آلیاژهای منیزیم

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.

• بدنهٔ دوربین Samsung NX1 از آلیاژهای منیزیم ساخته شده‌است

در واقع تمام آلیاژهای تجاریِ 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.

• تعداد مقالات علمی ای که آلیاژهای AZ91 و AZ31 را در چکیدهٔ خود نام برده‌اند.

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.

در ۲۰ سال گذشته، نظر به مزایای ریخته‌گری عالی آلیاژهای مدرن منیزیم، بیشتر توسعه بر روی کاربردهای ریخته‌گری دیواره نازک در صنعت خودرو متمرکز شده‌است. اخیراً گسترش مداوم کاربردهای ریخته‌گری منیزیم در صنایع خودرو، دفاعی، هوافضا، الکترونیک و ابزارهای برقی منجر به تنوع فرآیندهایی از جمله ریخته‌گری قالب‌های تحت خلأ، ریخته‌گری تحت فشار پایین، ریخته‌گری تحت فشار بالا و ریخته‌گری نیمه جامد شده‌است. افزایش تقاضای انرژی در سراسر جهان، حفاظت از محیط زیست و مقررات دولتی، کاربردهای بیشتری ریخته‌گری منیزیم سبک‌وزن را در چند دهه آینده تحریک خواهد کرد. توسعه استفاده از ابزارهای مهندسی مواد محاسباتی یکپارچه (ICME) کاربردهای ریخته‌گری منیزیم را در کاربردهای سازه‌ای تسریع خواهد کرد.

آلیاژهای منیزیم دارای خواص منحصربه‌فردی هستند که در صورت بهره‌برداری کامل، می‌تواند راه برای ورود به بازارهای مهم برای کاربردهای سازه‌ای باز شود. چگالی ۲/۳ برابری نسبت به آلومینیوم و فقط کمی بیشتر از پلاستیک‌های تقویت شده با الیاف، همراه با خواص مکانیکی و فیزیکی عالی و همچنین قابلیت فرآوری و بازیافت، آلیاژهای منیزیم را در طراحی برای وزن سبک، به گزینه‌ای آشکار تبدیل می‌کند.

آلیاژهای منیزیم به‌طور فزاینده‌ای برای کاربردهای حمل و نقل سبک‌وزن، به دلیل کاهش جرم قابل دستیابی و در نتیجه کاهش سوخت، مورد استفاده قرار می‌گیرند، که می‌تواند هم انتشار گازهای گلخانه‌ای و هم هزینه سوخت حمل و نقل را کاهش دهد. تابه‌حال، آلیاژهای منیزیم، به دلیل مزایای ذاتی ریخته‌گری فشار بالا، عموماً از طریق این فرایند ساخته می‌شده و به همین دلیل، تمرکز اصلی برای استفاده در آینده در پیشرانه‌های خودرو بوده‌است. با این حال، آلیاژهای منیزیم به‌طور فزاینده‌ای برای کاربردهای سازه‌ای با یکپارچگی بالاتر مورد توجه قرار گرفته‌اند (به عنوان مثال، پروژه USCAR front-end)، که در آن استفاده از آلیاژهای کارشده (Wrought) به دلیل عملکرد بالاتر آنها نسبت به آلیاژهای ریخته‌گری، ترجیح داده می‌شود. به‌کارگیری آلیاژهای منیزیم در ساختار بدنه خودرو، به سادگی جایگزینی مستقیم برای آلیاژهای فولاد یا آلومینیوم نیست. مانند سایر فلزات، آلیاژهای منیزیم ویژگی‌های منحصر به فرد خود را دارند که امکان جایگزینی آنها را فقط در برخی از اجزا فراهم می‌کند. استفاده از آلیاژهای منیزیم در کاربردهایی که نیاز به فرایند کار مکانیکی، چسباندن مکانیکی و جذب انرژی در هنگام تصادف دارند، به استفاده از ویژگی‌های تغییر شکل پلاستیک آلیاژهای منیزیم بستگی دارد.

ریخته‌گری فشار بالا (HPDC) انعطاف‌پذیری مناسبی را در طراحی و ساخت قطعات فلزی سبک ارائه می‌دهد. ویژگی‌های عالی پرکنندگی قالب در آلیاژهای منیزیم باعث می‌شود که قطعات ریخته‌گری بزرگ، جداره نازک و پیچیده به لحاظ اقتصادی توسط این فرایند تولید شوند و جایگزین سازه‌های فولادی ساخته شده از جوشکاری و اتصالات متعدد شوند. ریخته‌گری منیزیمی را می‌توان با دیواره‌های نازک در مناطقی که استحکام، نگران‌کننده نیست و با دیواره‌های ضخیم‌تر در مناطقی که نیاز به استحکام بالاتر است، طراحی کرد. اساساً دو نوع فرایند ریخته‌گری تحت فشار بالا وجود دارد: ریخته‌گری تحت فشار محفظه داغ و ریخته‌گری تحت فشار محفظه سرد.

