آلیاژ چیست و چه کاربردهایی دارد؟

آشنایی با آلیاژ یکی از تأثیرگذارترین اکتشافات انسان‌ها بود، چراکه به آن‌ها اجازه داد تا فلزات را مقاوم و پرکاربرد کنند و به ساخت قطعات و ابزارهایی بپردازند که پیش‌ازاین کشف، تولید آن‌ها غیرممکن بود. جالب اینجاست که در این روزها، آلیاژها آن‌قدر گسترده و پیچیده شده‌اند که به‌سختی می‌توانیم دربارهٔ کلیت آن‌ها صحبت کنیم؛ بااین‌حال، ما قصد داریم در این مقاله به معرفی معنای آلیاژ و لزوم استفاده از این ترکیبات صحبت کنیم. علاوه بر این، در بخش پایانی مطلب، انواع پرکاربرد ورق‌های فلزی تولیدشده با این روش را بررسی نماییم.

 

آلیاژ چیست؟

این واژه اصطلاحاً به معنای آن دسته از فلزات است که با ترکیب‌کردن چندین عنصر فلزی و شیمیایی تولید می‌شوند؛ زمانی درک بهتری از این مسئله خواهیم داشت که بدانیم فلزات در بستر طبیعت، میزان ناخالصی‌های گوناگونی دارند. به‌عنوان‌مثال، زمانی که سنگ‌آهن وارد عملیات‌های حرارتی گوناگون می‌کنیم، قصد داریم ناخالصی‌های موجود را از بین ببریم و آهن را به بالاترین درصد خلوص خود برسانیم.

حالا دربارهٔ آلیاژ، کاملاً برعکس عمل می‌کنیم و به‌جای ایجاد یک فلز با درصد خلوص بالا، آن را با چندین عنصر شیمیایی ترکیب می‌کنیم و این ترکیب در بعضی موارد، تا جایی پیش می‌رود که درصد ناخالصی فلزات به بیش از ۴۰ درصد می‌رسد.

عناصر فلزی باتوجه‌به اینکه از چند عنصر شیمیایی و چند درصد ناخالصی ایجاد شده‌اند، به دو گروه کلی زیر تقسیم می‌شوند:

  • فلز کم‌آلیاژ:

درصد خلوص در این دسته از محصولات فلزی بسیار زیاد است، تاحدی‌که عناصر شیمیایی غیر پایه حدود ۱ تا ۵ درصد از کل ترکیب فلز را تشکیل می‌دهند؛ فلزاتی مانند طلا و نقره که جزو محصولات گران‌قیمت به‌حساب می‌آیند، معمولاً در این دسته قرار می‌گیرند.

  • فلز پرآلیاژ:

این گروه بر خلاف دستهٔ قبلی، دربرگیرندهٔ عناصر شیمیایی فراوانی هستند و در برخی موارد این عنصرها تا ۴۰ درصد از کل ترکیبات را شامل می‌شوند. بهترین مثالی که می‌توانیم برای این دسته ذکر کنیم، نمونه‌های مشهور به استیل ضدزنگ یا استنلس‌استیل هستند که زیرمجموعهٔ فولادها به‌حساب می‌آیند اما عناصر گوناگونی را مانند سیلیسیم، کروم، نیکل، کربن، گوگرد، فسفر و منگنز در خود جای داده‌اند.

چرا باید از آلیاژها استفاده کنیم؟

در بخش قبلی بیان کردیم که اهل صنعت هزینه‌های کلانی را صرف می‌کنند تا فلزات را به کمترین میزان ناخالصی خود برسانند، پس چرا بعد از آن، باید مجدداً این عناصر را با عنصرهای دیگر بیامیزند و باعث ایجاد محصولاتی گوناگون با درصدهای ناخالصی متفاوت بشوند؟ نکته اینجاست که تفاوت عمدهٔ آلیاژها با سایر عناصری ترکیبی که در طبیعت قرار دارند، هوشمندانه بودن ترکیبات است. متخصصان با آگاهی به اینکه عنصر X موجب افزایش خاصیت N در فلز Y می‌شود، این ترکیب را عملی می‌کنند و برای وجود هر عنصر شیمیایی در آلیاژ یک فلز، دلیلی علمی و قانع‌کننده دارند.

