علت ترک خوردگی در جوش ناهمسان دو فولاد Ck15 و AISI 321: مطالعه موردی

با درود فراوان

در پی سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی در خصوص علت ترک خوردگی در اتصال جوش بین دو فلز مختلف (یکی کربن استیل و دیگری استنلس استیل)، موارد زیر با توجه به داده های ورودی از طرف ایشان ایفاد می گردد.

ابتدا، ورودی مساله: اتصال سر به سر، فلز پایه استنلس استیل AISI 321 و کربن استیل  Ck15(Dissimilar Welding)

فرآیند جوش: GTAW یا TIG (آرگون خالص)، سیم جوش AISI 309؛ توضیح اینکه ترک خوردگی حتی با تغییر آمپراژ هم ادامه یافته است.

پاسخ به این سوال از چهار بخش تشکیل شده است: شناخت فلزات پایه (تحلیل شیمیایی)، مقایسه خواص فیزیکی و شیمیایی دو فلز پایه، انتخاب فلز پرکننده، و نتیجه گیری

قبل از شروع صحبت لازم بذکر می دانم که خواص فرآیند جوشکاری، اقتصاد جوش، و احتمال بروز عیوبی غیر از ترک گرم و بازگرمی در محل اتصال، و خواص طرح اتصال در این نوشتار مورد ارزیابی قرار نگرفته است.

الف) شناخت دو فلز پایه

فولاد Ck15 از جمله فولاد های معمولی سازه ای (کربن استیل) عملیات حرارتی پذیر، با سطح کیفی نجیب (بدلیل وجود حرف آلمانی k در کُد معرف آن) می باشد. لازم به توضیح است که حضور حرف k نشاندهنده وجود حداقل 0.035 درصد فسفر و گوگرد در ساختار شیمیایی این فولاد است. این فولاد، بدلیل کربن نسبتا اندکی که دارد، از جوش پذیری خوبی برخوردار است. حضور سیلیسیم باندازه حداکثر 0.35 در این فولاد نشاندهنده استحکام مناسب، در عین انعطاف پذیری لازم است. از طرفی، حضور منگنز باندازه 0.6 درصد در این فولاد نیز خبر خوبی است. چراکه این اندازه از منگنز بیانگر سختی پذیری، استحکام، چقرمگی، و عدم تمایل به ترک گرم است. جدول 1 را ببینید.

جدول 1: تحلیل شیمیایی فولاد Ck15

شکل 1: جایگاه فولاد Ck15 در دیاگرام شفلر

از سوی دیگر، فولاد استنلس AISI 321 را داریم که با توجه به میزان اندک کربنش (جدول 2 را ببینید) جزو کم کربن ها محسوب می شود. بنابراین، جوش پذیر بوده و از انعطاف پذیری لازم نیز برخوردار است. میزان منگنز حاضر در ترکیب شیمیایی AISI 321 نیز نوید بخش چقرمگی خوب، استحکام، و در عین حال، سختی پذیری مناسب است. در عین حال، این مقدار منگنز می تواند تا اندازه زیادی از بروز ترک گرم جلوگیری کند. کروم این فولاد حدود 19 درصد است که نشاندهنده مقاومت به خوردگی، در عین بهبود خواص مکانیکی است. البته، حضور نیکل باندازه 12 درصد می تواند به همراه کروم موجب بهبود مقاومت به خوردگی AISI 321 در دما های بالا (حدود 300 تا 800 درجه سلسیوس) گردد. در ساختار AISI 321 تیتانیوم را داریم که بیشتر با نیت جلوگیری از تشکیل کاربید های کروم به ترکیب آن اضافه شده است.

جدول 2: تحلیل شیمیایی فولاد AISI 321

شکل 2: جایگاه فولاد AISI 321 در دیاگرام شفلر

ب) مقایسه دو فلز پایه

از دیدگاه حساسیت به ترک گرم، محاسبات انجام شده توسط نویسنده این پست نشاندهنده آن است که حساسیت به ترک گرم در Ck15 بیش از 5 برابر AISI 321 است. اما، در ترک بازگرمی، اوضاع Ck15 بهتر است و در این مرحله آلیاژ AISI  321 است که تقریبا حساسیت 10 برابری نسبت به ترک بازگرمی در برابر Ck15 از خود نشان می دهد. این اعداد و ارقام وقتی بیشتر نگران کننده می شود که به نمودار مقایسه خواص فیزیکی این دو فولاد نگاهی بیاندازیم (شکل 3): بیشتر اختلاف این دو ماده پایه در ضریب متوسط انبساط حرارتی است و پس از آن، بیشترین اختلاف را ضریب هدایت گرمایی این دو فولاد به خود اختصاص می دهد. این در حالی است که دانسیته این دو فولاد یکی است که همین می تواند عاملی در جهت تمایل خط جوش به اعوجاج و بروز ترک گرم به حساب آید.

شکل 3: مقایسه ای از خواص فیزیکی دو فلز پایه

جدول 3: مقایسه تمایل به تشکیل ترک گرم و ترک بازگرمی در دو فلز پایه

جایگاه فولاد Ck15 با لوزی سبز رنگ و جایگاه AISI 321 با لوزی قرمز رنگ در دیاگرام شفلر مشخص شده است (شکل 3 را ببینید).

شکل 4: مقایسه ای از جایگاه دو فولاد Ck15 (لوزی سبز) و AISI 321 (لوزی قرمز) در دیاگرام شفلر

با توجه به اینکه گفته نشده بود که از چه میزان رقتی (Dilution) استفاده شده است، بنده از پیش فرض های تجربی استفاده کرده ام. بدین ترتیب که میزان رقت در فرآیند GTAW کاملا به مکانیزم انتقال فلز یا متال ترنسفر بستگی دارد که در حالت اتصال کوتاه یا

Short Circuit=10%

می باشد که مینیمم است (البته اگر بخواهیم از سیم جوش استفاده کنیم!) و در حالت متال اسپری یا

Metal Spray=50%

است. اما، چیزی که باید در اینجا مورد بحث قرار گیرد، تخمین ترکیب احتمالی عناصر در فلز جوش است. چیزی که در بخش بعدی بدان خواهیم پرداخت. اما، می توان نتایج محاسبه درصد وزنی عناصری که باید در فلز جوش حضور داشته باشند را در جدول 4 برای دو حالت از رقت ببینید. فقط توجه داشته باشید که میزان رقت بین دو فلز پایه یکسان نیست. دلیل آن را در بخش بعدی خواهیم فهمید.

در عین حال، تخمین دو عنصر سرنوشت ساز نیکل (Ni) و منگنز (Mn) در فلز جوش در قالب دو نمودار در شکل های 5 و 6 (به ترتیب) نشان داده شده است.

جدول 4: ترکیب شیمیایی فلز جوش در صورت استفاده از سیم جوش های مختلف در دو حالت از رقت (Dilution)

شکل 5: تخمینی از حضور عنصر نیکل (Ni) در فلز جوش در دو حالت از رقت

شکل 6: تخمین حضور عنصر منگنز (Mn) در ترکیب فلز جوش در دو حالت از رقت

ج) انتخاب سیم جوش

علاوه بر سیم جوش AISI 309، بنده سیم جوش های دیگری را نیز به فهرست انتخاب های ممکن افزوده ام که همگی آنها را می توان در جدول 4 مشاهده کرد. شرح ترکیب شیمیایی این سیم جوش ها در جدول 5 نشان داده شده است.

جدول 5: ترکیب شیمیایی سیم جوش های مورد نظر برای اتصال Ck15 و AISI 321

همانطور که می توانید در جدول 5 ببینید، پایینترین نسبت کروم معادل (Cr_E) به نیکل معادل (Ni_E) را در میان سیم جوش های استنلس آستنیتی، سیم جوش 309 دارد. از سوی دیگر، در میان سیم جوش های پایه نیکلی، نسبت کروم معادل به نیکل معادل در سیم جوش ERNiCr-6 پایینتر از همه سیم جوش هاست. نمودار شکل 7 را ببینید.

شکل 7: نسبت کروم معادله به نیکل معادل (Cr_E/Ni_E) در سیم جوش های مختلف

همانطور که می دانیم، نسب کروم معادل به نیکل معادل (Cr_E/Ni_E) شاخصی برای تعیین تمایل به تشکیل ساختار آستنیتی است. هرچه این شاخص کمتر باشد، ساختار فریتی مجال کمتری برای تشکیل یافته و لذا شانش بروز ترک گرم و بازگرمی نیز کمتر می شود.

با نگاهی به دیاگرام شفلر در شکل 8، می توان نتیجه گرفت که انتخاب اولیه در مورد فیلر متال درست بوده است. گرچه، امکان استفاده از فیلر متال نیکل پایه گرید 6 نیز کار را بهتر می کرد.

شکل 8: جایگاه سیم جوش های معرفی شده در جدول 5 در دیاگرام شفلر

بنابراین، باید علت ترک خوردگی را در دیاگرام شفلر و میزان رقت جستجو کرد. با مراجعه به دیاگرام تکمیل شده شفلر در بخش بعدی، علت بروز ترک را می توان حدس زد.

د) نتیجه گیری

براساس استاندارد های انجمن مهندسی جوش آلمان (DVS)، نوع اتصال ناهمسان (Dissimilar Joint) شما جزو کلاس یک محسوب می شود. بدین ترتیب، اگر میزان رقت برای Ck15 پایین نگه داشته شود، ترک گرم کمترین شانس را خواهد داشت. با نگاهی به دیاگرام شفلر، مشخص می شود که اگر میزان رقت Ck15 خیلی بالا رود، فلز جوش وارد فاز آستنیت+مارتنزیت شده و احتمال بروز ترک گرم در آن شدت خواهد یافت. میزان رقت 321 در اینجا خیلی مهم نیست. بنابراین، در اتصال سر به سر با یک پاس، انجام موارد زیر ضروری است: اگر رقت 10 درصد را انتخاب کرده اید، سهم Ck15 نباید از 2 درصد فراتر رود. در واقع، سهم بندی رقت 80 به 20 است.

اما، اگر رقت 50 درصدی را انتخاب کرده اید، سهم Ck15 باید به 10 درصد افزایش یابد که باز هم مقایسه کاملی در این خصوص در شکل 9 نمایان است.

شکل 9: دیاگرام شفلر برای اتصال دو فولاد ناهمسان Ck15 و AISI 321

امیدوارم پاسخ خود را گرفته باشید

نامگذاری آلیاژهای فولاد در استاندارد های اروپایی (آلمانی) و امریکایی به همراه مروری بر کتاب کلید فولاد

با درود فراوان به محضر تمامی مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی

آنچه که طی این مقاله آموزشی قصد بررسی آن را داریم، مقدمه ای است بر سیستم کد بندی آلیاژ های فولادی در استاندارد های ایالات متحده امریکا و جمهوری فدرال آلمان که در این میان، ناگزیر از مرور کتاب و نرم افزار کلید فولاد نیز خواهیم بود. بنابراین، محتوای این مقاله آموزشی، علاوه بر مرور روش های نامگذاری انواع آلیاژهای فولاد در استاندارد های امریکایی و آلمانی به آموزش نحوه کار با کتاب کلید فولاد نیز اختصاص دارد.

گفتنی است محتوای این مقاله قبلا طی وبیناری در سوپرگروه تلگرامی ایران مواد ارائه شده و نسخه pdf آن در لینک زیر جهت دانلود علاقمندان قرار داده شده است:

لینک دانلود نسخه pdf این مقاله

الف) مقدمه

در معرفی سیستم گرید بندی برای آلیاژ های فولادی، ابتدا، استاندارد های ایالات متحده بررسی شده و سپس سیستم آلمانی معرفی خواهد شد. مقایسه این دو سیستم را بر عهده مخاطبین محترم می گذارم. استاندارد هایی که در ارائه امشب مورد بررسی قرار خواهند گرفت، به ترتیب، عبارتند از SAE/AISI/ANSI/ASTM/ASME و در انتها، استاندارد های آلمان، موسوم به DIN به همراه معرفی سیستم شماره گذاری مواد معروف آن. در انتهای مطالب نیز گریزی می زنیم به کلید فولاد، ساختار آن، و نحوه استفاده از آن که گویا مورد نیاز بسیاری از مهندسین بوده است.

اما، قبل از هر چیز، مایلم به این سوال پاسخ بدهم که اصولا چرا کلید فولاد تهیه شده است و چرا یک مهندس طراح (فرقی نمی کند، متالورژ، مکانیک، یا عمران) باید با استاندارد های مختلف آشنا باشد و بتواند حدس بزند فلان کد یا شماره مواد مربوط به کدام کشور است؟ مگر آشنایی با یک سیستم استانداردی کفاف کار طراحی و انتخاب مواد را نمی دهد؟

شاید برای شما جالب باشد که در حال حاضر، بیش از 14000 نوع گرید فولادی به دنیای صنعت معرفی شده است و این تعداد روز به روز در حال افزایش است (و البته کاهش...چون برخی گرید های فولادی از لیست حذف شده و تولید آنها به هر دلیل متوقف می شود). بنابراین، دسترسی به مرجعی کامل و به روز از گرید های مختلف فولادی نیاز هر مهندس طراحی است. اما، استاندارد های مختلف، با توجه به دیدگاه های متفاوتی که دارند، سیستم های متفاوتی را برای تقسیم بندی فولاد ها ارائه داده اند. بعنوان مثال، معیار تقسیم بندی فولاد در استاندارد های SAE/AISI صرفا ترکیب شیمیایی است. این در حالی است که معیار تقسیم بندی فولاد در سیستم استانداردی ASTM/ANSI/ASME علاوه بر ترکیب شیمیایی، ساختار، روش ساخت، و حتی ضخامت را نیز شامل می شود. از سوی دیگر، تقسیم بندی فولاد ها در استاندارد کشور آلمان صرفا براساس کاربرد فولاد است.

در ادامه به معرفی این سیستم ها خواهیم پرداخت.

