آلیاژ چیست؟ از انواع و کاربرد آن چه می دانید؟

آلیاژ چیست؟

به زبان ساده آلیاژ (Alloy) یا همجوشه یک ماده فلزی است که از ترکیب یک فلز با یک یا چند عنصر دیگر (فلز یا غیر فلز) به وجود می آید. این عناصر به صورت مایع با هم مخوط می‌شوند و خواص بیشتری نسبت به فلز خالص دارند. رایج ترین راه برای ترکیب فلزات و تشکیل یک آلیاژ، ذوب کردن آن ها و مخلوط کردن تمام مواد با هم است.

تاریخچه پیدایش آلیاژ

تولید آلیاژ توسط بشر با تولید برنز آغاز شد و از جمله اولین افرادی که آلیاژ را در جهان تولید کردند، بابلی ها بودند که ۶۰۰۰ سال پیش شروع به تصفیه برنز (آلیاژ مس و قلع) کردند. چین همچنین یکی از اولین کشورهای جهان است که موفق به تولید آلیاژها شد.

چرا آلیاژها تولید شدند؟

فلزات خالص دارای خواص فیزیکی و شیمیایی ضعیفی هستند. خواصی مانند نقطه ذوب، نقطه جوش، چگالی، وزن مخصوص، چکش‌خواری، شکل‌پذیری، هدایت حرارتی و الکتریکی را می‌توان به وسیله آلیاژ با عناصر فلزی یا غیرفلزی دیگر بر حسب نیاز اصلاح و یا افزایش داد. در ادامه برخی از دلایل وجود آلیاژ را مرور می‌کنیم:

• افزایش درجه سختی فلزات: یک آلیاژ سخت‌تر و مقاوم‌تر از اجزای تشکیل‌دهنده آن است. فلزات خالص عموماً نرم هستند. سختی یک فلز را می‌توان با آلیاژ کردن آن با یک فلز یا غیرفلز دیگر افزایش داد.
• پایین آوردن نقطه ذوب: فلزات خالص نقطه ذوب بالایی دارند. هنگامی که فلزات خالص با فلزات دیگر یا غیرفلزات آلیاژ شوند، نقطه ذوب آن‌ها کاهش می یابد و به راحتی ذوب خواهند شد. از این خاصیت می‌توان برای آلیاژ مفیدی مانند لحیم استفاده کرد.
• افزایش استحکام کششی: آلیاژ، می‌تواند استحکام کششی فلز اصلی را افزایش می‌دهد.
• افزایش مقاومت در برابر خوردگی: آلیاژها نسبت به فلزات خالص در برابر خوردگی مقاومت بیشتری دارند. فلزات به شکل خالص از نظر شیمیایی واکنش‌پذیر هستند و به ‌راحتی توسط گازهای جوی و رطوبت محیط دچار خوردگی می‌شوند.
• تغییر رنگ: رنگ فلز خالص را می‌توان با آلیاژ کردن آن با فلزات یا غیرفلزات حاوی رنگدانه‌های رنگی مناسب تغییر داد.

آلیاژها چگونه تولید می‌شوند؟

اکثر آلیاژها با مخلوط کردن فلزات در حالت مذاب تهیه می‌شوند. سپس مخلوط به دست آمده که به صورت مذاب است را در قالب‌های فلزی یا ماسه‌ای می‌ریزند تا به صورت جامد تبدیل گردد. معمولاً ماده اصلی و پایه، اول از همه ذوب می‌شود سپس بقیه مواد به آن اضافه می گردند. شرط اصلی و اولیه ساخت آلیاژ این است که همه مواد به خوبی ذوب شده باشند و با یکدیگر ترکیب شوند.

نبشی آهن

انواع آلیاژ

آلیاژها را می‌توان به دو دسته فلزی و غیرفلزی تقسیم بندی نمود. از سویی دیگر خود آلیاژ فلزی به دو دسته آهنی (آلیاژهایی که بر پایه آهن هستند) و غیرآهنی (آلیاژهایی که بر پایه فلز آهن نیستند) تقسیم می گردد.

