا (α–β alloys)
- آلیاژهای بتا (β alloys)
منیزیم و آلیاژهای پایه منیزیم
سنگ معدنهای اصلی منیزیم مگنزیت (Magnesite)، کارنالیت (Carnallite) و دولومیت (Dolomit) است . منیزیم به وسیله روشهای الکترولیتی استخراج میشود [۱] . منیزیم با وزن مخصوص ۷۴/۱ کم چگالترین فلز برای کاربردهای مهندسی است [۳] .
کبالت و آلیاژهای پایه کبالت
کبالت و آلیاژهای پایه کبالت گروهی از فلزات و آلیاژهای غیرآهنی هستند . کبالت بدلیل خواص مغناطیسی ، مقاومت به خوردگی ، مقاومت در برابر سایش ، استحکام و دمای کاری بالایی که دارد ، کاربردهای گستردهای دارد . آلیاژهای پایه کبالت میتوانند به سه گروه آلیاژهای پایه کبالت مقاوم در برابر سایش ، مقاوم در برابر خوردگی و مقاوم در برابر حرارت (حتی در دماهای بسیار بالا) تقسیم بندی شوند [۴] .
روی و آلیاژهای پایه روی
سنگ معدنهای اصلی روی ، اسفالریت (Blende) (ZnS) و کالامین (Calamine) (ZnCO۳) هستند . روی فلزی نسبتا سنگین با رنگ سفید مایل به آبی است که بدلیل هزینه پایین، مقاومت در برابر خوردگی و مشخصات آلیاژی کاربردهای گستردهای دارد . نقطه ذوب روی ۴۲۰ درجه سانتی گراد و دمای جوش ۹۴۰ درجه سانتی گراد است [۱] .
تنگستن و آلیاژهای پایه تنگستن
آلیاژهای تنگستن برخی مواقع بعنوان آلیاژهای سنگین نیز شناخته میشوند . این آلیاژها معمولا شامل ۹۷-۹۰ درصد تنگستن هستند . مابقی ترکیب آنها مخلوطی از فلزاتی است که باعث بهبود انعطاف پذیری و قابلیت ماشینکاری در این آلیاژها میشود [۵] .
سایر فلزات و آلیاژهای غیرآهنی
در ادامه توضیحات مختصری در خصوص سایر فلزات و آلیاژهای غیرآهنی مطرح شده است.
سرب (Lead)
یکی دیگر از زیر مجموعههای فلزات و آلیاژهای غیرآهنی سرب است . سرب سنگینترین فلز رایج است و از سنگ معدن گالن (Galena) استخراج میشود . رنگ سرب خاکستری مایل به آبی و مات است . زمانی که در معرض هوا قرار بگیرد بسیار کدر میشود [۱] .
قلع (Tin)
یکی دیگر از زیر مجموعههای فلزات و آلیاژهای غیرآهنی قلع است . قلع یک فلز سفید درخشان مایل به زرد با نقطه ذوب ۲۴۰ درجه سانتی گراد است [۱] .
وانادیم (Vanadium)
یکی دیگر از زیر مجموعههای فلزات و آلیاژهای غیرآهنی وانادیم است . وانادیم از ترکیب پیریت آهن (Iron pyrite) ، مواد کربن دار و گوگرد آزاد بدست میآید [۱] .
آنتیموان (Antimony)
یکی دیگر از زیر مجموعههای فلزات غیرآهنی آنتیموان است . سنگ معدن اصلی آنتیموان استیبنیت (Stibnite) است . آنتیموان بعنوان یک محصول فرعی در تصفیه سایر فلزات مانند سرب ، مس نقره و روی بدست میآید[۱] .
کادمیوم (Cadmium)
این ماده نیز گروهی از فلزات غیرآهنی است که بعنوان یک محصول فرعی در استخراج روی و تا حدودی سرب بدست میآید[۱] .
خواص و کاربرد فلزات و آلیاژهای غیرآهنی
خواص و کاربرد عنصر مس که گروهی از فلزات غیر آهنی است ، عبارتند از[۱] :
- رسانایی حرارتی بالا : مورد استفاده در مبدلهای حرارتی ، مخازن و کاربردهای گرمایشی و غیره .
- رسانایی الکتریکی بالا : مورد استفاده بعنوان هادیهای الکتریکی در اشکال و فرمهای مختلف در کاربردهای مختلف .
- مقاومت در برابر خوردگی خوب : استفاده بعنوان پوشش روی فولاد قبل از آبکاری نیکل و کروم .
- انعطاف پذیری بالا : به راحتی تحت کار سرد ، پیچش ، تا کردن و غیره قرار میگیرد . بعد از کار سرد نیاز به آنیل کردن دارد زیرا انعطاف پذیری خود را از دست میدهد .
خواص و کاربرد عنصر آلومینیوم که گروهی از فلزات و آلیاژهای غیر آهنی است ، عبارتند از [۱] :
- همانند مس مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارد .
- رسانایی حرارتی و الکتریکی خوبی دارد اگر چه که به خوبی مس نیست .