الف) سیستم تقسیم بندی فولاد امریکایی SAE/AISI

موسسه آهن و فولاد ایالات متحده یا AISI=American Iron & Steel Institute به همراه انجمن مهندسان خودروی ایالات متحده SAE=Society of Automotive Engineers در خلال سال های پایانی دهه 30 قرن بیستم (1930)، بصورت جداگانه پروژه ای را با هدف ابداع سیستمی بمنظور تقسیم بندی فولاد ها شروع کردند که پس از اصلاحیه های فراوان در اوایل دهه 50 قرن بیستم (1950) به تصویب رسید. این پروژه منجر به ابداع سیستم تقسیم بندی و شماره گذاری فولاد ها در استاندارد های تدوین شده توسط این دو موسسه شد. بعد ها این دو سیستم (که اتفاقا شباهت زیادی هم به یکدیگر داشتند!) در هم ادغام شده و سیستم شماره گذاری فولاد SAE/AISI متولد شد. در سال 1995، اما، موسسه آهن و فولاد ایالات متحده که تدوین استاندارد و مشخصه فنی برای فولاد ها را در رسالت خود نمی دید، ادامه توسعه این سیستم را به انجمن مهندسان خودروی ایالات متحده واگذاشت.

همانطور که بالاتر گفتیم، این سیستم فولاد ها را از منظر ساختار شیمیایی آنها تقسیم بندی می کند. طبقه بندی فولاد ها در این استاندارد عبارتست از:

- فولاد های ساده کربنی: فولاد هایی با درصد عناصر آلیاژی صفر که اصطلاحا به Plain Carbon Steels معروفند. مثال: انواع فولاد های ساختمانی و سازه ای

- فولاد های میکروآلیاژی: گرید هایی از فولاد که کوچکتر-مساوی یک درصد عناصر آلیاژساز در ساختار خود داشته باشند. مثال: لوله های انتقال نفت

- فولاد های کم آلیاژ: فولاد هایی با بزرگتر از یک و کوچکتر-مساوی 5 درصد عناصر آلیاژساز. مثال: شاسی های خودرویی

- فولاد های پرآلیاژ: فولاد هایی با بزرگتر از 5 و کوچکتر-مساوی 50 درصد عناصر آلیاژساز. مثال: فولاد های ابزار و زنگ نزن

با این دیدگاه، فولاد های ساده کربنی به زیر گروه های زیر تقسیم می شوند:

- کم کربن: فولاد هایی با کوچکتر-مساوی 0.1 درصد کربن. مثال: بدنه خودرو

- کربنی نرم: این فولاد ها به Mild Steel معروف بوده و بزرگتر از 0.1 و کوچکتر-مساوی 0.3 درصد کربن در ساختار خود دارند. مثال: ساختمانی ها

- کربن متوسط: فولاد هایی با بزرگتر از 0.3 و کوچکتر-مساوی 0.6 درصد کربن. مثال: انواع شفت، چرخدنده

- پرکربن: فولاد هایی با بزرگتر از 0.6 و کوچکتر-مساوی 1.7 درصد کربن. مثال: قالب سنبه و ماتریس، ابزار

اکنون که جزییات فوق را می دانیم، می توانیم ساختار تقسیم بندی فولاد در استاندارد های SAE/AISI  را معرفی کنیم. در این ساختار از یک کد چهار رقمی استفاده می شود که ممکن است برخی از حروف انگلیسی به ابتدا، وسط، یا انتهای آن اضافه شوند که هرکدام معنی و مفهوم خود را می دهند. رقم اول این کد نشاندهنده گروهی است که فولاد بدان تعلق دارد (براساس عنصر آلیاژساز اصلی یا اول). برخی منابع، از این کد تک رقمی تحت عنوان «گروه آلیاژی» نام برده اند که بنظر بنده درست است، اما موجب پیچیدگی می شود. اعداد زیر نشاندهنده گروه های فولادی در استاندارد فوق است

عدد 1 برای فولاد های کربنی (بدون آلیاژ یا ساده)، عدد 2 برای فولاد های نیکل دار (فولاد های آلیاژی که نیکل عنصر آلیاژساز اصلی محسوب می شود)، عدد 3 برای فولاد های نیکل-کروم، عدد 4 برای فولاد های مولیبدنی، عدد 5 برای فولاد های کروم دار، عدد 6 برای فولاد های کروم-وانادیوم، عدد 7 برای فولاد های تنگستنی، عدد 8 برای فولاد های نیکل-کروم-مولیبدن (دقیقا به همین ترتیبی که عنوان شد)، و درنهایت، عدد 9 برای فولاد های سیلیکون-منگنز دار

به همین ترتیب، عدد دوم نشاندهنده عنصر یا عناصر آلیاژساز دوم است و بدین ترتیب، دو رقم اول گروه آلیاژی فولاد را تشکیل می دهند. بر این اساس، با دانستن دو عدد اول کد، می توان به تایپ فولاد دسترسی پیدا کرد. به ترتیب زیر:

کد 10: فولاد های ساده کربنی با حداکثر یک درصد منگنز

کد 11: فولاد های ساده کربنی گوگرد دار، خوش تراش (برخی چرخدنده ها، پیچ و مهره های دنده تراشی)

کد 12: فولاد های ساده کربنی فسفر دار، خوش تراش، مقاوم به سایش

کد 13: فولاد های ساده کربنی، منگنز دار (در برخی منابع: فولاد های کربن-منگنز) با حداکثر 1.75 درصد منگنز (پیچ های پراستحکام)

برای گروه فولاد های نیکل دار، کد رقم دوم بصورت زیر نوشته می شود. این گروه آلیاژی بیشتر در دما های خیلی پایین کاربرد دارد:

کد 23: فولاد های آلیاژ شده با حداکثر 3.5 درصد نیکل

کد 25: فولاد های آلیاژ شده با حداکثر 5 درصد نیکل

برای گروه فولاد های نیکل-کروم دار، کد رقم دوم به صورت زیر است:

کد 31: فولاد های آلیاژ شده با حداکثر 1.25 درصد نیکل و 0.65 تا 0.8 درصد کروم

کد 32: فولاد های آلیاژ شده با حداکثر 1.25 درصد نیکل و 1.07 درصد کروم

کد 33: فولاد های آلیاژ شده با حداکثر 3.5 درصد نیکل و 1.5 تا 1.57 درصد کروم

کد 34: فولاد های آلیاژ شده با حداکثر 3 درصد نیکل و 0.77 درصد کروم

برای گروه فولاد های مولیبدن دار، کد رقم دوم به صورت زیر نوشته می شود:

کد 40: فولاد های آلیاژ شده با 0.2 تا 0.25 درصد مولیبدن و حداکثر 0.042 درصد گوگرد

کد 44: فولاد های آلیاژ شده با 0.4 تا 0.52 درصد مولیبدن

کد 41: فولاد های آلیاژ شده با 0.5 تا 0.95 درصد کروم و 1.12 تا 0.3 درصد مولیبدن (معروف به کرومولی، مقاوم به خزش، مناسب برای ساخت انواع شفت و زنجیر)

کد 43: فولاد های آلیاژ شده با حداکثر 1.82 درصد نیکل، 0.5 تا 0.8 درصد کروم، و حداکثر 0.25 درصد مولیبدن (بیشترین میزان چقرمگی، فولادی که شاسی جنگنده افسانه ای میگ-25 از آن ساخته شد)

در این میان، گاه، از حروف انگلیسی در وسط کد استفاده می شود (پس از دو رقم اول) که نشاندهنده اضافه شدن یک یا دو عنصر به ترکیب فولاد و ایجاد یک گرید جدید از همان خانواده است. مانند 43BV که بیانگر فولاد آلیاژ شده با حداکثر 1.82 درصد نیکل، حداکثر 0.5 درصد کروم، و 0.12 تا 0.35 درصد مولیبدن است که در ساختار آن عناصر وانادیوم و بورون نیز اضافه شده اند.

کد 46: فولاد های آلیاژ شده با 0.85 تا 1.82 درصد نیکل، و 0.2 تا 0.25 درصد مولیبدن

کد 47: فولاد های آلیاژ شده با حداکثر 1.05 درصد نیکل، حداکثر 0.5 درصد کروم، و 0.2 تا 0.35 درصد مولیبدن

کد 48: فولاد های آلیاژ شده با حداکثر 3.5 درصد نیکل و 0.25 درصد مولیبدن

برای گروه فولاد های کروم دار، کد رقم دوم به صورت زیر نوشته می شود:

کد 50: فولاد های آلیاژ شده با 0.27 تا 0.5 درصد کروم

کد 51: فولاد های آلیاژ شده با 0.8 تا 1.05 درصد کروم (مناسب برای انواع یاتاقان و برینگ)

کد 52: فولاد های آلیاژ شده با حداکثر 1.45 درصد کروم و حداقل 1 درصد کربن

در میان گروه آلیاژی 5 نیز گرید هایی پیدا می شوند که بنا به اهداف خاص، بورون به ساختار شیمیایی آنها اضافه می شود. این دسته از فولاد ها، حرف بی انگلیسی را پس از دو رقم اول در کد خود دارند.

برای گروه فولاد های کروم-وانادیوم، کد رقم دوم به صورت زیر نوشته می شود:

کد 61: فولاد های آلیاژ شده با 0.6 تا 0.95 درصد کروم و 0.1 تا 0.15 درصد وانادیوم (فولاد های ابزار)

برای گروه فولاد های تنگستنی، کد رقم دوم به صورت زیر نوشته می شود

کد 72: فولاد های آلیاژ شده با حداکثر 1.75 درصد تنگستن و حداکثر 0.75 درصد کروم

برای گروه فولاد های نیکل-کروم-مولیبدن، کد رقم دوم به صورت زیر نوشته می شود:

کد 81: فولاد های آلیاژ شده با حداکثر 0.3 درصد نیکل، حداکثر 0.3 درصد کروم، و 0.12 درصد مولیبدن

کد 86: فولاد های آلیاژ شده با حداکثر 0.55 درصد نیکل، 0.5 درصد کروم، و 0.2 درصد مولیبدن

کد 87: فولاد های آلیاژ شده با حداکثر 0.55 درصد نیکل، 0.5 درصد کروم، و 0.25 درصد مولیبدن

کد 88: فولاد های آلیاژ شده با حداکثر 0.55 درصد نیکل، 0.5 درصد کروم، و 0.35 درصد مولیبدن

برای گروه فولاد های سیلیکون-منگنز، کد رقم دوم به صورت زیر نوشته می شود:

کد 92: فولاد های آلیاژ شده با 1.4 تا 2 درصد سیلیسیم، 0.65 تا 0.85 درصد منگنز، و حداکثر 0.65 درصد کروم (فولاد فنر)

در این میان، اما، استثنائاتی نیز وجود دارد. از جمله اینکه انجمن مهندسی خودروی ایالات متحده سر کد 9 را به آلیاژ های خاص نیز اختصاص داده است. مثلا کد های دو رقمی 93، 94، 97، و 98 به گروه فولاد های آلیاژ شده با نیکل، کروم، و مولیبدن (عملا گروه آلیاژی 8) اختصاص داده شده اند.

گفتیم که در سیستم طبقه بندی SAE/AISI  از حروف انگلیسی نیز استفاده می شود. این حروف اگر در حالت چهار رقمی به وسط کد (پس از دو رقم اول نشاندهنده گروه آلیاژی) اضافه شوند، بیانگر اضافه شدن یک یا دو عنصر آلیاژساز به ترکیب فولاد هستند. مثلا حرف بی نشانه عنصر بورون، حرف وی نشانه وانادیوم، و حرف اِل نشانه سرب است. اگر به انتهای کد چهار رقمی، حرف اِچ اضافه شود، نشانه الزام تامین کننده فولاد به عملیات حرارتی بمنظور افزایش سختی است. چراکه برخی از عناصر آلیاژی با اضافه شدن به ترکیب فولاد، سختی آن را پایین می آورند. اگر حرف ایی به انتهای کد چهار رقمی اضافه شود، بیانگر تولید آن گرید توسط کوره الکتریکی است. در صورتیکه در ابتدای کد چهار رقمی از حرف اِم اضافه شود، نشانه الزام به تولید آن گرید با کیفیت تجاری است.

دو رقم انتهای کد نیز نشاندهنده کلاس حضور کربن (برحسب درصد آن تقسیم بر صد) می باشد. بعنوان مثال، فولاد 1060 در کلاس 0.6 درصد کربن قرار می گیرد.

این از فولاد های آلیاژی! اما، هنوز راجع به فولاد های زنگ نزن صحبتی نکرده ایم! فولاد های زنگ نزن در استاندارد  SAE/AISI براساس ساختار و ترکیب شیمیایی به 6 گروه تقسیم بندی شده اند. در این سیستم، از سه رقم برای معرفی نوع فولاد زنگ نزن استفاده می شود که رقم اول بیانگر گروه فولاد و ساختار آن، و دو رقم بعدی صرفا شماره هایی هستند که به مرور و بمنظور جداسازی گرید ها از یکدیگر به هر گرید اختصاص داده شده اند.

ج) تقسیم بندی فولاد های زنگ نزن در استاندارد انجمن مهندسان خودرو ایالات متحده

گروه 100: فولاد های زنگ نزن آستنیتی مناسب برای کار های تزیینی (مبلمان، تزیینات داخل ساختمان، تابلوسازی، و...)

گروه 200: فولاد های زنگ نزن آستنیتی کروم-نیکل-منگنز

گروه 300: فولاد های زنگ نزن آستنیتی کروم-نیکل

گروه 400: فولاد های زنگ نزن فریتی و مارتنزیتی کروم دار

گروه 500: فولاد های زنگ نزن کروم دار مقاومت به گرما

گروه 600: ابتدا برای گرید های خاص و خارج از لیست استاندارد پیشنهاد شدند. (گرید های 630 تا 635 شامل انواع رسوب سختی می شوند)

گروه 2000: فولاد های زنگ نزن داپلکس

در اینجا نیز، مانند فولاد های آلیاژی، از برخی حروف انگلیسی (بیشتر بصورت پسوند) بمنظور آدرس دهی به برخی از گرید های خاص استفاده می شود. مانند حرف L که به انتهای کد سه رقمی اضافه شده و به معنی کم کربن بودن آن گرید است. یا حروف Ti که به معنی حضور تیتانیوم در ترکیب شیمیایی آن گرید است. یا حرف N که به معنی افزایش نیتروژن در ترکیب شیمیایی است.