تسمه آهن

ناودانی آهن

آلیاژ فلزی

آلیاژهای فلزی براساس فلز پایه‌ آن‌ها به دو دسته آهنی و غیرآهنی تقسیم می شوند.

آلیاژ آهنی

آلیاژهای آهنی به آن دسته از آلیاژها گفته می‌شود که پایه اصلی و اساسی آن‌ها آهن است. این آلیاژها در تولید انواع فولاد و چدن به کار برده می‌شوند. عناصری که به طور معمول در ساخت آلیاژهای آهنی به کار برده می‌شوند منگنز، آلومینیوم و سیلسیم هستند. امروزه تولید آلیاژهای آهنی به عنوان یک ماده استراتژیک در جهان اهمیت بسیاری دارد و در حال حاضر بزرگترین تولیدکننده‌های آلیاژهای آهنی در جهان کشورهای چین، آفریقای جنوبی، روسیه و هند هستند.

در جدول زیر نام مهم‌ترین آلیاژهای آهنی را مشاهده می‌کنید:

آلیاژ غیرآهنی

آلیاژهای غیرآهنی، آلیاژهایی هستند که فلز پایه‌‌ آن ها آهن نیست و به جای آهن از فلزاتی مانند نیکل، کروم، مس، آلومینیوم استفاده می‌شود. این نوع از آلیاژها به دلیل مقاومت بالا در برابر حرارت و اکسایش در صنایع مختلفی همانند خودروسازی و هوافضا کاربرد بسیاری دارند. از معروف‌ترین آلیاژهای غیرآهنی می‌توان برنج و برنز را نام برد که هزاران سال پیش کشف شدند.

آلیاژ غیرفلزی

اصولاً به آن دسته از آلیاژهایی که عناصر غیرفلزی را در خود جای داده‌اند، آلیاژهای غیرفلزی گفته می‌شود. امروزه آلیاژهای غیرفلزی نیز کاربردهای بسیاری دارند. به عنوان مثال سیلیکون یک جز مهم برای بسیاری از آلیاژهای غیرفلزی است. سیلیکون معمولاً به عنوان یک ترکیب ضدزنگ در آلیاژ به کار برده می‌شود. همچنین سیلیکون باعث افزایش مقاومت فلزات می‌شود و می‌تواند دمای ذوب را هم کاهش دهد. کربن نیز یکی دیگر از عناصر غیرفلزی است که برای ساخت آلیاژها به کار برده می شود.

سوپر آلیاژ یا ابرآلیاژ چیست؟

سوپر آلیاژ یا به عبارت دیگر آلیاژ با کارایی بالا، در واقع آلیاژی است که توانایی عملکرد در محدوده‌های دمایی بالاتر از دمای ذوب خود را دارند و معمولاً بر پایه نیکل، کبالت یا آهن ساخته می‌شوند. یکی از مهم‌ترین کاربردهای سوپرآلیاژها استفاده در محیط‌هایی با دمای بسیار بالا است. به عنوان مثال بعضی از سوپر آلیاژها در گرم‌ترین بخش‌های موتورهای جت و موشک که دما به ۱۲۰۰ تا ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد، استفاده می‌شوند.

معروف‌ترین انواع سوپر آلیاژها

از نمونه‌های برتر سوپر آلیاژها می توان به آلیاژهای هستلوی، اینکونل، وسپلوی، رنه، اینکولوی، MP98T، آلیاژهای TMS و آلیاژهای تک کریستال CMSX اشاره نمود. امروزه آلیاژها در بسیاری از صنایع مهم و حساس مثل انرژی هسته‌ای، موشک سازی و هوافضا به کار برده می‌شوند.

