آلیاژ فلزی چیست؟ خواص، ترکیبات و فرآیند تولید + کاربردها

آلیاژها، موادی فلزی هستند که از ترکیب یک فلز پایه با یک یا چند عنصر دیگر، فلزی یا غیرفلزی، به دست می‌آیند. این ترکیب به منظور بهبود خواص فلز پایه و ایجاد ویژگی‌های مطلوب‌تر برای کاربردهای مختلف صورت می‌گیرد. به عبارت دیگر، آلیاژها حاصل یک "همکاری فلزی" هستند که در آن، هر عنصر نقشی خاص ایفا می‌کند.

مثال‌هایی از آلیاژهای پرکاربرد:

• فولاد: ترکیبی از آهن (فلز) و کربن (نافلز). فولاد به دلیل استحکام و مقاومت بالا، در ساختمان‌سازی، خودروسازی و بسیاری صنایع دیگر کاربرد دارد.
• برنز: آلیاژی از مس (فلز) و قلع (فلز). برنز به دلیل مقاومت در برابر خوردگی و سایش، در ساخت مجسمه‌ها، یاتاقان‌ها و ابزارهای موسیقی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• برنج: ترکیبی از مس (فلز) و روی (فلز). برنج به دلیل رنگ طلایی، قابلیت چکش‌خواری و مقاومت در برابر خوردگی، در ساخت شیرآلات، زیورآلات و ابزارهای دقیق استفاده می‌شود.

با ایجاد آلیاژها، می‌توان خواصی مانند استحکام، سختی، مقاومت در برابر خوردگی، رسانایی الکتریکی و حرارتی را بهبود بخشید و ماده‌ای مناسب‌تر برای کاربردهای خاص تولید کرد. این ویژگی‌ها، آلیاژها را به موادی حیاتی در صنایع مختلف تبدیل کرده‌اند.

ویژگی‌های منحصربه‌فرد آلیاژها

فلزات خالص به خودی خود می‌توانند خواص ارزشمندی مانند رسانایی الکتریکی خوب، استحکام و سختی بالا یا مقاومت در برابر حرارت و خوردگی داشته باشند. اما آلیاژهای فلزی تجاری پا را فراتر گذاشته و تلاش می‌کنند این ویژگی‌های مفید را با هم ترکیب کرده و فلزاتی ایجاد کنند که برای کاربردهای خاص، بسیار مفیدتر از عناصر تشکیل‌دهنده‌شان باشند.

برای مثال، فولاد را در نظر بگیرید. فولاد تنها با ترکیب مناسب کربن و آهن (حدود 99% آهن و 1% کربن) تولید می‌شود. این ترکیب منجر به فلزی می‌شود که نسبت به آهن خالص، قوی‌تر، سبک‌تر و قابل‌کارتر است.

محاسبه دقیق خواص آلیاژهای جدید کار آسانی نیست؛ زیرا عناصر، صرفاً به عنوان مجموعه‌ای از اجزا ترکیب نمی‌شوند. بلکه از طریق برهم‌کنش‌های شیمیایی پیچیده شکل می‌گیرند که به ترکیبات و روش‌های تولید خاص بستگی دارند. به همین دلیل، توسعه آلیاژهای فلزی جدید نیازمند آزمایش‌های گسترده است.

دمای ذوب، یک عامل کلیدی در آلیاژسازی فلزات است. به عنوان مثال، گالینستان، یک آلیاژ با نقطه ذوب پایین است که حاوی گالیم، قلع و ایندیم است. این آلیاژ در دماهای بالاتر از 2.2 درجه فارنهایت (-19 درجه سانتیگراد) مایع است. این بدان معناست که نقطه ذوب آن 122 درجه فارنهایت (50 درجه سانتیگراد) کمتر از گالیم خالص و بیش از 212 درجه فارنهایت (100 درجه سانتیگراد) کمتر از ایندیم و قلع است.