د) کد گذاری فولاد در سیستم ANSI/ASTM/ASME

یکی از معتبرترین استاندارد های دنیا، استاندارد  ASTM=American Society of Testing & Materials می باشد که قدمت آن به 1898 میلادی باز می گردد. طبیعی است که چنین سازمانی، با چنین قدمتی، روش مخصوص به خودش را در نامگذاری فولاد ها داشته باشد! البته، ذکر این نکته لازم است که موسسه ASTM رسالتی بسیار فراتر از SAE/AISI دارد و از این رو است که در اینجا شاهد دیدگاه بسیار بالاتری نسبت به گرید های فولادی خواهیم داشت. همانطور که قبلا گفتیم، استاندارد ASTM فولاد ها را براساس معیار هایی چون ترکیب شیمیایی، ساختار، و حتی روش ساخت (شکل محصول) طبقه بندی می کند. به شکل زیر توجه کنید.

شکل 1: ترکیب ساختار نامگذاری فولاد در استاندارد های تست امریکایی

همانطور که در شکل 1 مشخص شده است، گروه موضوعی استاندارد بسیار مهم است. از این رو، گروه های مختلف موضوعی در زیر آورده شده اند. این گروه ها عبارتند از:

A ferrous metals

B nonferrous metals

C cementations, ceramic, concrete, and masonry materials

D miscellaneous materials

E miscellaneous subjects

F materials for specific applications

G corrosion, deterioration, and degradation of materials

ES emergency standard

PS provisional standard

P proposal

بمنظور خلاصه سازی و جلوگیری از اطاله کلام، موضوع استاندارد های ASTM را با یک مثال می بندیم: فرض کنید گرید زیر را داریم A 516M-04 Grade 70 در کد فوق، حرف ای نشاندهنده فلز آهنی است (اما، تقسیم ریزتری به ما نمی دهد که مثلا چدن است یا فولاد آلیاژی). عدد 516 یک شماره ترتیبی است که به شماره استاندارد اشاره دارد. نه خواص آلیاژ! حرف اِم نشاندهنده آن است که استاندارد بر مبنای سیستم اندازه گیری متریک نوشته شده است. 04 نشاندهنده سال ویرایش استاندارد است (در این مورد: 2004). و در آخر، گرید 70 بیانگر آن است که حداقل استحکام کششی این گرید برابر 70 ksi است. استاندارد های انجمن مهندسان مکانیک ایالات متحده یا ASME=American Society of Mechanical Engineers دقیقا از همان روش استاندارد های ASTM  بهره می برد. با این تفاوت که در ابتدای کد، یک حرف اِس اضافه می شود. مثلا، کد متریال فوق در استاندارد ازمه برابر است با SA516M-04 Grade 70.

هـ) سیستم استاندارد DIN

استاندارد DIN یکی از معتبرترین و قدیمی ترین استاندارد های مهندسی در دنیا است که خاستگاه آن جمهوری فدرال آلمان است. DIN به معنی «موسسه تدوین استاندارد های آلمانی» است DIN=Deutsches Institüt fur Nörmung از آنجا که آلمان حتی قبل از ایالات متحده از سیستم حکومتی فدرال استفاده می کرد، طبیعی است که استاندارد های متفاوتی در آن وجود داشته و همگی معتبر باشند. اما، از 1942 به بعد، سازمان دین تصمیم گرفت که سیستم کد بندی واحدی را برای انواع فولاد (و سپس تعمیم به تمامی مواد فلزی) ابداع کرده و در سطح کشور جاری سازد تا مشکلات کمتری متوجه بخش های مهندسی و تضمین کیفیت صنایع جنگ افزار سازی آن کشور گردد. بدین ترتیب، دو سیستم بوجود آمد که از آنجا که پایه های منطقی دارد، هنوز هم قابل استفاده بوده و به روز رسانی آن نیز ممکن است: سیستم کد بندی فولاد و سیستم شماره گذاری مواد.

در ادامه به معرفی این دو سیستم به همراه معرفی کلید فولاد می پردازیم.

1- سیستم کد بندی فولاد در استاندارد های آلمانی

سیستم کد بندی فولاد ها، براساس دستور مستقیم وزارت جنگ آن موقع آلمان، باید تا حد امکان ساده و گویا می بود. بطوریکه با یک دوره آموزشی ساده، امکان حدس زدن ترکیب و خواص فولاد فراهم می شد. این سیستم در استاندارد زیر تعریف شده است DIN 17100: old system & EN 10025: new system در این سیستم، فولاد ها به دو کلاس تقسیم می شوند: - فولاد های ساختمانی (یا سازه ای، طبق برخی از منابع)؛ و

- فولاد های صنعتی

1-1 فولاد های ساختمانی

ساختار کد نشاندهنده فولاد های ساختمانی استاندارد آلمان در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2: ترکیب ساختار نامگذاری فولاد های ساختمانی در استاندارد های آلمان

1-2 فولاد های صنعتی

از نظر سازمان DIN، فولاد های صنعتی همگی عملیات حرارتی پذیر بوده و کد بندی آنها براساس ترکیب شیمیایی است. فولاد های صنعتی به سه دسته تقسیم می شوند: فولاد های ساده کربنی، کم آلیاژ، و پرآلیاژ

ساختار فولاد های صنعتی ساده کربنی در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3: ترکیب نامگذاری فولاد های صنعتی (کربنی ساده) در استاندارد های آلمان

فولاد های صنعتی کم آلیاژ بر حسب ترکیب شیمیایی نامگذاری می شوند. در این فولاد ها، صد برابر مقدار کربن بعنوان مشخصه ای برای معرفی فولاد در نظر گرفته می شود. اما، بمنظور اختصار، از درج حرف سی انگلیسی (نشانه کربن) صرفنظر می شود. اینکه چه عناصری در ترکیب فولاد حضور دارند با نشانه شیمیایی آنها و ضریبی که در شکل 4 نشان داده شده است، مشخص می گردد. مثلا، ضریب کروم 4 است. اعدادی که به عناصر آلیاژی متفاوتی اشاره کنند، با یک خط تیره جدا شده و به نزدیکترین عدد گرد می شوند. ترتیب عناصر براساس درصد بیشتر (نزولی) می باشد. شکل 4 را ببینید.

شکل 4: ترکیب نامگذاری فولاد های صنعتی (کم آلیاژ) در استاندارد های آلمان

در نامگذاری فولاد های صنعتی پرآلیاژ، از ضریب استفاده نمی شود. مشخصه این فولاد ها آن است که در ابتدای کد آنها از حرف ایکس استفاده می شود. کربن نیز بصورت مضربی از 100 در کد نشان داده شده، ولی درصد عناصر آلیاژساز بهمان صورت نوشته می شود. به شکل 5 دقت کنید.

شکل 5: ترکیب نامگذاری فولاد های صنعتی (پر آلیاژ) در استاندارد های آلمان

2-2 سیستم شماره گذاری فولاد در استاندارد های آلمانی

همانطور که قبلتر توضیح داده شد، این سیستم بعد از سیستم کد بندی فولاد های آلمانی و بیشتر بمنظور ساده سازی و به نوعی رمز گذاری نقشه ها و مدارک فنی و کنترل کیفیت محصول در زمان جنگ جهانی دوم ابداع شد. در این سیستم، از یک سر کُد استفاده می شود که ساختار آن در شکل 6 نشان داده شده است. چهار رقم پس از این سر کُد نیز دارای معانی خاص خود هستند که در شکل 6 موجود است. بین سر کُد و چهار رقم پیرو آن، از یک نقطه استفاده می شود.

شکل 6: ساختار عمومی سیستم شماره گذاری فولاد

در مورد فولاد ها، سیستم شماره گذاری DIN از سر کُد 1 و چهار رقم پیرو استفاده می کند که دو رقم اول بیانگر گروه آلیاژی است که فولاد مورد اشاره بدان تعلق دارد و دو رقم بعدی شماره های ترتیبی هستند. در مورد گروه آلیاژی فولاد ها، از دو رقم موجود، رقم اول مشمول حالت های زیر است:

عدد 0: فولاد کیفی ساده کربنی (میزان گوگرد و فسفر بزرگتر-مساوی 0.035 درصد)

عدد 1: فولاد نجیب ساده کربنی (میزان گوگرد و فسفر کوچکتر-مساوی 0.035 درصد)

عدد 2: فولاد های ابزار

عدد 3: فولاد های بلبرینگ

عدد 4: فولاد های زنگ نزن

عدد 5 تا 8: فولاد های آلیاژی

عدد 9: رزرو (فولاد های خاص)

رقم دوم گروه آلیاژی فولاد ها، مشمول موارد زیر است:

عدد 0: فولاد غیر آلیاژی

عدد 1: فولاد کربنی عمومی

عدد 2: مشخصه مصارف خاص

عدد 3: مشخصه مقاومت به حرارت

عدد 4: مشخصه مقاومت به خوردگی

عدد 5: مشخصه آلیاژسازی خاص در آن گروه

عدد 6: مشخصه مقاومت شیمیایی و حرارت

عدد 7: مشخصه آلیاژسازی خاص در آن گروه

عدد 8: مشخصه خواص فیزیکی ویژه

عدد 9: مشخصه خواص فیزیکی ویژه

این سیستم در استاندارد های اروپایی EN= Euronorm کمی اصلاح و تغییر داده شده است. مثلا دو رقم به انتهای کد اضافه شده است (شماره سریال) و رقم دوم گروه الیاژی نیز مشمول تغییر شده است.

برای اطلاعات بیشتر، مراجعه به جدول 1، استاندارد EN 27001-2 توصیه می شود.

در انتهای مطالب، قصد داریم مروری بر ساختار کلید فولاد داشته باشیم. کلید فولاد که در ابتدا بصورت یک کتاب قطور تهیه و ارائه شد، شامل 19 فصل است که در ادامه هر یک از این فصل ها را مرور کرده و سپس بعنوان پایان کار، نحوه استفاده از این کتاب را بررسی اجمالی می کنیم.

فصل 1: شامل فولاد های ساختمانی، سخت شونده سطحی، خوش تراش، و نیتروراسیون است. اطلاعات مندرج در فصل اول شامل خواص شیمیایی، خواص فیزیکی، سیکل های عملیات حرارتی، و کاربرد ها (براساس استاندارد) است

فصل 2: شامل فولاد های عملیات حرارتی پذیر، فولاد های بلبرینگ و رولربرینگ (بطور کلی: فولاد های ناقل بار) است

فصل 3: شامل فولاد های فنر، فولاد های سخت شونده سطحی، و فولاد های اکستروژن است

فصل 4: فولاد های مناسب برای کار در دمای زیر صفر، فولاد های مخصول مخازن تحت فشار، و فولاد های ساختمانی پراستحکام

فصل 5: فولاد های میکروآلیاژی، ریزدانه مناسب برای ماشین سازی (شامل گرید های مقاوم به خوردگی اتمسفریک)

توضیح اینکه فولاد های ریز دانه در استاندارد های آلمان با حروف STE مشخص می گردند که استحکام تسلیم آنها برحسب مگاپاسکال در جلوی آنها نوشته می شود. اگر حرف دابلیو انگلیسی قبل از کد حرفی بیاید، نشانه کاربرد دما بالا، و اگر پیشوند بصورت حرف تی بیاید به معنای کاربرد در دمای پایین است.

فصل 6: شامل استاندارد های مختلف دنیا و مقایسه آنها با استاندارد های آلمانی (بیشتر در زمینه فولاد های ساختمانی و ماشین سازی) است. استاندارد های امریکایی در انتهای فصل می آیند، چون تعدادشان زیاد است

فصل های 7، 8، و 9 معمولا به رنگ سبز هستند و به فولاد هایی اختصاص دارند که کربن بالایی داشته و مقاوم به سایش هستند

فصل 7: فولاد های ابزار کربنی، فولاد های تندبر

فصل 8: فولاد های ابزاری سرد کار (سنبه و ماتریس)

فصل 9: فولاد های ابزاری گرم کار

فصل 10 اختصاص به تطبیق استاندارد های کشور های دیگر با استاندارد های آلمان در مورد فولاد های ابزار و مقاوم به سایش دارد

فصل 11: فولاد های ولو، فولاد های آلیاژی مقاوم به حرارت

فصل 12: فولاد های غیرمغناطیسی (نگیر)، فولاد های نسوز

فصل 13: فولاد های زنگ نزن

فصل 14: فولاد های زنگ نزن ریختگی

فصل 15: فیلر متال های مخصوص جوشکاری فولاد های پرآلیاژ

فصل 16: تطبیق استاندارد های کشور های خارجی با استاندارد های آلمان در خصوص فولاد های زنگ نزن و نسوز

فصل 17: لیست تولید کنندگان آلمانی فولاد ها، به همراه شماره استاندارد های آلمانی

فصل 18: اسامی تولید کنندگان، شکل و شرایط محصول، لیست نامگذاری ها

فصل 19: خلاصه ای از شماره و کد تولید کنندگان خارجی، به همراه برخی جداول کمکی

تمامی فولاد ها در فصل های 17 تا 19 آمده است. اگر در فصل 17، بجای درصد عناصر از خط تیره استفاده شود، یعنی درصد آن عنصر مهم نیست. اگر فولادی که در فصل 17 آمده ولی در متن کلید فولاد نیامده، لازم است که شماره استاندارد DIN آن فولاد را یادداشت کرده و باقی اطلاعات را از استاندارد مربوطه استخراج کنیم.

چند نکته برای استفاده از کلید فولاد:

مورد اول: اگر شماره فولاد در اختیار باشد، به فصل 17 مراجعه کرده و فصل مربوطه در متن کلید فولاد، شماره استاندارد، و...را بدست می آوریم. در ادامه می توان به فصل 18 یا 6 یا 10 یا 16 مراجعه کرد و معادل آن را بدست آورد.

مورد دوم: اگر بخواهیم بدانیم که یک شماره فولاد توسط چه تولید کننده ای تولید شده، و آن تولید کننده فولاد مزبور را با چه نام تجاری عرضه می کند، باید به انتهای فصل های 1، 2، 3، 4، 5، 7، 8، 9، 11، 12، 13، 14، و 15 مراجعه کرد.