آلیاژ هستلوی چیست؟

هستلوی در واقع نام یک خانواده سوپرآلیاژی بر پایه نیکل است. این سوپر آلیاژ دارای غلظت بالای کروم و مولیبیدن می باشد. از آنجا که مقاومت هستلوی در برابر خورندگی بسیار زیاد است (به خصوص نسبت به اسیدهای قوی)، کاربردهای زیادی در زمینه مهندسی شیمی دارد. همچنین از جمله مهم‌ترین ویژگی‌های هستلوی مقاومت در برابر حرارت و خوردگی است که همین ویژگی ها باعث شده است این آلیاژ در صنایع خاصی کاربرد گسترده ای داشته باشد.

از آلیاژ حافظه دار چه می دانید؟

آلیاژهای حافظه دار، فلزاتی هستند که حتی اگر در دمایی کمتر از دمای معین تغییر شکل دهند، به سادگی با حرارت دادن به شکل اولیه خود، قبل از تغییر شکل باز می گردند. آلیاژهایی با این ویژگی غیرمعمول به عنوان مواد کاربردی در حسگرهای دما، محرک ها و وسایل گیره­ای شکل استفاده می شوند.

این آلیاژ همچنین دارای کیفیتی به نام فوق الاستیسیته هستند. مانند پلاستیک، هنگامی که خم یا کشیده می شود، با حذف نیروی تغییر شکل به ظاهر اولیه خود باز می گردند. این ویژگی بازیابی شکل، در لوازم الکتریکی و الکترونیکی و در زمینه پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد.

در حال حاضر چندین نوع آلیاژ با چنین ویژگی های حافظه دار و فوق الاستیسیته وجود دارد، اما آلیاژهای نیکل-تیتانیوم( Ni-Ti) بهترین عملکرد بازیابی شکل، دوام و مقاومت در برابر خوردگی را دارند.

آلیاژ چه کاربردی دارد؟

همانطور که اشاره شد آلیاژها خواص متفاوت تری نسبت به فلز خالص دارند. همین موضوع باعث شده است تا کاربردهای گسترده تری نیز داشته باشند. نکته مهم این است که برای هر کاربردی، آلیاژی در نظر گرفته می‌شود که مناسب‌ترین طیف خواص را داشته باشد. در ادامه زمینه های کاربرد بعضی از شناخته‌شده‌ترین آلیاژ‌ها آورده شده است.

پرکاربردترین فلزات آلیاژی کدامند؟

امروزه انواع مختلفی از آلیاژها تولید و روانه بازار می‌شوند. همانطور که اشاره کردیم آلیاژها براساس ترکیبات خود، کاربردهای مختلفی در صنایع دارند. اما بعضی از انواع آلیاژها شناخته‌شده‌تر هستند و کاربردهای بیشتری نسبت به سایرین دارند. چنان چه ممکن است نه تنها در صنایع و کارخانه‌های بزرگ بلکه در زندگی روزمره ما نیز استفاده شوند. در جدول زیر برخی از رایج‌ترین و پرکاربردترین آلیاژها و ترکیبات ساختاری‌ آن ها را مشاهده خواهید کرد.

سخن پایانی

همانطور که در این مقاله اشاره شد، آلیاژها یک گروه مهم از تولیدات صنعتی هستند که کاربردهای وسیعی دارند. مهم‌ترین خاصیت آلیاژها این است که دارای ویژگی‌های تقویت ‌شده هستند و می‌توانند در برابر عواملی مثل ذوب، خوردگی و اکسایش مقاومت بیشتری نسبت به فلز خاص داشته باشند. آلیاژها به طور کلی به دو دسته آهنی و غیرآهنی تقسیم می‌شوند که هرکدام دارای خواص منحصر به فردی هستند. به طور کلی می‌توان گفت آلیاژها امروزه به ما کمک کرده‌اند محصولات باکیفیت‌تری داشته باشیم.