گالینستان و فلز وود (Wood's Metal) نمونه‌هایی از آلیاژهای یوتکتیک هستند - آلیاژهایی که پایین‌ترین نقطه ذوب را در میان هر ترکیب آلیاژی حاوی عناصر مشابه دارند. آلیاژهای یوتکتیک در کاربردهایی که نیاز به ذوب در دمای پایین وجود دارد، بسیار ارزشمند هستند.

ترکیب آلیاژها: استانداردهای جهانی و تنوع بی‌نهایت

امروزه، هزاران ترکیب آلیاژی به طور منظم تولید می‌شوند و هر ساله ترکیبات جدیدی نیز توسعه می‌یابند. این تنوع گسترده، آلیاژها را به موادی بسیار انعطاف‌پذیر و قابل تنظیم برای کاربردهای گوناگون تبدیل کرده است.

ترکیبات استاندارد پذیرفته‌شده، شامل سطوح خلوص عناصر تشکیل‌دهنده (بر اساس درصد وزنی) هستند. ترکیب، و همچنین خواص مکانیکی و فیزیکی آلیاژهای رایج، توسط سازمان‌های بین‌المللی مانند سازمان بین‌المللی استاندارد (ISO)، SAE International و ASTM International استانداردسازی می‌شوند. این استانداردها تضمین می‌کنند که آلیاژها دارای کیفیت و عملکرد قابل اعتمادی باشند.

تولید آلیاژها: فرآیندی ظریف و پیچیده

برخی از آلیاژهای فلزی به طور طبیعی وجود دارند و برای تبدیل شدن به مواد با درجه صنعتی، به پردازش کمی نیاز دارند. برای مثال، فروآلیاژهایی مانند فروکروم و فروسیلیسیم از ذوب سنگ معدن مخلوط تولید می‌شوند و در تولید انواع فولادها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

با این حال، اشتباه است اگر فکر کنیم آلیاژسازی فلزات یک فرآیند ساده است. به عنوان مثال، اگر کسی به سادگی آلومینیوم مذاب را با سرب مذاب مخلوط کند، متوجه خواهد شد که این دو مانند روغن و آب، به لایه‌های جداگانه تقسیم می‌شوند.

آلیاژهای تجاری و صنعتی معمولاً به پردازش بیشتری نیاز دارند و اغلب با مخلوط کردن فلزات مذاب در یک محیط کنترل شده تشکیل می‌شوند. روش ترکیب فلزات مذاب یا مخلوط کردن فلزات با غیرفلزات بسته به خواص عناصر مورد استفاده، بسیار متفاوت است.

از آنجایی که عناصر فلزی دارای تفاوت‌های زیادی در تحمل گرما و گازها هستند، عواملی مانند دمای ذوب فلزات تشکیل‌دهنده، سطوح ناخالصی، محیط اختلاط و روش آلیاژسازی، ملاحظات اساسی برای یک فرآیند آلیاژی موفق هستند.

در حالی که عناصری مانند فلزات دیرگداز در دماهای بالا پایدار هستند، برخی دیگر شروع به تعامل با محیط اطراف خود می‌کنند که می‌تواند بر سطوح خلوص و در نهایت کیفیت آلیاژ تأثیر بگذارد. اغلب در چنین مواردی، برای متقاعد کردن عناصر به ترکیب شدن، باید آلیاژهای واسطه تهیه شوند.

به عنوان مثال، آلیاژی از 95.5% آلومینیوم و 4.5% مس با تهیه ابتدا یک مخلوط 50% از این دو عنصر ساخته می‌شود. این مخلوط دارای نقطه ذوب کمتری نسبت به آلومینیوم خالص یا مس خالص است و به عنوان یک "آلیاژ سخت کننده" عمل می‌کند. سپس این مخلوط با سرعتی به آلومینیوم مذاب وارد می‌شود که ترکیب آلیاژی مناسب ایجاد شود.