مورد سوم: اگر کد فولادی در اختیار باشد که غیر آلمانی است، باید به فصل 19 مراجعه کرد.

نامگذاری آلیاژهای آلومینیوم در استاندارد های اروپایی (آلمانی) و امریکایی

با درود فراوان به محضر تمامی مخاطبین محترم وبلاگ دانش روغنکاری

آنچه که در این پست قصد بررسی آن را داریم، مقدمه ای است بر سیستم کد بندی آلیاژ های آلومینیوم در استاندارد های ایالات متحده امریکا و جمهوری فدرال آلمان

گفتنی است محتوای این پست قبلا در قالب وبیناری با همین عنوان در سوپر گروه تلگرامی ایران مواد عرضه شده بود که طالبین در صورت تمایل می توانند فایل pdf همین پست را از طریق لینک زیر دریافت نمایند:

دانلود نسخه pdf این مقاله

در معرفی سیستم گرید بندی برای آلیاژ های آلومینیوم، ابتدا، به معرفی این فلز (آلومینیوم) و تاریخچه مختصری از پیدایش و منابع تولید آن خواهیم پرداخت. سپس، استاندارد های ایالات متحده بررسی شده و بعد از آن سیستم آلمانی (شامل کدگذاری آلیاژ ها و سیستم شماره گذاری DIN) معرفی خواهد شد. استاندارد هایی که در ارائه امشب مورد بررسی قرار خواهند گرفت، به ترتیب، عبارتند از

AA=Aluminum Association

و در انتها، استاندارد های آلمان، موسوم به

DIN=Deutsches Institüt fur Nörmung

به همراه معرفی سیستم شماره گذاری مواد معروف آن.

الف) مقدمه و ملاحظات کلی

بوکسیت مهمترین منبع برای استخراج آلومینیوم به شمار می رود و مقدار آن در طبیعت چیزی حدود 140 میلیارد تن تخمین زده می شود. بوکسیت سرشار از آلومینا Al₂O₃  است که میزان آلومینیوم موجود در آن بین 52 تا 65 درصد در نوسان است. رگه های بوکسیت در فرانسه، مجارستان، رومانی، یوگوسلاوی سابق، یونان، هند، گویان، ایالات متحده امریکا، برزیل و روسیه کشف شده است. البته آلومینیوم در خاک رس و کائولن (خاک چینی) هم موجود است. اما بدلیل عدم توجیه اقتصادی، قابل استحصال نیست. چراکه بیشتر این مواد از  SiO₂ تشکیل شده و سهم آلومینیوم از ساختار آنها تنها 1 تا 8 درصد است. حدود 8 درصد از پوسته کره زمین از آلومینیوم تشکیل شده است و به همین دلیل، پس از سیلیس و قبل از آهن، آلومینیوم در میان فلزات دومین جایگاه فراوانی در منابع زمین را داراست. میزان ذخایر رسمی و کشف شده آلومینیوم در سراسر جهان به 30 میلیارد تن می رسد. به علت میل ترکیبی زیاد با اکسیژن، آلومینیوم از خواص ضد خوردگی خوبی برخوردار است و معمولا روی سطح آلومینیوم پایه را لایه ای نازک از آلومینا پوشانده است که از نظر الکتریکی رسانا محسوب نمی شود. در هوای مرطوب، این لایه نازک با لایه اکسیده دیگری پوشیده می شود. این لایه اکسیده به سختی به سطح آلومینیوم پایه چسبیده و در صورت بروز هرگونه صدمه مکانیکی به آن (اعم از شکاف، خراش، بریدگی و...) خود را ترمیم می کند. این پدیده را اثر خود درمانی می نامند. بدین ترتیب، فرآیند اکسیداسیون آلومینیوم، حتی در محیط های خورنده، بصورت طبیعی به تاخیر افتاده و عملا متوقف می گردد.

با توجه به تنوع منابع تامین، آلومینیوم موجود در بازار به دو سطح کیفی آلومینیوم دست اول و آلومینیوم دست دوم تقسیم بندی می شود. آلومینیوم دست دوم از بازیافت نخاله های صنعتی و آلومینیوم دست اول از روش هال و هِرو  و با استفاده از راهکار بایر  در بکارگیری الکترولیز خشک استحصال می شود. در این راهکار، بوکسیت اتصال زمین بوده و در اتوکلاو و در دمای 170 درجه سلسیوس در سود سوزآور  حل می شود. با انجام عمل تلقیح  حین فرآیند سرد کردن نمونه در آب یا روغن (کوئنچ)، Al(H3) ته نشین شده و با حرارت دهی در کوره خشک کن، با تولید آب بعنوان محصول فرعی فرآیند، به آلومینا  تبدیل می شود. در روش الکترولیز خشک، اکسید آلومینیوم در یک پیل الکترولیز، در بازه دمایی 950 تا 980 درجه سلسیوس، و با استفاده از کریولیت  تجزیه می شود. در این پیل، از واکنش اکسیژن با کربن آنود گاز های CO2  و CO تشکیل می شوند. آلومینیوم، با توجه به دانسیته بالاتر، در زیر حجم مذاب کاتودی قرار گرفته و از آنجا در فواصل زمانی منظم استخراج می گردد. با این روش، برای تولید هر تن آلومینیوم، به حدود دو تن اکسید آلومینیوم استحصال شده از چهار تن بوکسیت، نیم تن کربن آنودی، 50 کیلوگرم کریولیت، و صرف 18 مگاوات-ساعت انرژی نیاز است. حال آنکه فرآوری آلومینیوم دست دوم تنها به 5 درصد انرژی مورد نیاز برای تهیه آلومینیوم دست اول نیازمند است. خلوص آلومینیوم دست اولی که به روش فوق استحصال می شود 99.7 تا 99.9 درصد است که پس از استخراج به کارگاه ریخته گری ارسال می شود تا در آنجا پالایش و تصفیه شده و عناصر آلیاژساز به مذاب آن افزوده شوند. در فرآیند پالایش، آلومینیوم مذاب تحت گاززدایی قرار می گیرد؛ بدین ترتیب که با توزیع حباب های آرگون در مذاب (با استفاده از روشی بنام SNIF) و یا با استفاده از کلرین، بعنوان کاهش دهنده تخلخل در ساختار مذاب داخل قالب با توجه به طبیعت قلیایی و زمینی بودن آن، حباب های هیدروژن محبوس در مذاب آلومینیوم از پاتیل خارج می شود. پس از صاف کردن مذاب، با عبور دادن آن از آجر های متخلخل، آلومینیوم با استفاده از روش قالب گیری مداوم ریخته شده و به شکل شمش هایی با طول 9، عرض 2.2 و ارتفاع 0.6 متر در می آید.

ب) آلیاژ های آلومینیوم

در مقایسه با آلومینیوم خالص، تمامی آلیاژ های آلومینیوم از استحکام کششی، تنش تسلیم و سختی بالاتری برخوردارند. چراکه عناصر آلیاژساز تاثیرات شگرفی بر خواص فیزیکی مواد، اعم از ضریب انبساط حرارتی، رسانایی الکتریکی، پایداری فیزیکی و قابلیت شکل دهی، خواهند داشت.

طی اعمال مکانیکی و حرارتی مراحل پس از تولید اولیه است که بین آلیاژ های نرم و غیر ریختنی و آلیاژ های مناسب برای ریخته گری یا بین آلیاژ های عمل آورده و آلیاژ های نامقاوم در برابر خوردگی فرق ایجاد می شود. بعنوان مثال، با افزودن مس و منگنز به آلومینیوم، محلول های جامدی تشکیل می شوند که موجب بروز کشیدگی هایی در شبکه بلورین آلومینیوم شده و در نتیجه جلوی لغزش صفحات فلزی روی یکدیگر گرفته می شود.

از رایجترین عناصر آلیاژساز در ترکیب با آلومینیوم خالص (99.9 درصد) می توان به مس، سیلیسیم، منیزیم، روی و منگنز اشاره کرد. آلیاژ هایی که در ساخت پانل های خارجی خودرو مورد استفاده قرار می گیرند، بدلیل الزاماتی چون قابلیت حفظ کیفیت سطح و کیفیت مشخصات ظاهری پس از فرآیند کشش عمیق، از تقاضای بالایی برخوردارند. در این زمینه، به آلیاژ هایی نیاز است که سطح آنها عاری از الگو های شعله ای شکل (که از گسترش کرنش های سطحی یا خطوط لودرز  کلاس ای ناشی می شوند) یا نوار های نازک (که از گسترش کرنش های سطحی یا خطوط لودرز کلاس بی نشات می گیرند) باشند. از این نظر، آلیاژ های سخت شونده  AlMgSi پاسخی دقیق به نیاز فوق به شمار می روند. در اروپا، براساس تصویب نامه موسسه آلومینیوم اروپا و استاندارد DIN EN 573-1:2005 آلیاژ کلاس AA6016 بهترین انتخاب است، حال آنکه در امریکای شمالی، بازار در اختیار آلیاژ های پر استحکامی چون AA6111 & AA6022 است.

از دیر باز، آلومینیوم بعنوان انتخابی کلاسیک در ساخت سازه های سبک مطرح بوده است. دانسیته آلومینیوم تنها یک سوم دانسیته فولاد است. همین داستان در مورد مدول الاستیسیته آن نیز صدق می کند، مقداری که تنها به 70 گیگاپاسکال محدود می شود. از دیگر محسنات آلومینیوم می توان به موارد زیر اشاره کرد:

- بازه وسیع استحکامی؛

- ویسکوزیته بالا؛

- قابلیت شکل دهی و ریخته گری مناسب؛

- جوش پذیری خوب (البته برای جلوگیری از اکسیداسیون در سطح پانل های آلومینیومی، نقاط جوش باید با استفاده از روش های پوشش دهی سازگار با طبیعت فیزیکی منطقه هز پوشش داده شوند)؛ و

- مقاومت عالی در برابر خوردگی

با استفاده از آلومینیوم، امکان اجرای طراحی های مهندسی با قابلیت های دینامیکی بیشتر در عین ظرفیت حمل بالاتر نسبت به طرح های معمول و متعارف فراهم خواهد شد.

آلومینیوم در اوایل قرن نوزدهم کشف شد، ولی پیدا کردن راهکاری برای تولید انبوه آن تا 1824 طول کشید. استفاده از آلومینیوم در صنعت خودرو، با هدف کاهش وزن، قدمتی به درازای خود این صنعت دارد. در سال 1899، طی نمایشگاه بین المللی دستاورد های صنعت خودرو در برلین، قطعات کوچکی از خودرو به نمایش گذاشته شده بود که بدنه ای از آلومینیوم داشتند. با این حال، استفاده گسترده از این ماده توسط خودروسازان به شکل ورق (شیت یا رول)، و قطعات ریخته شده تا قبل از قرن بیستم عملی نشد.

می توان اولین نشانه های استفاده از این فلز در خودروسازی را در مدل های 1908 بوگاتی مشاهده کرد. استفاده از قطعات آلومینیومی در این سری از محصولات بوگاتی که با هدف کاهش وزن خودرو های تولیدی این کمپانی انجام شد، بیشتر شامل پانل های از پیش شکل داده شده آلومینیومی بود که به روش ریخته گری در قالب ماسه ای تولید شده و با طرح اتصال سر به سر به یکدیگر جوش  OFW= Oxy-Fuel gas Welding داده شده بودند. پولیش نهایی بدنه حاصله نیز با دست انجام می شد.

اما در سال 1912 بود که پیِرس اَروز  اقدام به ساخت قطعات بزرگی از بدنه خودرو، مانند درب ها، پانل پشت، و سقف، از آلومینیوم ریخته شده در قالب ماسه ای و سپس اتصال آنها با جوش OFW نمود که نظر های زیادی را به خود جلب کرد. تکنیکی که تا سال 1918 ادامه یافت. پانل های بدنه ای که بدین ترتیب بدست می آمدند 3 تا 6.5 میلیمتر ضخامت داشته و از خواص بارز آنها در آن زمان می توان به صیقلی بودن سطح، استحکام مطلوب، و قابلیت مونتاژ سریع و آسان آنها اشاره کرد. ولی با این وجود، با افزایش قدرت موتور ها، معرفی مفهوم تولید انبوه، و تجارب کسب شده و پیشرفت های بوجود آمده در زمینه افزایش ایمنی فرآیند های بکارگیری مواد فولادی، از اهمیت و نقش آلومینیوم در صنعت خودرو کاسته شد. اما هنوز بودند بخش هایی از این صنعت که عرصه ای برای تاخت و تاز برای آلومینیوم داشته باشند، بخصوص خودروسازان اروپایی که علاقه ویژه ای به آلومینیوم داشتند و در سایه همین ارادت بود که محصولات خاصی در میانه دهه های 20 و 30 میلادی پا به جاده های اروپا باز کردند و از آن میان می توان به خودرو های لیموزین، اسپرت، و گران قیمتی نظیر «پیکان نقره ای» ساخت مرسدس بنز و 8C2300 ساخت آلفارومئو اشاره کرد.