با وجود بهره‌وری بالا، بزرگ‌ترین اشکال فرایند ریخته‌گری فشار بالای معمولی (منیزیم یا آلومینیوم)، سطح تخلخل بالا به دلیل گازهای به دام افتاده ناشی از تزریق فلز مذاب با سرعت‌های بسیار بالا در طول ریخته‌گری است. مسئله تخلخل برای مقاطع جدار نازک (ضخامت بیش از ۲٫۵ میلی‌متر) که خواص مکانیکی عمدتاً توسط پوسته‌های ریخته‌گری ریزدانه و بدون منافذ ایجاد می‌شود، جدیت کمتری دارد. هنگامی که دیواره‌های ضخیم‌تری برای سختی یا دوام در کاربردهای سازه‌ای حیاتی مورد نیاز است، تأثیر تخلخل بر خواص مکانیکی (به‌ویژه شکل‌پذیری و استحکام خستگی) جدی‌تر است. فرآیندهای جایگزین زیر می‌توانند ریخته‌گری با تخلخل کمتر، اما اغلب با هزینه‌های بالاتر یا بهره‌وری کمتر تولید کنند. ریخته‌گری تحت خلأ، یک فرایند ابتکاری است که در آن، فشار کاهش یافته در محفظه تزریق و حفره قالب، درست قبل از تزریق ایجاد می‌شود، هیچ هوای محبوس شده‌ای در ریخته‌گری باقی نمی‌گذارد و امکان ساخت قطعات ریخته‌گری دیواره نازک نسبتاً بزرگ با خواص بهبودیافته قابل توجهی را فراهم می‌کند. قطعات ریخته‌گری تولید شده با این فرایند، در حال حاضر برای مواردی که نیاز به تافنس فشار و خواص مکانیکی خوب از طریق عملیات حرارتی دارند، هدف قرار می‌گیرند؛ بنابراین ریخته‌گری تحت خلأ، قابلیت‌های تحت فشار معمولی را افزایش داده و در عین حال مزایای اقتصادی آن را حفظ می‌کند.

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 معمولاً با دو (یا یک) حرف که در ادامهٔ آن دو (یا سه) عدد آمده‌است مشخص می‌شود. حروف نشان دهندهٔ المان‌های اصلی آلیاژ هستند (A: آلومینیوم، Z: روی (زینک)، M: منگنز، S: سیلیکون). اعداد نشان دهندهٔ درصد نامی ترکیبات اصلی است. برای مثال AZ91 یک آلیاژ منیزیم با ۹ درصد جرمی آلومینیوم و ۱ درصد جرمی روی (Zinc) 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:

آلیاژهای ریخته‌گری

AZ63

AZ81

AZ91

AM50

AM60

ZK51

ZK61

ZE41

ZC63

HK31

HZ32

QE22

QH21

WE54

WE43

Elektron 21

آلیاژهای شکل‌پذیر

AZ31

AZ61

AZ80

Elektron 675

ZK60

M1A

HK31

HM21

ZE41

ZC71 ZM21 AM40 AM50 AM60 K1A M1 ZK10 ZK20 ZK30 ZK40

آلیاژهای منیزیم – آلومینیوم:

این آلیاژ حاوی ۸–۹٪ آلومینیوم، مقادیر کمی روی که باعث افزایش خواص کششی شده و حدوداً ۰٫۳٪ منگنز که مقاومت به خوردگی را افزایش می‌دهد، می‌باشد. حضور آلومینیوم در این آلیاژها سبب شده که به وسیلهٔ 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 درجهٔ 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 آلومینیومِ 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 عموماً رضایت بخش است. این آلیاژها برای استفاده در دماهای تا ۱۱۰ – ۱۲۰ درجهٔ 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 عمدتاً به دلیل لغزش مرز دانه‌ها دچار خزش می‌شوند و فاز Mg17Al12 که دارای دمای گذار حدود ۴۶۰ درجهٔ سانتیگراد بوده و در دماهای پایین‌تر نسبتاً نرم است، تأثیری 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 نسبتاً سریع سرد می‌شوند، سیلیسیم با منیزیم ترکیب شده و ذرات ریز و نسبتاً 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

افزودن مس به آلیاژهای دوتایی Mg-Zn موجب بهبود قابل توجه شکل‌پذیری و مؤثرتر 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 نتیجتاً حداکثر حلالیتِ 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.

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 تأثیر سه عامل اساسی قرار دارد:

1. سازگاری با زیرکونیم
2. ویژگی‌های ریخته‌گری
3. 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).

قابلیت زیرکونیم برای جوانه زنی در آلیاژهای Mg-Zn منجر به معرفی آلیاژهایی مانند ZK51 و ZK61 گردید. این آلیاژها معمولاً به ترتیب در شرایط عملیات حرارتی T5 و T6 مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اخیراً 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 گشته‌است. این آلیاژ نیز فقط برای ریخته‌گری تحت فشار مناسب است زیرا سرد کردن آرامتر منجر به تشکیل ذرات درشت ترکیبات Al2R.E می‌گردد.

مکانیزم تأثیر عناصر کمیاب خاکی برخواص خزشی هنوز کاملاً شناخته نشده‌است، اگر چه در آلیاژ دوتایی پیر شده Mg-1.3R.E رسوبات پراکندهٔ 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.

معمولاً 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

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 درجهٔ 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.

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 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 معمولاً برای تولید قطعات تجاری مورد استفاده قرار نمی‌گیرند.