- بدلیل قابلیت انعطاف پذیری بالا و وزن سبک بطور گسترده در صنعت هواپیما استفاده میشود .
- در صورت کار سرد نیاز به آنیل مجدد دارد زیرا بعد از کار سرد سخت میشود .
- با توجه به قابلیت انعطاف پذیری ، تا حدودی جایگزین مس در برخی از انتقالات و وسایل الکتریکی شده است .
- در ساخت لوازم خانگی مانند دیگ زود پز مورد استفاده قرار میگیرد .
آلیاژهای پایه آلومینیوم
این آلیاژها در هادیهای الکتریکی ، سازههای هواپیما ، سیلندر موتور هواپیما ، پیچها ، تجهیزات شیمیایی مخازن و غیره کاربرد دارند [۲] .
خواص و کاربرد عنصر روی که گروهی از فلزات و آلیاژهای غیر آهنی است ، عبارتند از [۱] :
- مقاومت به خوردگی بالا : بعنوان پوششهای حفاظتی بر روی آهن و فولاد بسیار مورد استفاده قرار میگیرند . این پوششها ممکن است به روشهای گالوانیزه کردن و آبکاری الکتریکی اعمال شوند .
- سیالیت بالا و نقطه ذوب پایین : مناسبترین فلز یا آلیاژ در ریختهگری تحت فشار است .
- ورق های نورد شده روی ، در روکشهای سقف و روکشهای ضد خوردگی برای ظروف کاربرد دارند .
- سیمهای گالوانیزه ، میخها و غیره با روش گالوانیزه کردن تولید میشوند و از روی در ساخت آلیاژ برنج استفاده میشود .
خواص و کاربرد عنصر نیکل که گروهی از فلزات و آلیاژهای غیر آهنی است ، عبارتند از [۱] :
- نیکل خالص سخت و نقرهای رنگ است . سختی نیکل بیشتر از مس اما انعطاف پذیری آن کمتر از مس است و حدودا استحکام یکسانی دارند .
- بعنوان روکش بر روی فولاد قرار میگیرد تا یک لایه و سطح مقاوم به خوردگی ایجاد کند .
- بطور گسترده بعنوان یک عنصر آلیاژی در فولاد استفاده میشود . در تولید سوپر آلیاژهایی مانند اینکونل و مونل نسبتهای بالاتری از آن مورد استفاده قرار میگیرند .
- مقاومت به خوردگی خوبی در برابر اسیدها و بازها دارد ، بنابراین بطور گسترده در تجهیزات صنعت فرآوری غذایی مورد استفاده قرار میگیرد .
آلیاژهای پایه نیکل
آلیاژهای پایه نیکل در ترموکوپلها ، تجهیزات شیمیایی ، کورهها ، پره توربینها و غیره کاربرد دارند [۲] .
خواص و کاربرد عنصر منیزیم که گروهی از فلزات و آلیاژهای غیر آهنی است ، عبارتند از [۱] :
- سبکترین فلز است که حدود دو سوم آلومینیوم وزن دارد .
- استحکام کششی منیزیم ریختگی با آلومینیوم ریختگی برابر و حدود ۹۰ مگا پاسکال است .
- استحکام کششی منیزیم آنیل و نورد شده برابر یک چدن با کیفیت خوب است .
- منیزیم به آسانی شکل میگیرد و با دقت بالا آهنگری و ماشینکاری میشود .
- منیزیم در حالت پودری گرم شده و در معرض هوا میسوزد ، در این شرایط باید اقدامات کافی برای جلوگیری آتش سوزی فراهم شود .
- ریختهگری این فلز تحت فشار بالا انجام شده و پرداخت سطحی خوبی دارد .
- منیزیم ریختگی در کاربردهایی شامل گیربکس اتومیبل ، جعبه دیفرانسیل و ابزارهای دستی استفاده میشوند .
خواص و کاربرد سایر فلزات و آلیاژهای غیرآهنی
خواص و کاربرد عنصر سرب که گروهی از فلزات و آلیاژهای غیر آهنی است ، عبارتند از [۱] :
- وزن مخصوص سرب ۷/۱ و نقطه ذوب آن ۳۶۰ درجه سانتی گراد است .
- در برابر خوردگی مقاوم است و با بسیاری از مواد شیمیایی (حتی اسیدها) واکنش نمیدهند .
- سرب نرم ، سنگین و انعطاف پذیر است و میتواند به آسانی تحت کار سرد قرار گرفته و شکل بگیرد .
- بعنوان عنصر آلیاژی در لحیم کاری کاربرد دارد .
- میتواند با برنج آلیاژ شود و قابلیت ماشینکاری را بهبود بخشد .
- در ساخت لولههای آب ، پوشش کابلهای الکتریکی، پوشش برای مخازن اسید و سقفها کاربرد دارد .
خواص و کاربرد عنصر قلع که گروهی از فلزات و آلیاژهای غیرآهنی است ، عبارتند از [۱] :
- قلع انعطاف پذیر است و میتواند به شکل ورقهای بسیار نازک نورد شود .
- برای حلب کردن وسایل مسی و برنجی و سیم مسی قبل از تبدیل به کابل استفاده میشود .