البته علت ماندن آلومینیوم در سبد مواد اولیه چنین خودروسازانی چیزی نبود جز شکل پذیری بهتر آن نسبت به فولاد و ارزان تمام شدن فرآیند ساخت قطعات بدنه و شاسی. آلیاژ هایی که در آن دوران بیش از بقیه مشتری داشتند را می توان سری های

A1100 & AA3003

 دانست. چراکه بیش از سایر همتایان خود در برابر خوردگی مقاومت نشان می دادند. پس از جنگ جهانی دوم و طی دهه های 50 و 60 قرن بیستم بود که بدلیل افزایش سطح الزامات زیست محیطی آلومینیوم دوباره جایگاه خود را در صنعت خودرو بازیافت. درب موتور، پوسته سقف و مجموعه درب های عقب قطعاتی از بدنه خودرو ها بودند که از آلومینیوم ساخته شدند و آلومینیوم به ماده اصلی تشکیل دهنده خودرو هایی چون لندروور و آئودی تبدیل شد. در زمینه خودرو های اسپرت و مسابقه ای، نیمه دوم قرن بیستم دوران طلایی این صنعت محسوب می شود، دورانی که کمپانی هایی نظیر فِرّاری، آستون مارتین، کُبرا، و پورشه افسانه ای ترین محصولات خود را راهی میادین مسابقات اتوموبیلرانی نمودند. اما، بنا به عقیده قاطبه کارشناسان صنعت خودرو، استفاده از آلومینیوم ریخته گری شده بمنظور ساخت سپر های بکار رفته در مدل های 501، 502، و 503 کمپانی بی ام و، در کنار چهارچوب درب ساخته شده از آلومینیوم ریخته گری شده در مرسدس بنز مدل اس ال 300 رودستِر (SL300 Roadster) در اوایل دهه 50 را می توان نقطه شروعی دوباره برای استفاده گسترده از آلومینیوم در خودروسازی دانست. علاوه بر این، توسعه شاسی توخالی آئودی نقطه شروعی برای بدنه های آلومینیومی محسوب می شود. در زمینه ساخت بدنه های آلومینیومی، بخصوص در طرز کار با ورق های آلومینیوم، تجربیات صنعتی بسیاری اندوخته شد که نتیجه آن چیزی نبود جز جایگزینی ورق های فولادی با انواع آلومینیومی سبکتر. در این زمان، دو روند برای جایگزین سازی فولاد با آلومینیوم تعریف شد: جایگزین سازی موضعی (شامل جایگزینی بخشی از سازه خودرو با آلومینیوم بمنظور دستیابی به مزایای سبکی وزن و استحکام بالاتر در بدنه خودرو) و جایگزین سازی کلی (شامل انجام تمامی مراحل طراحی  ساخت بدنه براساس آلومینیوم).

در روش جایگزین سازی موضعی، در کنار مزایای ریز و درشت استفاده از آلومینیوم، صرفه جویی در وزن شاسی نقش اساسی را بازی می کند؛ از جمله، فرمان پذیری بهتر و مرکز ثقل پایینتر پوسته های آلومینیومی سقف، توزیع وزن بهتر در درب موتور های آلومینیومی، و در عین حال مکانیزم باز و بسته شدن روانتر و مقاومت بیشتر در برابر خوردگی در مجموعه های درب آلومینیومی. با تغییر در مواد تشکیل دهنده قطعات الحاقی به بدنه خودرو، امکان بهره مندی از مزایای این تغییر در سطح قطعات زیر مجموعه، بدون نیاز به اعمال تغییر در طراحی عمومی، فراهم می شود. در اینجا، قطعات فولادی که ماده تشکیل دهنده آنها به آلومینیوم تغییر می کند، اغلب در یکپارچه سازی با مجموعه های فولادی مادر دچار مشکلاتی در مونتاژ خواهند شد. از لحاظ تاریخی، طی 40 سال اول استفاده از آلومینیوم بعنوان یکی از مواد اولیه حاضر و در دسترس برای خودروسازان، روش های مونتاژ چندان متنوع نبوده و بیشتر شامل OFW  می شدند. پس از این دوره و در سال های طلایی دهه 60 قرن بیستم به بعد بود که روش های بهتری چون اتصالات چسبی، یا روش های مختلف جوشکاری، اعم از جوشکاری ذوبی تحت گاز محافظ، جوشکاری مقاومتی نقطه ای  و... به صنعت خودرو معرفی شدند. البته، ناگفته نماند که جوشکاری ذوبی تحت پوشش گاز هلیم-آرگون در سال 1942 و در کالیفرنیا اختراع شده بود. اما، در آن برهه زمانی، اضطرار جنگ موجب سایه اندازی صنایع هوایی بر مصرف آلومینیوم در ساخت سازه های مهندسی شده بود. بنابراین، صنعت خودرو برای استفاده از آلومینیوم مجبور بود تا پایان جنگ صبر کند!

در دهه 50، با ظهور فناوری هواپیما های فراصوتی ، نیاز تکنولوژیک جدیدی در زمینه اتصال سازه های آلومینیومی مطرح شد و راه حل آن چیزی نبود جز GTAW بارزترین ویژگی این روش اتصالی آن بود که هم می شد آن را در هواپیماسازی بکار گرفت و هم در خودروسازی و همین خصیصه بود که در سال های بعد پای روش های جوشکاری و برشکاری را به صنعت خودرو باز کرد که قبلا در صنایع هوایی امتحان خود را پس داده بودند و از نمونه های آن می توان به GMAW، پلاسما، لیزر، و... اشاره کرد. اما، علی رغم میل شدید اروپایی ها به استفاده از آلومینیوم در خودروسازی، صنعت خودروی ایالات متحده تا اوایل دهه 60 قرن بیستم هنوز تمایلی به استفاده از آلومینیوم در محصولات خود نشان نمی داد. تا این زمان، تکنیک های رایج در شکل دهی و اتصال بیشتر بر پایه فولاد بودند. بطوریکه می شد کارگران فلزکار بسیاری را پیدا کرد که علاوه بر مهارت کار با پانل های آلومینیومی، کار با فولاد را نیز بلد بودند. بنابراین، تا دهه 60 میلادی، استفاده از آلومینیوم در ساخت سازه های مهندسی در امریکا بیشتر به صنایع هوایی و برخی از خودرو های مسابقه ای محدود می شد.

اما امروزه، آلومینیوم، با توجه به ظرفیت بسیار بالاتر در جذب انرژی نسبت به فولاد، به انتخابی بی بدیل در عرصه طراحی مدیریت خسارات ناشی از تصادفات رانندگی، اعم از سپر ها یا کل ماجول های جلو بندی شاسی، برای مهندسین خودرو، چه در اروپا و چه در امریکا، تبدیل شده است. در سال 2009، علی رغم کاهش تولید جهانی خودرو، تقریبا تمامی خودروسازان مطرح دنیا، نسبت به سه سال قبل از آن، از آلومینیوم و آلیاژ های آن در ساخت محصولات خود بیشتر استفاده کرده اند

امروزه در اروپا، ضخامت پانل های آلومینیومی خارجی بدنه به تقریبا 1 میلیمتر می رسد، حال آنکه در ایالات متحده، بدلیل استفاده از آلیاژ مستحکم تری چون AA6111، میزان ضخامت ورق های آلومینیومی مصرفی از 0.7 تا 0.8 میلیمتر تجاوز نخواهد کرد. از ویژگی های بارز چنین پانل هایی می توان به برخورداری از چقرمگی لازم در برابر کمانش، مقاومت در برابر ضربه ناشی از برخورد سنگریزه، تگرگ و نظایر آن اشاره کرد. از جمله عوامل تاثیرگذار بر مقاومت چنین پانل هایی در برابر کمانش عبارتند از شکل هندسی قطعه، تنش تسلیم، و ضخامت ورق مصرفی. مقاومت پانل های آلومینیومی در برابر تغییر شکل های الاستیک ناشی از ضربات وارده به سطح آنها نیز ناشی از چقرمگی آنها است که خود تابعی از شکل هندسی، مدول الاستیسیته، و ضخامت ورق است. بمنظور بهره مندی کامل از مزیت بارز آلومینیوم در سبکی وزن در مقایسه با فولاد، بدلیل افزایش ضخامت در پانل های آلومینیومی نسبت به انواع فولادی، طراحان همیشه بدنبال راه هایی هستند که، بعنوان مثال، اجازه عمق های بیشتری در کشش را بدهد و لذا، بتوان قطعات یک تکه ای را تولید کرد که از ضخامت کمتری برخوردار باشند.

البته، استفاده از آلومینیوم تنها به خودرو های سواری محدود نمی شود. روند رشد استفاده از آلومینیوم و آلیاژ های آن در ساخت خودرو های تجاری را می توان به عینه در رونمایی از پروژه «اتوبوس آسیایی» که توسط چینی ها و برای تامین نیاز های بازار حمل و نقل داخل شهری کشور های عضو قاره کهن مشاهده کرد. این پروژه که با همکاری یکی از بزرگترین OEM های جهان به مرحله اجرا درآمده است، شامل ساخت و تامین پانل ها و قطعات فورج شده برای بدنه، رینگ و طوقه چرخ ها، و حتی اتصالات مکانیکی معمول در شاسی های تجاری می شود که همه آلومینیومی هستند. بدین ترتیب، اتوبوسی تولید شد که بدنه آن 46 درصد سبکتر از نمونه فولادی و وزن کل آن 12 درصد کمتر  بوده و علی رغم این سبکی و صرفه جویی در وزن، اثری از مشکلات ایمنی سفر با این اتوبوس در تست 12000 کیلومتری جاده در آن دیده نشد. این کاهش وزن، موجب کاهش 6 درصدی مصرف سوخت این کلاس از اتوبوس شد که مفهوم آن را می توان با صرفه جویی 5000 گالن گازوییل و جلوگیری از انتشار 50 تن دی اکسید کربن در طول عمر مفید این وسیله نقلیه در اتمسفر زمین بیان کرد. علاوه بر این تاثیرات مستقیم، کاهش وزن این اتوبوس می تواند مزایای غیر مستقیم دیگری نیز داشته باشد که از آن جمله می توان به کاهش فرسایش سطح جاده، فرسودگی دیرهنگام تایر ها، کاهش نیاز به تعمیر و نگهداری بدنه، شاسی، ترمز ها، و سیستم تعلیق (و مسلما هزینه های ناشی از آن) اشاره کرد. با این اوصاف، می توان این انتظار را داشت که هزینه های سرمایه ای این پروژه طی 2 تا 3 سال پس از راه اندازی آن برگشت داده خواهد شد.

در زمان استفاده از آلومینیوم در قطعات بدنه، دیگر پارامتر هایی چون رفتار قطعه در زمان خستگی مکانیکی و پایداری ابعادی دراز مدت باعث نگرانی طراحان نخواهند شد. حداقل تاکنون، هیچ آثار منفی در رفتار مکانیکی مجموعه های آلومینیومی بدنه مشاهده نشده است. ولی با این وجود، مقاومت در برابر خوردگی بخش مهمی از مشخصات یک بدنه آلومینیومی را به خود اختصاص می دهد. با یک طراحی خوب می توان انتظار عدم ایجاد فاصله و لقی بین صفحات و لذا عدم نیاز به استفاده از ورق های گالوانیک را داشت. در چنین طرحی، لایه رنگ حرف آخر را خواهد زد و رنگدانه های آن می توانند بخوبی از نقش ضد خوردگی خود برآیند. در زمان بکار گیری فلزات نجیب یا غیر فعال ، قطعه مونتاژی که باید از فلز نجیبتری تشکیل شده باشد (یعنی از پتانسیل احیا و اکسیداسیون  بالاتری برخوردار باشد) توسط لایه عایق کننده ای پوشیده خواهد شد تا از خوردگی آن جلوگیری شود. آینده استفاده از آلومینیوم در صنعت خودرو بعنوان ماده اصلی تشکیل دهنده بدنه و شاسی کاملا وابسته به معرفی آلیاژ های نوین و روش های جدید در کنترل دمای عملیات حرارتی، و در عین حال، در ارتباط با روش های تازه در ساخت و فرآوری آلومینیوم، بمنظور بهبود هر چه بیشتر خواص مکانیکی عمده این ماده، اعم از استحکام مکانیکی رفتار مکانیکی ماده حین شکست، شکل پذیری، اتصال، و مقاومت به خوردگی، دیده می شود.

شکل 1: نمایی از شاسی و بدنه آلومینیومی برای پروژه «اتوبوس آسیایی

ج) انواع آلیاژ های آلومینیوم

به نمودار مندرج در شکل 2 نگاه کنید. این نمودار آلیاژ های آلومینیوم را براساس عناصر آلیاژسازی که ممکن است در هر کلاس بکار گرفته شود، با در نظر گرفتن روش تولید (کار شده یا ریختگی)، به دو دسته با قابلیت گرماکاری (عملیات حرارتی) و بدون این قابلیت، تقسیم کرده است. گرید های کار شده آلومینیوم را می توان در هر فاز دمایی (سرد یا گرم) شکل داد. اما، گرید های ریختگی آلومینیوم نیز هستند که برخی از منابع (بیشتر اروپایی!) آنها را محصولات پایه ای آلومینیوم می نامند. این «محصولات پایه» بیشتر شامل شمش های آلومینیوم با آلیاژ های مختلف می شوند که بعد از عملیات مختلف حرارتی (شامل ذوب حتی!)، نورد، و کار مکانیکی به شکل های مختلف (نوار، تسمه، ورق، پروفیل، و...) قابل تولید هستند (برخی دیگر از منابع، این بخش را «محصولات نیمه آماده» نام نهاده اند). در این نمودار، آلیاژ هایی که با حرف جی لاتین مشخص شده اند، آلیاژ های ریختگی می باشند.

شکل 2: نمودار تقسیم بندی آلیاژ های آلومینیوم

د) نامگذاری آلیاژ های آلومینیوم

همانطور که پیشتر گفته شد، در این پست دو سیستم را بررسی خواهیم کرد: استاندارد آلمانی (یا به نوعی: اروپایی)، و استاندارد ایالات متحده (بنیاد امریکایی آلومینیوم)

1- سیستم تقسیم بنده آلیاژ های آلومینیوم در استاندارد های آلمانی:

سیستم تقسیم بندی آلیاژ های آلومینیوم در استاندارد های آلمانی از دو فرمت بهره می برد:

- کد رقومی (نومریک)؛ و

- کد حروفی-رقومی (آلفانومِریک).

سیستم رقومی در استاندارد DIN EN 573-1 و سیستم آلفانومریک در استاندارد DIN EN 573-2 تعریف شده است. به شکل های 3 و 4 نگاه کنید.

