منیزیم و آلیاژهای پایه منیزیم (Magnesium & magnesium base alloys) سبکترین گروه در بین آلیاژهای ساختاری هستند که کاربردهای وسیعی در صنایع مختلف دارند .
منیزیم چیست؟
منیزیم یک فلز سفید-نقره ای است که بعنوان عنصر آلیاژی در سایر آلیاژهای غیرآهنی مانند آلومینیوم و آلیاژهای پایه آلومینیوم استفاده میشود .
انواع آلیاژهای منیزیم
منیزیم و آلیاژهای آن به دو گروه اصلی ریختگی (Castings) و کارپذیر (Wrought) تقسیم میشوند .
آلیاژهای ریختگی منیزیم
این آلیاژها با ریختن مذاب درون قالب و سپس جامد شدن آن تولید میشوند . این آلیاژها مقادیر مختلفی از آلومینیوم ، منگنز و روی را شامل میشوند . اخیرا برای بهبود خواص خزشی این آلیاژ از افزودنی های زیرکونیوم و فلزات نادر استفاده شده است . خواص مکانیکی این آلیاژها با اعمال عملیات حرارتی مناسب بهبود مییابد .
منیزیم و آلیاژهای پایه منیزیم کارپذیر
آلیاژهای کارپذیر منیزیم تحت کار مکانیکی (مانند نورد ، اکستروژن ، فورج) قرار میگیرند و به اشکال موردنظر تبدیل میشوند . مشابه آلیاژهای منیزیم ریختگی ، عناصر آلیاژی اصلی این مواد آلومینیوم ، روی و منگنز هستند .
آلیاژهای منیزیم کارپذیر به دو گروه ذیل تقسیم بندی میشوند :
۱-قابل عملیات حرارتی
۲-غیر قابل عملیات حرارتی
شناسایی و کدگذاری آلیاژهای منیزیم
در ادامه نام گذاری این آلیاژها بر اساس استاندارد ASTM مورد بررسی قرار گرفته است . برای درک بهتر مطلب یک مثال را دنبال میکنیم .
مثال : آلیاژ منیزیم AZ91E-T6 .
بخش اول یا AZ نشان دهنده دو عنصر اصلی آلومینیوم و روی است .
بخش دوم یا ۹۱ نشان دهنده درصد عناصر آلیاژی اصلی است (به ترتیب ۹ و ۱ درصد) .
بخش سوم یا E آلیاژهای دارای مقادیر یکسانی از عناصر آلیاژی اصلی را از هم متمایز میکند (پنجمین آلیاژ استاندارد با درصد فوق) .
بخش چهارم یا T6 شرایط ویژه منیزیم و آلیاژهای پایه منیزیم را نشان میدهد (عملیات حرارتی شده) .
جدول ۱ عناصر آلیاژی اصلی آلیاژهای منیزیم بهمراه کد شناسایی آنها را نشان میدهد .
جدول ۱ : عناصر آلیاژی اصلی آلیاژهای منیزیم بهمراه کدگذاری آنها .
اثر عناصر آلیاژی مختلف بر آلیاژهای منیزیم
- آلومینیوم : این عنصر استحکام ، سختی و انعطاف پذیری آلیاژ را بهبود میبخشد . علاوه بر این منجر به سهولت در فرآیند ریخته گری آلیاژ میشود .
- روی : استحکام در دمای اتاق ، سیالیت در ریخته گری و مقاومت به خوردگی آلیاژ را بهبود میبخشد .
- منگنز : این آلیاژ مقاومت آلیاژهای AZ و AM را در برابر خوردگی آب دریا افزایش میدهد ؛ بدین صورت که با فلزاتی مشابه آهن ترکیبات بین فلزی تشکیل میدهد و در طی ذوب آنها را از بین میبرد .
- فلزات خاکی کمیاب : استحکام و مقاومت به خزش و خوردگی آلیاژ را در دمای بالا افزایش میدهند و همچنین منجر به کاهش تخلخل ها و ترک در حین جوشکاری میشوند .
- زیرکونیوم : هنگامی که این عنصر به آلیاژهای حاوی روی و فلزات خاکی کمیاب افزوده شود ، اندازه دانه را بشدت کاهش میدهد .
- بریلیوم : اکسیداسیون سطح را در طی فرآیندهای ریخته گری و جوشکاری کاهش میدهد .
- کلسیم : فرآیند جوانه زنی را بهبود میبخشد و به کنترل متالورژی آلیاژ کمک میکند .
خواص منیزیم و آلیاژهای پایه منیزیم
خواص فلز منیزیم
- منیزیم انعطاف پذیر و سبک وزن است .
- بیشترین قابلیت ماشینکاری را در بین فلزات دارد .
- منیزیم مقاومت به خوردگی نسبتا خوبی دارد ؛ اما در برابر کلریدها ، سولفات ها و سایر مواد شیمیایی مقاومت قابل قبولی ندارد . آنودایزینگ یه راه حل برای بهبود مقاومت به خوردگی منیزیم است .
- ریخته گری فلز منیزیم به سهولت انجام میشود .
- منیزیم دارای نسبت استحکام به وزن بالایی است .
خواص آلیاژهای منیزیم
- وزن سبک .
- نسبت استحکام به وزن بالا .
- نسبت سختی به وزن بالا .
- قابلیت ریخته گری خوب .
- قابلیت ماشینکاری خوب .
- میرایی بالا .
- منیزیم و آلیاژهای پایه منیزیم خاصیت زیست سازگاری دارند .
شکل ۱ رابطه بین ضریب اریکسن Index Erichsen (IE) ، اندازه گیری انعطاف پذیری در یک ورق فلزی ، و استحکام تسلیم آلیاژهای مختلف منیزیم را در دمای اتاق نشان میدهد .