- بعنوان پوشش محافظ در آهن و فولاد (که در محیطهای خشک یا مرطوب دچار خوردگی میشوند) کاربرد دارد .
- این ماده برای ساخت آلیاژهای مورد استفاده در لحیم کاری و غیره بکار میرود .
خواص و کاربرد سایر فلزات و آلیاژهای غیر آهنی در ادامه مطرح شده است .
خواص و کاربرد عنصر وانادیم که گروهی از فلزات غیر آهنی است ، عبارتند از [۱] :
- وانادیم رنگ سفید براقی دارد .
- وزن مخصوص آن ۵/۶۷ و نقطه ذوب آن ۱۷۱۰ درجه سانتی گراد است .
- هنگامی که تا یک دمای مناسب گرم شود میتواند به هر شکلی کوبیده یا کشیده شود .
- در تولید فولادهای آلیاژی کاربرد دارد .
- از طریق ریختهگری ، وانادیم با مس و آلومینیوم آلیاژهای غیر آهنی تشکیل میدهد .
خواص و کاربرد عنصر آنتیموان که گروهی از فلزات و آلیاژهای غیر آهنی است ، عبارتند از [۱] :
- آنتیموان رنگ سفید براقی دارد . سخت است و کریستالیتی بالایی دارد . شکننده است و به راحتی پودر میشود .
- وزن مخصوص آن ۶/۳۶ و نقطه ذوب آن ۶۳۰ درجه سانتی گراد است .
- سرب، قلع و مس فلزاتی هستند که بیشتر با آنتیموان آلیاژ میشوند .
خواص و کاربرد عنصر کادمیم که گروهی از فلزات و آلیاژهای غیر آهنی است ، عبارتند از [۱] :
- فلز سفید مایل به آبی است و توانایی پولیش بالایی دارد .
- دارای وزن مخصوص ۸/۶۷ و نقطه ذوب ۳۲۱ درجه سانتی گراد است .
- کمی سختتر از قلع و نرمتر از روی است .
- کادمیوم انعطاف پذیر است و به راحتی نورد شده و به شکل سیم کشیده میشود .
این ماده عموما در آلیاژهای ضد سایش مورد استفاده در یاتاقانها بکار میرود . بعنوان پوششهای ضد زنگ برای آهن و فولاد استفاده میشود . اجزای اتومبیل و یخچال مانند پیچ و مهره، قفلها و سیمها با آن روکشدار میشوند [۱] .
فلزات و آلیاژهای غیر آهنی گروهی از مواد هستند که مقدار عنصر آهن موجود در آنها بسیار کم است یا اصلا آهن ندارند . این مواد بدلیل نداشتن آهن مقاومت به خوردگی بالاتری نسبت فلزات و آلیاژهای آهنی دارند . فلزات و آلیاژهای غیر آهنی در کاربردهای بدلیل خصوصیات مناسبی که دارند بطور گسترده در صنایع مورد استفاده قرار میگیرند .
منابع
[۱] T. Baker, “Ferrous Materials and Non-Ferrous Metals and Alloys,” ۲۰۱۵.
[۲] کاویانینژاد، فریدون, انتخاب مواد و طراحی برای مهندسین مواد- مکانیک- شیمی. موسسه آموزشی و تحقیقاتی صنایع دفاعی.
[۳] Myer kutz, Handbook of Materials Selection. .
[۴] “http://www.totalmateria.com/Article54.htm.” .
[۵] “https://www.thomasnet.com/articles/metals-metal-products/types-of-tungsten-alloys-properties-and-uses/.” .
حوزه فعالیت شرکت در زمینه فلزات و آلیاژهای غیرآهنی
شرکت پیشگامان توسعه مواد سام با بهره گیری از دانش و تجربه کارشناسان و مشاوران مجرب، خدمات متنوعی را در زمینه فلزات و آلیاژهای غیرآهنی ارائه می دهد که شامل موارد ذیل می شود:
- انجام فاز مطالعاتی پروژههای صنعتی و دانشگاهی در زمینه فلزات و آلیاژهای غیرآهنی و نیز پوشش های فلزی
- ارائه مشاوره در زمینه انتخاب فلزات و آلیاژهای غیرآهنی مناسب برای کاربردهای مختلف در تمامی صنایع
- ارائه مشاوره در زمینه انتخاب پوشش های فلزی مناسب برای کاربردهای گوناگون مانند خوردگی، اکسیداسیون، سایش، خزش، خستگی و غیره
- مشاوره در زمینه انتخاب فلزات و آلیاژهای غیرآهنی مناسب در طراحی اولیه
- مشاوره در زمینه انتخاب فلزات و آلیاژهای غیرآهنی مناسب و نیز پوشش های فلزی مناسب ( به عنوان لاینینگ برای سطح داخلی و یا خارجی) برای دستگاهها، رآکتورها، مخازن نگهداری، خطوط تولیدی و …
آدرس صفحه اینستاگرام: https://instagram.com/sammaterial?igshid=w9jvr75cwm28
آدرس کانال تلگرام: http://t.me/SamMaterial