شکل 3: نمایه ای از سیستم رقومی تقسیم بندی آلومینیوم

شکل 4: نمایه ای از سیستم حروفی-رقومی تقسیم بندی آلومینیوم

این توضیح لازم است که در شکل های 3 و 4، حرف ای نشانه آلومینیوم، حرف W نشانه آلیاژ کار شده یا Wrought Alloy و حرف G نشانه آلیاژ های ریختگی یا Cast Alloy است. برای نشان دادن اینکه در آلیاژ مزبور از چه عناصر آلیاژسازی (و به چه میزان) استفاده شده است، از نشانه های شیمیایی عناصر (به ترتیب اهمیت آنها) به همراه عددی که مشخص کننده کلاس حضور نامی آنها (بر حسب درصد وزنی) باشد، استفاده می شود. این سیستم سال های سال مورد استفاده بوده است تا اینکه در سال 2005 دو بنیاد اروپایی و امریکایی آلومینیوم کد های شناسایی آلیاژ های آلومینیوم را با یکدیگر ادغام کرده و بدین ترتیب، کد چهار رقمی جایگزین کد فوق شد. البته، کد حروفی-رقومی قدیمی همچنان معتبر است، منتهای مراتب، آدرس دهی به آن تنها در مدارک برخی کشور ها (مانند آلمان که هنوز بر استفاده از آن اصرار دارد) صورت می گیرد.

سیستم کد گذاری چهار رقمی (به همراه تفکیک آلیاژ های گرماکاری پذیر آلومینیوم از گرید های غیر قابل عملیات حرارتی) در شکل 5 نشان داده شده است. توجه شود که این سیستم از سال 2005 یونیورسال است. شایان ذکر است که قدمت سیستم چهار رقمی به 1955 می رسد. جهت اطلاعات بیشتر، مراجعه به استاندارد ANSI H35.1 توصیه می شود. توضیح اینکه ANSI=American National Standard Institute

شکل 5: نمایه ای از سیستم چهار رقمی تقسیم بندی آلومینیوم

سیستم شماره گذاری آلمانی مواد (DIN)

سیستم شماره بندی آلیاژ های مهندسی موسسه DIN در سال 1942 و با ابلاغ وزارت جنگ رایش سوم به موسسه استاندارد های آلمانی کلید خورد. همانطور که قبلتر در مقدمه عنوان شد، در زمان جنگ جهانی دوم، آلومینیوم و آلیاژ های آن هنوز جایگاه چندانی در صنعت نداشتند و مصرف آنها بیشتر به صنایع هوایی (و بخش های بسیار محدودی از خودروسازی و صنایع دریایی) محدود بود. با این اوصاف، توسعه سیستم شماره بندی آلیاژ های آلومینیوم در 1943 آغاز شد و با شکست آلمان در جنگ جهانی دوم (1945) و مهاجرت بسیاری از کارشناسان اداره تدوین استاندارد های آلمان به ایالات متحده و دیگر کشور ها، روند این توسعه متوقف شد. اوایل دهه 50 قرن بیستم فعالیت در این زمینه دوباره از سر گرفته شد و با آخرین اصلاحات در این حوزه در سال 1958 خاتمه یافت. این سیستم، برای کد بندی آلیاژ های آلومینیوم از سر کُد 3 استفاده می کند. ساختار این کد در شکل 6 نشان داده شده است. برای اطلاعات بیشتر درباره جزییات شماره مواد آلیاژ های آلومینیوم، مراجعه به استاندارد DIN 17007-4 توصیه می شود.

شکل 6: نمایه ای از سیستم شماره گذاری دین برای تقسیم بندی آلیاژ های آلومینیوم

2- سیستم کد بندی چهار رقمی (استاندارد امریکایی)

این سیستم که اندکی پس از تاسیس بنیاد آلومینیوم ایالات متحده یا AA=Aluminum Association در سال 1955 معرفی شد، شامل چهار رقم برای گرید های کارشده و ریختگی آلومینیوم است. ساختار کد گرید های کار شده را می توان در شکل 7 دید.

شکل 7: نمایه ای از سیستم کد بندی چهار رقمی آلیاژ های آلومینیوم

اما، بمنظور آدرس دهی به عملیات حرارتی انجام شده روی آلیاژ کار شده مربوطه، بسته به اینکه آن آلیاژ قابلیت عملیات حرارتی را داشته باشد یا نه، از کد های متفاوتی استفاده می شود. این کد ها در شکل های 8 و 9 معرفی شده اند.

شکل 8: معرفی کد های معرف نوع عملیات حرارتی انجام شده روی آلیاژ های گرماکاری ناپذیر

شکل 9: معرفی کد های معرف نوع عملیات حرارتی انجام شده روی آلیاژ های گرماکاری پذیر

این سیستم برای آدرس دهی به آلیاژ های ریختگی از همان مقیاس چهار رقمی استفاده می کند. منتها با یکسری تغییرات ظریف! شکل 10 را ببینید.

شکل 10: نمایه ای از سیستم کد گذاری آلیاژ های ریختگی آلومینیوم در استاندارد های امریکایی

در پایان، در مورد تکنیک ها و پارامتر های فرایندی به یکی از دو منبع زیر مراجعه بفرمایید:

Aluminum handbook, vol.1

Aluminum & Aluminum alloys, ASM specialty handbook

گرید هایی از الومینیوم که قابلیت فورج گرم را داشته باشند، معمولا عملیات حرارتی پذیر هستند. کلیه گرید ها قابلیت فورج سرد را دارند؛ مخصوصا الومینیوم سری AA1000.

سوال: اگه ترکیب شیمیایی نمونه الومینیومی داشتیم از چه کتابی می تونیم نامگذاریش کنیم؟

پاسخ: بسته به این دارد که از کدام استاندارد بخواهید پیروی کنید.  اگر ترکیب شیمیایی با خطای زیر 20 درصد در دسترس باشد، می توان به استاندارد DIN 17007 مراجعه کرد و شماره مواد DIN را بدست آورد. البته، از طریق هندبوک AA هم امکان پذیر است...منتها زمان سرچ را بالا می برد! راه دیگر هم اینست که مثل بنده به وبسایت Totalmateria.com مراجعه کنید و در پایگاه داده ای سرچ کنید. البته این وبسایت خدماتش رایگان نیست!

سوال: منظور از آلومینیم خشک و نرم و آتشی در بازار چی هست ؟؟ ممنون میشم راهنمایی بفرمایید.

پاسخ: آلومینیوم خشک: قطعات رینگ و پیستون، کارتل روغن، و...

آلومینیوم نرم: در و پنجره، ظروف آلومینیومی آشپزخانه، و انواع قوطی های نوشابه و...

آلومینیوم آتشی: همان آلوماک است که بین 3 تا 15 درصد منیزیم دارد و انواع سرسیلندر خودرویی از آن ساخته می شود.

سوال: ممنونم , نکته مهم برای بنده این است که این قطعات (الومینیم خشک و اتیشی  و نرم) به چه گریدی از الیاژهای الومینیم مربوط میشوند (ترکیب شیمیایی قطعات مدنظر هست)؟

پاسخ: اساسا سوال شما غلط است!

وقتی راجع به ضایعات و بازیافت صحبت می کنید، دیگر گرید و آلیاژ مهم نیست! بلکه گروه آلیاژی است که مهم است...سوال شما زمانی صحیح است که راجع به محصول نیمه ساخته نو مطرح شود یا حتی یک محصول نهایی.

و اما، پاسخ سوال شما:

آلومینیوم خشک: گروه 3000، 5000، و 6000 (اکثریت گروه با 6000 است...مهم سیلیس دار بودن آلومینیوم است)؛

آلومینیوم نرم: گروه 1000 و 2000؛ و

آلومینیوم آتشی: گروه 7000 (مهم منیزیم دار بودن آلومینیوم است). 

نامگذاری آلیاژهای مس در استاندارد های اروپایی (آلمانی) و امریکایی

با درود فراوان به محضر تمامی مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی

موضوعی که در این مقاله قصد پرداختن بدان را داریم، مقدمه ای است بر سیستم کد بندی آلیاژ های مس در استاندارد های ایالات متحده امریکا و جمهوری فدرال آلمان

لازم بذکر است که محتوای این پست قبلا در قالب وبیناری با همین نام در گروه تلگرامی ایران مواد عرضه شده و در قالب pdf قابل دسترسی است. علاقمندان می توانند نسخه pdf این پست را از لینک زیر دانلود نمایند:

دانلود نسخه pdf این پست

در معرفی سیستم گرید بندی برای آلیاژ های مس، ابتدا، به معرفی این فلز (مس) و تاریخچه مختصری از پیدایش و منابع تولید آن خواهیم پرداخت. سپس، استاندارد های ایالات متحده بررسی شده و بعد از آن سیستم آلمانی (شامل کدگذاری آلیاژ ها و سیستم شماره گذاری دین) معرفی خواهد شد. استاندارد هایی که در ارائه امشب مورد بررسی قرار خواهند گرفت، به ترتیب، عبارتند از UNS و در انتها، استاندارد های آلمان، موسوم به DIN=Deutsches Institüt fur Nörmung به همراه معرفی سیستم شماره گذاری مواد معروف آن.

الف) مقدمه و ملاحظات کلی

مس، طلا، و قلع اولین فلزاتی بودند که نوع بشر طرز استفاده از آنها را آموخت. مس و طلا در میان فلزاتی هستند که در طبیعت بصورت جامد یافت می شوند. اما، از آنجا که کار با مس آسانتر از بقیه فلزات بوده است، قبل از سایر فلزات مورد توجه تمدن های باستانی قرار گرفت تا آنجا که قدمت اشیا و ابزارآلات ساخته شده از آن به بیش از ده هزار سال باز می گردد. اما امروزه، این فلز نسبت به سایر فلزات صنعتی از کاربرد های کمتری در زندگی روزمره انسان برخوردار است. عمق این غربت تا بدانجا است که هنوز می توان مهندسین خودروی زیادی را یافت که از شنیدن کاربرد های فراوان مس در خودروسازی متعجب شوند. در بهترین حالت، مهندسان مکانیک با شنیدن نام مس و آلیاژ های آن به یاد بورد های الکترونیکی و استارتر و ژنراتور می افتند. در حقیقت، قطعات اصلی درخت سیم های مدار الکتریکی خودرو، دینام، دلکو، و عملگر های الکتریکی آن از مس تشکیل یافته اند. امروزه، در ساخت مخازن سوخت و قطعات اصلی سیستم های سوخت رسانی خودرو های عادی (اعم از تک یا دوگانه سوز) و خودرو های هیبریدی از مس به میزان وسیعی استفاده می شود. خودرو های هیبریدی از آلایندگی کمتری برخوردار بوده و سوخت فسیلی کمتری مصرف می کنند. تغییر ساختار عملگر های کنترلی خودرو ها از هیدرولیکی به الکتریکی نوید استفاده بیشتری از مس و آلیاژ های آن را در ساختار خودرو ها می دهد. این کار هم به نفع خودروساز است (که ساختار ساده تری را تحویل می دهد) و هم به نفع محیط زیست (که در معرض آلودگی شیمیایی کمتری است). علاوه بر این، برخلاف سیستم های هیدرولیکی، قطعات تشکیل دهنده سیستم های کنترلی الکتریکی پس از اتمام دوره عمر مفید خودرو نباید دور انداخته شوند و امکان بازیافت آنها وجود دارد. این روند در نهایت موجب رواج بیشتر مس در خودروسازی و بازگشت آن به سبد فلزات اصلی صنعت خودرو خواهد شد. گذشته از کاربرد های الکتریکی، از مس و آلیاژ های آن در ساخت سیستم های خنک کننده موتور خودرو ها نیز استفاده می شود. این بدان دلیل است که هنوز هم که هنوز است هیچ فلزی قادر به رقابت با مس در زمینه انتقال حرارت نیست. با اینحال، بسیاری از مهندسین مکانیک و خودروسازی از خواص بیشماری که آلیاژ های مسی می توانند بعنوان قطعات مکانیکی در ساختار بدنه و شاسی خودرو داشته باشند بی خبرند. یکی از این خواص بیشمار، شکل پذیری بی همتای این فلز در هر دو حالت سرد و گرم است که می تواند منجر به ساخت قطعاتی با دقت بالا شود که، بخاطر شکل هندسی خاص، امکان تولید آنها به روش ماشینکاری وجود نداشته باشد. قابلیت ماشینکاری عالی (خوش تراشی) به همراه طول عمر بالا و دقت فوق العاده در ساخت قطعات تشکیل شده از آلیاژ های مسی مانند برنج اغلب منجر به ارزانتر شدن هزینه تولید چنین قطعاتی در مقایسه با همتایان فولادی، منیزیمی، تیتانیومی، یا حتی آلومینیومی آنها می شود. از این جهت، می توان مس را آلیاژ پذیر ترین فلز صنعتی دنیا در زمینه دستیابی به مقاومت به سایش بالا در عین حفظ خواص استحکامی رضایتبخش دانست. مس یکی از سازگارترین ساخته های دست بشر با شرایط محیط زیست است و وجود آن برای تقویت سیستم دفاعی بدن انسان ضروری است. مس خاصیت میکروب کشی دارد فلذا از آن در سیستم های تهویه مطبوع خودرو و قطعات سیستم گردش آب و خنک کاری استفاده فراوان می شود. مس و آلیاژ های آن در بسیاری از محیط های کاری مقاومت خوبی نسبت به خوردگی از خود نشان می دهند. گواه این مطلب اشیای باستانی و جنگ افزار های مسی بدست آمده از قبور فراعنه مصری است که پس از گذشت 3500 سال سالم از زیر خاک بیرون آورده شده اند. مس از جمله معدود فلزات صنعتی است که قابلیت بازیافت صد درصدی را داشته و محصولاتی که از مس دست دوم ساخته می شوند از خواصی یکسان با محصولاتی برخوردار هستند که از مس دست اول و تازه ساخته شده باشند. بنابراین، نیازی به اضافه کردن هیچ افزودنی شیمیایی یا عملیات عمل آوری اضافی برای مس های بازیافتی نیست.

ب) منابع تولید

تقریبا 0.006 درصد از کره زمین را مس تشکیل داده و از نظر فراوانی در پوسته کره خاکی مقام بیست و سوم را دارد. بطوریکه تقریبا در هر نوع سنگی می توان آثاری از مس را مشاهده کرد. مس نیز مانند آهن از تمایل زیادی برای ترکیب شدن با اکسیژن و گوگرد برخوردار است و درست به همین دلیل است که هر دو این عناصر به شکل ترکیبات سولفوری در معادن قابل مشاهده هستند. از جمله مهمترین سنگ معدن های مس می توان به کَلکوپیریت CuFeS با 34 درصد و کَلکوزیت Cu2S با 79 درصد مس اشاره کرد. میزان منابع مس کشف شده در جهان به 940 میلیون تن می رسد که استخراج 470 میلیون تن آن صرفه اقتصادی دارد. البته، این آمار بدون در نظر گرفتن آن دست از منابع بالقوه زیر دریایی از مس ارائه شده است که بنا به تخمین کارشناسان میزان آنها به بیش از 0.7 تریلیون تن می رسد.

