۱۸ اسفند ۱۳۹۹

پیشگامان توسعه
مواد سام,مواد سام,مواد سام

فلزات و آلیاژهای غیر آهنی (Non-ferrous alloys) گروهی از فلزات و آلیاژها هستند که در آن‌ها آهن بعنوان فلز پایه وجود ندارد یا مقدار اندکی آهن دارند.

فلزات و آلیاژهای غیرآهنی

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] :

  1. مقاومت به خوردگی بالا .
  2. فرآیند ساخت آسان بعنوان مثال ماشینکاری ، ریخته‌گری ، جوشکاری ، آهنگری و نورد .
  3. رسانایی حرارتی و الکتریکی بسیار خوب .
  4. 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] :

  1. رسانایی حرارتی بالا : مورد استفاده در مبدل‌های حرارتی ، مخازن و کاربردهای گرمایشی و غیره .
  2. رسانایی الکتریکی بالا : مورد استفاده بعنوان هادی‌های الکتریکی در اشکال و فرم‌های مختلف در کاربردهای مختلف .
  3. مقاومت در برابر خوردگی خوب : استفاده بعنوان پوشش روی فولاد قبل از آبکاری نیکل و کروم .
  4. 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] :

  1. همانند مس مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارد .
  2. رسانایی حرارتی و الکتریکی خوبی دارد اگر چه که به خوبی مس نیست .
  3. بدلیل قابلیت انعطاف پذیری بالا و وزن سبک بطور گسترده در صنعت هواپیما استفاده می‌شود .
  4. در صورت کار سرد نیاز به آنیل مجدد دارد زیرا بعد از کار سرد سخت می‌شود .
  5. با توجه به قابلیت انعطاف پذیری ، تا حدودی جایگزین مس در برخی از انتقالات و وسایل الکتریکی شده است .
  6. 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] :

  1. 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 .
  2. سیالیت بالا و نقطه ذوب پایین : مناسب‌ترین فلز یا آلیاژ در ریخته‌گری تحت فشار است .
  3. ورق های نورد شده روی ، در روکش‌های سقف و روکش‌های ضد خوردگی برای ظروف کاربرد دارند .
  4. 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] :

  1. 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 .
  2. بعنوان روکش بر روی فولاد قرار می‌گیرد تا یک لایه و سطح مقاوم به خوردگی ایجاد کند .
  3. 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 .
  4. 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] :

  1. سبک‌ترین فلز است که حدود دو سوم آلومینیوم وزن دارد .
  2. استحکام کششی منیزیم ریختگی با آلومینیوم ریختگی برابر و حدود ۹۰ مگا پاسکال است .
  3. استحکام کششی منیزیم آنیل و نورد شده برابر یک چدن با کیفیت خوب است .
  4. منیزیم به آسانی شکل می‌گیرد و با دقت بالا آهنگری و ماشینکاری می‌شود .
  5. منیزیم در حالت پودری گرم شده و در معرض هوا می‌سوزد ، در این شرایط باید اقدامات کافی برای جلوگیری آتش سوزی فراهم شود .
  6. ریخته‌گری این فلز تحت فشار بالا انجام شده و پرداخت سطحی خوبی دارد .
  7. 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] :

  1. وزن مخصوص سرب ۷/۱ و نقطه ذوب آن ۳۶۰ درجه سانتی گراد است .
  2. در برابر خوردگی مقاوم است و با بسیاری از مواد شیمیایی (حتی اسیدها) واکنش نمی‌دهند .
  3. سرب نرم ، سنگین و انعطاف پذیر است و می‌تواند به آسانی تحت کار سرد قرار گرفته و شکل بگیرد .
  4. بعنوان عنصر آلیاژی در لحیم کاری کاربرد دارد .
  5. می‌تواند با برنج آلیاژ شود و قابلیت ماشینکاری را بهبود بخشد .
  6. 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] :

  1. قلع انعطاف پذیر است و می‌تواند به شکل ورق‌های بسیار نازک نورد شود .
  2. برای حلب کردن وسایل مسی و برنجی و سیم مسی قبل از تبدیل به کابل استفاده می‌شود .
  3. بعنوان پوشش محافظ در آهن و فولاد (که در محیط‌های خشک یا مرطوب دچار خوردگی می‌شوند) کاربرد دارد .
  4. 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] :

  1. وانادیم رنگ سفید براقی دارد .
  2. وزن مخصوص آن ۵/۶۷ و نقطه ذوب آن ۱۷۱۰ درجه سانتی گراد است .
  3. هنگامی که تا یک دمای مناسب گرم شود می‌تواند به هر شکلی کوبیده یا کشیده شود .
  4. در تولید فولادهای آلیاژی کاربرد دارد .
  5. 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] :

  1. آنتیموان رنگ سفید براقی دارد . سخت است و کریستالیتی بالایی دارد . شکننده است و به راحتی پودر می‌شود .
  2. وزن مخصوص آن ۶/۳۶ و نقطه ذوب آن ۶۳۰ درجه سانتی گراد است .
  3. 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] :

  1. فلز سفید مایل به آبی است و توانایی پولیش بالایی دارد .
  2. دارای وزن مخصوص ۸/۶۷ و نقطه ذوب ۳۲۱ درجه سانتی گراد است .
  3. کمی سخت‌تر از قلع و نرم‌تر از روی است .
  4. 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/.” .