عناصر شیمیایی به شکل کلی، برای افزایش خواص فلزات خالص به کار می‌روند و تاثیرهای درمانی و بهبوددهنده دارند؛ جالب است بدانید که بسیاری از فلزات در حالت غیرترکیبی آن‌قدر نرم و منعطف هستند که امکان تولید هیچ قطعه‌ای را ندارند. برای مثال، اگر کارشناسان مقداری ناخالصی به فلزات گران‌بها مانند طلا، طلای سفید یا نقره اضافه نکنند، به‌هیچ‌وجه امکان ساخت انواع جواهرآلات از این عناصر میسر نمی‌شود.

این مسئله آن‌قدر مهم و تأثیرگذار است که به‌جرئت می‌توانیم بگوییم بخش زیادی از فلزات پیرامون ما (بیش از ۹۰ درصد) با ترکیب چندین عنصر فلزی ایجاد شده‌اند و یک آلیاژ به‌حساب می‌آیند.

 

آلیاژ چگونه ساخته می‌شود؟

تکنولوژی‌ها، ابزارها و روش‌های گوناگونی برای ترکیب کردن عناصر فلزی و ایجاد یک فلز ترکیبی وجود دارد و هر کارخانه، با توجه با سطح تکنولوژی و امکانات خود، یکی از این شیوه‌ها را برمی‌گزیند. برای آنکه با فرایند کلی ساخت فلزات ترکیبی گوناگون آشنایی بیشتری پیدا کنیم و پاسخ دقیق‌تری به پرسش “آلیاژ چیست” به دست دهیم، در این بخش روش جداسازی ناخالصی‌ها از آهن و پس از آن، ترکیب عناصر شیمیایی با آن و ساخت فولاد را در چند مرحله دنبال می‌کنیم.

مرحلهٔ اول: جداسازی ناخالصی‌ها؛

پس از آنکه سنگ‌آهن وارد بخش‌های ابتدایی نورد شود و با طی‌کردن یک مسیر طولانی، از کورهٔ بلند خارج شود، محصول به‌دست‌آمده که درصد زیادی آهن را در خود جای داده است، “چدن” نام می‌گیرد؛ این محصول دارای ناخالصی‌های گوناگون و عناصری مانند سیلیسیم، فسفر، کربن و منگنز است.

وظیفهٔ اصلی متخصصان در این مرحله، انجام عملیات‌های حرارتی گوناگون، برای خارج کردن تک‌تک این ناخالصی‌ها از چدن و آماده‌سازی آن برای تولید فولاد است. فرایند با گرمادهی آغاز می‌شود و جالب اینجاست که با تبدیل‌شدن چدن به مذاب، منگنز، فسفر، سیلیسیم و گوگرد به اکسید تبدیل می‌شوند و از ترکیبات خارج می‌شوند؛ همچنین در مواردی که هنوز درصد خاصی از این عناصر در ترکیب نهایی وجود داشته باشند، کارشناسان چندین عنصر تسهیل‌کننده یا اصطلاحاً “کمک‌ذوب” مانند اکسید منیزیم یا کلسیم را به آلیاژ اضافه می‌کنند تا خروج ناخالصی‌ها سریع‌تر انجام شود.

در بخش بعدی، مواد مذاب وارد یک کورهٔ روباز می‌شوند و فرایند تصفیه آغاز می‌شود؛ در طی این فرایند، درصد زیادی از ناخالصی‌ها خارج می‌شوند و آلیاژ آمادهٔ ساخت فولاد می‌شود. گفتنی است که این روش در واقع با انعکاس حرارت به مایعات، موجب ازبین‌رفتن آن‌ها می‌شود.