ج) زمینه های کاربردی مس

بدلیل تطبیق پذیری بالای این فلز، می توان آثاری از آن را تقریبا در تمامی بخش های زندگی روزمره مشاهده کرد. بخش های بزرگی از صنایع حمل و نقل، تولید و توزیع انرژی، و ساخت و تولید ابزارآلات صنعتی و ساختمانی از وابستگی شدیدی به مس و آلیاژ های آن برخوردارند. در حدود 40 درصد از مس تولیدی در جهان در صنایع عمرانی (بیشتر در بخش های تاسیسات الکتریکی و بهداشتی آن)، و قریب به 38 درصد از آن در صنایع الکترومکانیکی مصرف می شود. این شمای کوچکی از کاربرد های فراوان مس، چه در فناوری های نوینی مانند میکروچیپ ها، و چه در صنایع کهنی مانند خودرو های ریلی است.

تقریبا 9 درصد مس تولیدی در جهان در صنعت خودرو مصرف می شود. خودروسازان قبل از هر چیز مس را برای ساخت اتصالات الکتریکی و الکترونیکی محصولات خود، اعم از درخت های سیم و کانکتور ها، لازم دارند. البته این بدان معنی نیست که استفاده از مس و آلیاژ های آن در خودروسازی به همین جا ختم می شود. درست برعکس! بخش هایی حیاتی از خودرو، مانند قطعات گیربکس، رینگ، بلبرینگ ها، لوله های مدار ترمز، سوخت و برگشت بخارات سوخت از موتور، رادیاتور و... از مس و آلیاژ های آن ساخته می شوند. بدین ترتیب، می توان گفت که 18 تا 28 کیلوگرم از وزن یک خودرو را مس و آلیاژ های آن تشکیل داده است. البته خودروی  Phaeton محصول کمپانی فولکس واگِن، از این قاعده مستثنی است چراکه 40 کیلوگرم از وزن درخت سیم آن به تنهایی سهم مس بود.

با توجه به نجیب بودن مس و آلیاژ های آن، معمولا نیازی به اعمال پوشش های محافظ سطوح قطعات ساخته شده از این دسته از فلزات در برابر خوردگی و زنگ زدگی احساس نمی شود. تنها موردی که مایه نگرانی است، خوردگی انتخابی است که معمولا در مورد آلیاژ های مس و روی رخ داده و منجر به روی زدایی آن در اثر قرار گیری در معرض محیط های عملکردی با غلظت کلرید بالا (مانند ضد یخی که در رادیاتور خودرو ریخته می شود یا محیط های عملکردی با رطوبت بالا در اتمسفر آنها) می شود. در این گونه از موارد، توصیه کارشناسان بر استفاده از عوامل به تاخیر اندازنده خوردگی، مانند آرسنیک، در ترکیب شیمیایی آلیاژ است. بکار گیری روش های آبکاری الکتریکی برای پوشش دهی به سطوح قطعات ساخته شده از مس و آلیاژ های آن نیز یکی دیگر از راهکار های رایج برای افزایش مقاومت این دسته از قطعات خودرویی نسبت به فرآیند هایی چون روی زدایی و SCC (Stress Corrosion Cracking) است.

البته استفاده از چنین راهکار هایی به معنای محافظت مطلق از قطعات مسی در برابر خوردگی نیست. زیرا اغلب فیلم های محافظتی که روی سطح این قطعات تشکیل می شود یا از ضخامت کافی برخوردار نیستند یا از سطحی متخلخل برخوردارند. به همین دلیل، و در عین حال با در نظر گرفتن هزینه اعمال چنین پوشش هایی، معمولا قطعات مسی بدون هرگونه پوشش محافظ به خودروساز تحویل شده و در ساختار خودرو نصب می شوند. در این میان، تنها تعدادی از قطعات مسی که در سیستم های الکتریکی کاربرد دارند تحت آبکاری قلع یا دیگر فلزات نجیب قرار می گیرند. البته، برای به تاخیر انداختن خوردگی در قطعات مسی راه دیگری نیز هست که همانا اضافه کردن عوامل به تاخیر اندازنده خوردگی به ترکیب شیمیایی آلیاژ های مسی است. استفاده از این روش در ساخت قطعات تشکیل دهنده مدارات مایع خنک کننده موتور و سیستم های هیدرولیک خودرو کاربرد فراوانی دارد. برای این منظور از موادی با ساختار شیمیایی پیچیده، نظیر خانواده بنزوتریازول، استفاده می شود. روش کار نیز بدین صورت است که مواد فوق با یون های حل شده مس پیوند های محکم و قوی برقرار کرده و مانع جدا شدن آنها از ساختار فلز می شوند. تنها نکته باقی مانده آنست که در بکار گیری این دسته از مواد باید به ترکیب شیمیایی آلیاژ های مسی دقت شود. چراکه وجود یکسری از مواد شیمیایی می توان موجب واکنش دهی این عوامل با آنها و در نتیجه انحراف از هدف اصلی اضافه کردن چنین موادی به ترکیب شیمیایی آلیاژ شود.

پوشش های غیر ارگانیک معمولا به صورت پوشش های لعابی در رنگ کردن سطح قطعات مسی کاربرد دارند. با این حال، به ندرت از پوشش دهی لعاب برای اهدافی چون محافظت از قطعات ساخته شده از مس و آلیاژ های آن در برابر خوردگی استفاده می شود. بلکه، استفاده از این نوع پوشش ها بیشتر بمنظور تزیین و رنگ آمیزی قطعات می باشد. باید توجه کرد که هرچند مس و آلیاژ های آن از رنگ زیبا و تزیین کننده ای برخوردارند، اما گاهی پیش می آید که طراحان به رنگ های دیگری فکر کنند.

قطعات ساخته شده از مس و آلیاژ های آن که با روش روکش دهی غلتکی یا  Roll-Cladding تولید شده باشند اغلب در ساخت کنتاکت های الکتریکی خودرو مورد استفاده دارند. در این روش، از فلزات گرانبهایی چون طلا، نقره و پلاتین برای پوشش دهی به سطح قطعات ساخته شده از مس خالص، آلیاژ های مس و روی، با درصد روی بالا، آلیاژ مس و قلع (مانند برنج سفید)، و در نهایت آلیاژ های خاصی از مس مورد استفاده قرار می گیرند. در تولید کنتاکت سوکت های نر و ماده درخت سیم خودرو نیز از همین روش پوشش دهی برای محافظت از سطح آلیاژ های مسی استفاده می شود.

محافظت از سطح قطعات خودرویی ساخته شده از مس و آلیاژ های آن به روش رسوب دهی غیر الکتریکی یا شیمیایی نیز امری است که امکان آن رد نمی شود. در این زمینه، رسوب دهی شیمیایی نیکل روی سطح قطعات برنجی خودرو بمنظور محافظت از آنها در برابر خوردگی و ساییدگی سابقه ای طولانی در صنعت خودروی آلمان و امریکا دارد. این فرآیند آنقدر انعطاف پذیر است که می توان با اجرای شرایط عملیات حرارتی 400 درجه سلسیوس در ساعت، سختی پوشش حاصله را از 550 DPH  به بیش از  100 DPH  رساند. کاربرد این روش در پوشش دهی سطح داخلی لوله های مسی با نیکل بمنظور جلوگیری یا به تاخیر اندازی خوردگی آنها است. برعکس این حالت نیز ممکن است؛ بدین ترتیب که می توان مس یا آلیاژ های آن را با استفاده از روش فوق برای پوشش دهی سطوح داخلی لوله های فولادی مورد استفاده قرار داد.

در زمینه قطعات تزیینی داخل اتاق، استفاده از این روش برای پوشش دهی قطعات فلزی (معمولا ساخته شده از فولاد یا آلیاژ آلومینیوم) با مس یا آلیاژ های آن بمنظور محافظت از سطح آنها در برابر خط و خش، ساییدگی، یا حتی بعنوان پوشش ترمیم کننده اشکالات سطحی ناشی از فرآیند تولید رواج دارد. اما باید توجه کرد که روش پوشش دهی فوق برای اهداف ضد گاز یا لایه های واسط مناسب نیست. البته، هزینه زیاد پوشش دهی به این روش را نیز باید به مضرات رسوب دهی غیر الکتریکی یا شیمیایی اضافه کرد.

براساس ضرب المثل «گهی پشت بر زین، گهی زین به پشت»، خود مس و آلیاژ های آن را نیز می توان بعنوان فلز پوشش دهنده برای محافظت از سطح فلزات دیگر نیز استفاده کرد. روشی که معمولا برای پوشش دهی مس و آلیاژ های آن بر دیگر فلزات کاربرد دارد رسوب دهی الکتریکی است. لایه های محافظی که از رسوب دهی الکتریکی مس و آلیاژ های آن روی سطح دیگر فلزات حاصل می شوند اغلب بعنوان پوشش های ضد گاز و لایه های واسط کاربرد دارند. در زمینه پوشش های تزیینی داخل اتاق خودرو، اعمال لایه ای از آلیاژ مس و روی به روش رسوب دهی الکتریکی روی قطعات فولادی یا آلومینیومی رواج بیشتری دارد. برای این منظور، و البته با گوشه چشمی به اندکی از مقاومت به خوردگی، اعمال لایه ای از برنج رسوب داده شده به روش الکتریکی روی سطح بعضی از قطعات تزیینی و سفارشی نیز به تازگی در خودروسازان معمول شده است.

د) نواع آلیاژ های صنعتی مس

1- آلیاژ مس و روی (برنج)

آلیاژ های مس و روی برنج نامیده می شوند. اکثر این آلیاژ ها از دامنه انجماد اندکی برخوردارند و به همین دلیل قابلیت ریخته گری خیلی خوبی دارند. روی نسبت به مس ارزانتر است و اضافه کردن آن به ترکیب مس باعث ارزانتر شدن آن و در عین حال اضافه شدن قابلیت های تزیینی بهتر در آن مانند تغییر رنگ و ... می شود. اصولا، هدف از تولید آلیاژ برنج در سالیان دور نیز همین موضوع اقتصادی بوده است.

رنگ آلیاژ بستگی تام به مقدار روی دخیل در آن دارد. در مقادیر کمتر از 10 درصد روی، رنگ آلیاژ به قرمز مسی متمایل است. این رنگ در مقادیر 10 تا 25 درصد به طلایی تیره و در 35 تا 45 درصد به طلایی روشن می رسد. خواص مکانیکی برنج ها بسته به میزان حضور روی در ترکیب آن و سرعت سرد شدن آلیاژ متفاوت است.

اگر آلیاژ مس و روی حاوی عناصر دیگری نیز باشند، به آن آلیاژ »برنج مخصوص« گفته می شود. این عناصر می توانند شامل آهن، قلع، منگنز، آلومینیوم، سرب، و نیکل باشند که میزان حضور آنها در ترکیب برنج معمولا حدود 1 تا 2 درصد است. البته، اضافه کردن این عناصر باعث بهبود برخی خواص مکانیکی و مقاومت به خوردگی آلیاژ می شود.

2- آلیاژ مس و قلع (برنز)

بطور سنتی آلیاژ مس و قلع را برنز می نامند. اما در برخی از کشور ها و فرهنگ های متفاوت، آلیاژ های مس با آلومینیوم، منگنز، نیکل، و سیلیسیم را نیز برنز می نامیده اند. حتی اگر قلع در ترکیب آن حضور نداشته باشد! مقدار قلعی که در گرید های متفاوت برنز حضور دارد بین 5 تا 25 درصد متغیر است. اولین اثر قلع در ترکیب با مس، کاهش نقطه ذوب و بهبود طنین صوتی حاصل از ضربه می باشد. به همین دلیل، آلیاژ های برنز با مقادیر کمتر از 5 درصد قلع را «گرید های ناقوسی» می نامند. البته، حضور قلع باندازه بیش از 5 درصد در ترکیب آلیاژی باعث افت شدید مقاومت به ضربه می گردد. گرید هایی از برنز که در مجسمه سازی کاربرد دارند، حدود 9 تا 10 درصد قلع در ساختار خود دارند. استفاده از برنز در صنعت محدود است و باید حتما عناصر کمکی به ساختار آن اضافه شوند. مانند سرب که به برنز های مورد استفاده در ساخت شیرآلات صنعتی اضافه می شود (تا 6 درصد).

3- آلیاژ مس و آلومینیوم (برنز آلومینیوم)

این تیپ از آلیاژ های مس از دیدگاه استحکامی با فولاد های کربنی قابل مقایسه است. اما، مقاومت به خوردگی آنها بسیار بهتر می باشد (البته با قیمت چند برابر). این دسته از آلیاژ ها در استاندارد های امریکایی بصورت UAX نشان داده می شوند که در این کد، حرف یو نشانه مس، حرف ای نشانه آلومینیوم، و حرف ایکس بیانگر میزان حضور آلومینیوم در ترکیب آلیاژ برحسب درصد وزنی است. مثلا،  UA5 or UA10 نشاندهنده آلیاژ برنز آلومینیوم با حضور 5 یا 10 درصد آلومینیوم در ساختار آن است. کاربرد این دسته از آلیاژ ها در ساخت انواع چرخدنده، محور ها، و قطعات مکانیکی پراستحکام با الزام مقاومت خوردگی است. رنگ برنز آلومینیوم طلایی است.

4- آلیاژ مس و نیکل

آلیاژ های تجاری از مس و نیکل معمولا 5 تا 45 درصد نیکل داشته و آهن، منگنز، و روی نیز در آنها یافت می شود. نیکل اثرات جالب توجهی روی خواص مهندسی مس دارد که از آنجمله می توان به تثبیت ضریب انبساط حرارتی اشاره کرد. بطوریکه با ورود نیکل به ساختار مس، می توان آلیاژی با ضریب معین و بازه تغییرات بسیار مشخص از انبساط حرارتی تولید کرد. برخی از گرید های این دسته از آلیاژ ها آنقدر انبساط حرارتی کمی دارند که در ساخت انواع بیومتریال استفاده می شوند. اضافه کردن نیکل به مس، ظاهری نقره ای رنگ بدان می دهد.