شکل ۱ : استحکام تسلیم بر حسب شکل پذیری کششی (با مقدار ضریب اریکسن) ورق هایی از آلیاژهای منیزیم مختلف را در دمای اتاق نشان میدهد . مقادیر بالاتر IE به معنی این است که آلیاژها شکل پذیری بهتری دارند .
بر طبق شکل با افزایش استحکام تسلیم آلیاژهای منیزیم ، ضریب اریکسن کاهش مییابد ؛ در نتیجه اثبات میشود که آلیاژهای منیزیم در دمای اتاق شکل پذیری ضعیفی دارند .
شکل ۲ ریزساختار آلیاژهای منیزیم AZ91D را نشان میدهد .
شکل ۲ : ریزساختار آلیاژ منیزیم AZ91D .
انواع عملیات حرارتی آلیاژهای پایه منیزیم
- F : Fabricated .
- O : Annealed .
- H10, H11 : Strain hardened .
- H23, H24, H26 : Strain hardened and annealed .
- T4 : Solution heat treated .
- T5 : Artificially aged .
- T6 : Solution heat treated and artificially aged .
- T8 : Solution heat treated, cold worked, and artificially aged .
خوردگی منیزیم و آلیاژهای پایه منیزیم (Corrosion of Magnesium and Magnesium-Base Alloys)
عوامل ایجاد خوردگی منیزیم
- اثرات محیطی (Environmental effects) .
- خوردگی عمومی در محلول های آبی (General corrosion in aqueous solutions) .
- خوردگی در محلول های حاوی یون های خاص (Corrosion in the solutions containing specific ions) .
- خوردگی ناشی از ترکیبات آلی (Corrosion caused by organic compounds) .
- خوردگی در هوا (Corrosion in the air) .
- اثرات متالورژیکی (Metallurgical effects) .
عوامل ایجاد خوردگی آلیاژهای منیزیم
- اثرات محیطی (Influences of environment) .
- خوردگی توسط اتمسفر و محلول ها (Corrosion by atmosphere and solutions) .
- خوردگی در برج های خنک کننده (Corrosion in coolants) .
- اثر فاکتورهای متالورژیکی (Metallurgical factors) در خوردگی منیزیم و آلیاژهای پایه منیزیم .
- عناصر ناخالصی (Impurity elements) . شامل آهن ، نیکل ، مس ، منگنز .
شکل ۳ اثر آهن را در میزان خوردگی منیزیم خالص را نشان میدهد .
شکل ۳ : اثر آهن روی نرخ خوردگی منیزیم خالص غوطه ور شده در NaCl 3% .
- عناصر آلیاژی مهم (Important alloying elements) . شامل آلومینیوم ، روی ، زیرکونیوم ، سیلیسیم ، افزودنی های خاکی کمیاب ،
- نقش فاز بتا (Role of β phase) .
- ریزساختار (Microstructure) .
اشکال خوردگی آلیاژهای منیزیم
- خوردگی گالوانیک (Galvanic corrosion) .
- ترک ناشی از خوردگی تنشی (Stress corrosion cracking (SCC)) .
- خستگی خوردگی (Corrosion fatigue) .
- خوردگی حفره ای (Pitting corrosion) .
- خوردگی رشته ای (Filiform corrosion) .
- اکسیداسیون در دمای بالا (Oxidation at elevated temperatures) .
کاربرد منیزیم و آلیاژهای پایه منیزیم
کاربرد منیزیم
بدلیل سبکی ، قابلیت ماشینکاری عالی و سهولت در ریخته گری از منیزیم در حوزه های خودرو ، ورزش ، هوافضا ، حمل و نقل ، پزشکی ، الکترونیک استفاده میشود .
کاربرد آلیاژهای منیزیم
کاربردهای ساختاری آلیاژهای منیزیم
نمونه هایی از این کاربردهای شامل خودرو ، هوافضا ، صنایع و تجارت است .
کاربرد آلیاژهای منیزیم در الکترونیک
بدلیل وزن سبک ، استحکام و انعطاف پذیری مطلوب در این حوزه کاربردهای زیادی دارند . مثال : تلفن های همراه ، رسانه های قابل حمل و غیره .
شکل ۴ تصویری از دوربین سامسونگ ساخته شده با آلیاژهای منیزیم را نشان میدهد .
شکل ۴ : دوربین ساخته شده از آلیاژهای منیزیم .
کاربرد آلیاژهای منیزیم در پزشکی
تجهیزات پزشکی قابل حمل ، صندلی های چرخ دار ، استنت های قلبی عروقی و ابزارهای ارتوپدی از موارد کاربرد آلیاژهای منیزیم در صنعت پزشکی است .
منیزیم و آلیاژهای پایه منیزیم (Magnesium and Magnesium alloys) گروهی از فلزات و آلیاژها هستند که نسبت استحکام به وزن بالایی دارند . از دیگر خواص مطلوب منیزیم و آلیاژهای آن میتوان به زیست سازگاری ، وزن کم ، نسبت سختی به وزن بالا ، قابلیت ریخته گری و ماشینکاری خوب اشاره کرد . مهمترین کاربردهای این آلیاژها در صنایع خودروسازی ، پزشکی ، الکترونیک و هوافضا است .
منابع
۱. https://www.efunda.com/materials/alloys/magnesium/magnesium.cfm
۲. https://matmatch.com/learn/material/magnesium-alloys
۳. https://www.efunda.com/materials/alloys/magnesium/temper.cfm
۴.https://www.intechopen.com/books/magnesium-alloys-properties-in-solid-and-liquid-states/corrosion-and-surface-treatment-of-magnesium-alloys
۵. https://en.wikipedia.org/wiki/Magnesium_alloy