5- آلیاژ های مس و سیلیسیم

این دسته از آلیاژ های مس به سیلیکون برنز هم معروفند، در صنعت بسیار مورد توجهند. چراکه جوش پذیری خوبی داشته، استحکام مناسبی دارند، و در عین حال، مقاومت خوبی از خود در برابر خوردگی نشان می دهند. میزان سیلیس در این آلیاژ ها از 1.5 تا 30 درصد متفاوت است. اضافه کردن سیلیس به مس باعث بهبود سختی، استحکام کششی، و مقاومت به خوردگی آن خواهد شد. جهت اطلاعات بیشتر در این زمینه، مراجعه به کتاب زیر توصیه می شود:

Copper & Copper Alloys (ASM Specialty Handbook)

6- آلیاژ مس و بریلیوم

وجود مقدار اندکی از بریلیوم (2 تا 2.5 درصد) خواص مکانیکی جالبی به مس می دهد. البته، گرید هایی از این آلیاژ ها وجود دارند که بمنظور بهبود خواص الکتریکی، در عین خواص مکانیکی خوب، نیکل نیز دارند (معمولا کمتر از یک درصد). یکی از کاربرد های بسیار رایج این آلیاژ ها (با یا بدون نیکل)، فنر های ساعت می باشد. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، مراجعه به کتاب زیر توصیه می شود:

Beryllium & Beryllium Alloys (ASM Specialty Handbook)

هـ) نامگذاری آلیاژ های مس

1- استاندارد های اروپایی

در این سیستم که به تازگی (از حدود 2002) آپدیت شده است، از مخلوطی از کد های حروفی و رقومی استفاده می شود که جزییات آن در استاندارد EN 1173 موجود است. در این سیستم از علامت اختصاری شیمیایی استاندارد برای آدرس دهی به هر عنصر استفاده می شود. برای مس خالص، به شکل 1 نگاه کنید.

شکل 1: شیوه نامگذاری مس خالص در استاندارد اروپایی

اما، برای نامگذاری آلیاژ های مس، ابتدا از حروف اختصاری مس (سی یو) استفاده شده و پس از آن از حروف اختصاری نشاندهنده عنصر آلیاژساز (به ترتیب حضور) استفاده می شود. پس از این حروف، عددی درج می شود که بیانگر درصد وزنی حضور آن عنصر آلیاژساز در ترکیب آلیاژ مربوطه است. گاهی پس از این کد، از یک خط تیره بمنظور جداسازی کد معرف مشخصه کیفی یا خواص مکانیکی ویژه آن آلیاژ ذکر می شود. به شکل 2 نگاه کنید.

شکل 2: معنای حروف و اعداد ذکر شده در ساختار آلیاژ های مختلف مس

استاندارد های اروپایی دارای شماره مواد نیز هستند که کمی شبیه به سیستم کد گذاری امریکایی است. شرح این سیستم در استاندارد EN 1412 موجود است. در این سیستم از دو حرف سی (نشانه مس) و دابلیو (نشانه کار شده بودن آلیاژ)، یا سی (نشانه ریختگی بودن آلیاژ)، یا دیگر حروف استفاده شده و سه عدد (ارقام ترتیبی) پس از آن آورده می شود. پس از این ساختار حروفی-رقومی، از یک حرف انگلیسی استفاده می شود که برای آدرس دهی به نوع یا گروه آلیاژی مس کاربرد دارد (شکل 4 را ببینید).

مثالی از مقایسه کد حروفی-رقومی معرفی شده با این شماره مواد در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3: مقایسه ای از سیستم شماره مواد و کد آلیاژ مس در استاندارد های اروپایی

شکل 4: معنای هر یک از حروف بکار رفته در ساختار شماره مواد آلیاژ های مس اروپایی

سیستم شماره گذاری آلمانی (DIN)

همانطور که قبلا در قالب سمینار سیستم شماره گذاری فولاد گفته شد، سیستم شماره بندی آلیاژ های مهندسی موسسه دین در سال 1942 و با ابلاغ وزارت جنگ رایش سوم به موسسه استاندارد های آلمانی کلید خورد. همانطور که قبلتر در مقدمه عنوان شد، در زمان جنگ جهانی دوم، آلومینیوم و آلیاژ های آن هنوز جایگاه چندانی در صنعت نداشتند و مصرف آنها بیشتر به صنایع هوایی (و بخش های بسیار محدودی از خودروسازی و صنایع دریایی) محدود بود. با این اوصاف، توسعه سیستم شماره بندی آلیاژ های مس در 1943 و با همکاری انستیتو مس آلمان یا DKI=Deutches Kupfer Institüt آغاز شد و با شکست آلمان در جنگ جهانی دوم (1945) و مهاجرت بسیاری از کارشناسان اداره تدوین استاندارد های آلمان به ایالات متحده و دیگر کشور ها، روند این توسعه متوقف شد. اوایل دهه 50 قرن بیستم فعالیت در این زمینه دوباره از سر گرفته شد و با آخرین اصلاحات در این حوزه در سال 1958 خاتمه یافت. این سیستم، برای کد بندی آلیاژ های مس از سر کُد 2 استفاده می کند. براساس این سیستم، شماره مواد 2.0000 تا 2.1799 اختصاص به مس و آلیاژ های آن دارد. ساختار این کد در شکل 5 نشان داده شده است. برای اطلاعات بیشتر درباره جزییات شماره مواد آلیاژ های آلومینیوم، مراجعه به استاندارد  DIN 17007-4 توصیه می شود.

شکل 5: نمایه ای از سیستم شماره گذاری دین برای تقسیم بندی آلیاژ های مس

2- سیستم کد بندی پنج رقمی (استاندارد امریکایی)

این سیستم که به UNS=Unified Numbering System معروف است، مشترکا توسط سه موسسه زیر توسعه یافته است

ASTM=American Society for Materials & Testing

SAE=Society of Automotive Engineers

CDA=Copper Development Association

از ساختاری شش کاراکتری استفاده می کند که از حرف سی انگلیسی (به نشانه مس) و پنج کاراکتر عددی پس از آن تشکیل شده است. در این سیستم، کاراکتر عددی اول، نمی تواند صفر باشد. بدین ترتیب، اعداد 10000 تا 79999 به آلیاژ های کار شده مس اختصاص داشته و اعداد 80000 تا 99999 برای آدرس دهی به آلیاژ های ریختگی مس بکار می روند. ساختار کد آلیاژ های کار شده مس در شکل 6 و ساختار کد مربوط به آلیاژ های ریختگی مس در شکل 7 نشان داده شده است.

شکل 6: نمایه ای از سیستم تقسیم بندی آلیاژ های کار شده مس در استاندارد های امریکایی

شکل 7: نمایه ای از سیستم تقسیم بندی آلیاژ های ریختگی مس در استاندارد های امریکایی

بررسی امکان جایگزینی فولاد AISI 309 با AISI 310S در Hot Section یک توربین گازی

با نام و یاد خدا

موضوع این مقاله کوتاه که قبلا توسط بنده در گروه تلگرامی ایران مواد عرضه شده بود، جهت استفاده سایرین تقدیم شده است:

عنوان بحث: جایگزینی فولاد 309 با 310 اس در بخش هات سکشن توربین گازی میتسوبیشی:تحلیل متالورژیک و خستگی حرارتی

بخش اول) معرفی فولاد AISI 309

آلیاژ 309، گرید نیکل-کروم دار از گروه فولاد های زنگ نزن آستنیتی با شماره مواد 1.4828 است که برای اطلاع از نحوه کدگذاری و تفسیر شماره متریال، مراجعه به سمیناری در همین زمینه در وبسایت ایران مواد توصیه می شود. این گرید در استاندارد ASTM A167 تعریف شده است.

بخش دوم) معرفی فولاد AISI 310S

این گرید نیز جزء دسته بندی فولاد های نیکل-کرومی آستنیته قرار می گیرد و تفاوت آن با 310، کربن بسیار کمتر آن است که موجب به حداقل رسیدن رسوب کاربید ها و جوش پذیری بهتر می شود. شماره مواد این گرید 1.4845 است. این گرید نیز در استاندارد ASTM A167  تعریف شده است.

بخش سوم) تحلیل شیمیایی

میزان کربن آلیاژ 1.4828 دقیقا 2.5 برابر 1.4845 است، اما سیلیسیم آن نصف آلیاژ اخیر است که می تواند در حفظ استحکام در دماهای بالا (بیش از 600 درجه سلسیوس) بسیار مفید باشد. از سوی دیگر، اما، 1.4845 ضعف خود در زمینه کربن را با افزایش چشمگیر در مقادیر سیلیسیم، کروم، و نیکل جبران می کند. بطوریکه علاوه بر بهبود مقاومت به اکسیداسیون در گرما، 1.4845 از داکتیلیته و چقرمگی بالاتری در گرما برخوردار است که در نهایت، خواص خزشی بهتری را برای آن به ارمغان می آورد (نمودار های 3 و 5 را ببینید)

پس، تا اینجای کار، از لحاظ جوش پذیری، شکل دهی، مقاومت به خوردگی داغ، و پایداری ابعادی، آلیاژ 1.4845 عملکرد بهتری نسبت به 1.4828 دارد. اما، چقدر بهتر؟ این چیزی است که بزودی در بخش چهارم خواهیم فهمید.

بخش چهارم) تحلیل پارامتریک

براساس استاندارد DIN EN 10095 حداکثر دمای کاری برای آلیاژ 1.4828 برابر 1000 و برای 1.4845 برابر 1050 درجه سلسیوس است. نمودار شماره 1 حاوی اطلاعاتی در خصوص نحوه افت تنش تسلیم این دو آلیاژ در برابر افزایش دمای عملکردی (بازه 600 تا 900 درجه سلسیوس) است. آنچه که از این نمودار بر می آید آنست که آلیاژ 1.4845 یا 310 کم کربن افت تنش تسلیم خود را در نقطه ای بالاتر (حدود 20 درصد) شروع کرده و با شیب نسبتا آرامتری (تقریبا 13 درصد) استحکام خود را از دست می دهد

در نتیجه، می توان گفت که افزایش سیلیس و نیکل منجر به پایداری ابعادی بهتری برای 1.4845 در گرما می شود.  نمودار شماره 1 را ببینید.

نمودار 1: روند کاهش استحکام تسلیم دو فولاد AISI 309 و AISI 310S (منبع داده ها: Total Materia)

نمودار های شماره 2 و 4 حاوی تغییرات حد خزش دو آلیاژ، به ترتیب، 1.4828 و 1.4845، در بازه دمایی 600 تا 900 درجه سلسیوس و در سه چک پوینت 1000 ساعت، 10 هزار ساعت، و 100 هزار ساعت قرار گیری در معرض شرایط پرحرارت هستند (منبع تمامی داده ها: توتال متریا/Total Materi). تحلیل عددی نمودار های 2 و 4 نشان دهنده آن است که پس از 1000 ساعت قرار گیری در شرایط حرارتی، هر دو آلیاژ یک رفتار خزشی را از خود نشان می دهند (خطا: 0.07 درصد). اما، اختلاف زمانی بروز می کند که دو آلیاژ بمدت 10 هزار ساعت در همان بازه قرار گیرند. بطوریکه 1.4828 به میزان 125 برابر بیشتر از 1.4845 استحکام خزشی خود را حفظ می کند (خطا: 1.02 درصد).

البته، این اختلاف پس از 100 هزار ساعت قرار گیری در شرایط دمایی فوق باندازه 40 درصد کاهش می یابد (خطا: 0.67 درصد). به نمودار های 2 و 4 دقت کنید.

نمودار 2: روند کاهش حد خزش آلیاژ فولاد 1.4828 برحسب زمان (منبع داده ها: Total Materia)

نمودار 3: روند کاهش حد خزش آلیاژ فولاد 1.4828 برحسب دما (منبع داده ها: Total Materia)

نمودار های شماره 3 و 5 حاوی تغییرات پارامتریک تنش خزشی دو فولاد، به همان ترتیب فوق، در چهار رده دمایی (600، 700، 800، و 900 درجه سلسیوس) با سه چک پوینت زمانی 1000، 10 هزار، و 100 هزار ساعت قرار گیری مداوم در هر رده دمایی است. تحلیل عددی نمودار های 3 و 5 نشان دهنده آن است که در رده 600 درجه سلسیوس، شیب افت تنش برای 1.4845 کمی بیشتر از یک سوم 1.4828 است (خطا در هر دو نمودار: صفر).

این اختلاف در رده 700 درجه، به حدود 5 درصد می رسد. اما، در رده 800 درجه سلسیوس، شیب افت استحکام خزشی برای آلیاژ 1.4845 به میزان 40 درصد کمتر از 1.4828 خواهد بود که عدد بزرگی است (خطا: صفر). از همه جالبتر اما، رده دمایی 900 درجه سلسیوس است. چراکه هر دو آلیاژ مورد مطالعه، در این رده دمایی رفتاری مشابه یکدیگر دارند. به نمودار های 3 و 5 دقت کنید.

نمودار 4: روند کاهش حد خزش آلیاژ فولاد 1.4845 برحسب دما (منبع داده ها: Total Materia)

نمودار 5: روند کاهش حد خزش آلیاژ فولاد 1.4845 برحسب زمان (منبع داده ها: Total Materia)

بخش پنجم) نتیجه گیری

با توجه به تحلیل های شیمیایی و پارامتریک، آلیاژ 310 کم کربن جایگزین مناسبی برای 309 در رده های دمایی 600 و 800 درجه سلسیوس است. اما، اگر رده دمایی عملکرد مداوم توربین در 700 و 900 درجه باشد، نمی توان 310 کم کربن را نسبت به 309 مرجح دانست.

از دیدگاه تعمیر و نگهداری، اما، با تعویض آلیاژ به 310 کم کربن، زمان چک های اولیه و تعمیر اوورهال کوتاهتر خواهد شد.