مرحلهٔ دوم: افزودن عناصر شیمیایی لازم

پس از آن که مراحل قبلی به شکل کامل انجام شد و درصد زیادی از ناخالصی‌ها از بین رفتند، زمان اضافه‌کردن عناصر شیمیایی ضروری و تولید فولاد فرامی‌رسد. نکته‌ای که در این مرحله باید مدنظر قرار دهیم، این مسئله است که فولاد از جهت عناصر تشکیل‌دهنده به گروه‌ها و انواع گوناگونی تقسیم می‌شود و این متخصصان هستند که بر اساس نیاز خود، باید انتخاب کنند چه میزان از عناصر شیمیایی را به آهن اضافه کنند تا محصول نهایی به وجود بیاید. جالب است بدانید که فلزات ترکیبی بر مبنای عناصر تشکیل‌دهنده، با نام‌های دوتایی، سه‌تایی، چهارتایی و … نامیده می‌شوند.

فولاد جزو آلیاژهای دوتایی به‌حساب می‌آید و دو عنصر اصلی آن، آهن و کربن هستند؛ البته نباید از یاد ببریم که از عناصر دیگری مانند سیلیسیم، منگنز، گوگرد و آلومینیوم هم در ساخت این محصول استفاده می‌شود اما این کربن و آهن هستند که دو عنصر فلزی اصلی به‌حساب می‎آیند. فولاد بر اساس میزان کربن، به سه دستهٔ زیر تقسیم می‌شود:

  • فولاد کم‌کربن با بیشینه ۰.۲۵ درصد کربن؛
  • فولاد متوسط کربن با بیشینه ۰.۵۵ درصد کربن؛
  • فولاد پرکربن با بیش از ۰.۵ درصد کربن.

 

انواع آلیاژ چیست؟

در بخش‌های قبلی تلاش کردیم تا تعریفی جامع از فلزات ترکیبی و نحوهٔ ساخت آن‌ها به دست دهیم؛ در این قسمت، تمرکز خود را بر روی بررسی انواع پرکاربرد فلزهای تولیدشده به شیوهٔ ترکیبی می‌گذاریم و بخشی از مشهورترین انواع آن‌ها را معرفی می‌کنیم تا در نهایت، درک بهتری از انواع آلیاژها به دست آورید.

فولاد

فولاد یکی از پرکاربردترین و گسترده‌ترین انواع آلیاژها به‌حساب می‌آید که در پیش‌بردن بازهٔ وسیعی از پروژه‌های صنعتی و غیرصنعتی به کار می‌رود. عناصر ترکیبی فولاد آن‌قدر مهم و تعیین‌کننده هستند که بدون وجود آن‌ها حتی ساخت یک خانهٔ یک طبقه‌ای هم امکان‌پذیر نخواهد بود.

معمولاً از ترکیب عناصری مانند کربن، سیلیسیم، منگنز، گوگرد و فسفر در ایجاد آلیاژ فولاد استفاده می‌شود؛ خالی‌ازلطف نیست اگر بدانید که این ترکیبات به‌منظور افزایش خواص مکانیکی و فنی فولادی انجام می‌شوند و در نهایت، ارتقادهندهٔ برخی از ویژگی‌های آن، مانند استحکام کششی و نقطهٔ تسلیم هستند. این مؤلفه‌ها دست‌به‌دست هم می‌دهند تا یک فولاد مقاوم در برابر عوامل خورندهٔ محیطی، با قابلیت جوشکاری بالا و مستحکم در مقابل حرارت را تولید کنند.

برنج

بسیاری تصور می‌کنند که برنج یک فلز معمولی است که در طبیعت هم پیدا می‌شود، درحالی‌که برنج یک آلیاژ به‌حساب می‌آید که ترکیبی از روی، آلومینیوم، قلع، منگنز، سرب با عنصر پایه و اصلی مس است؛ این ترکیبات به مس کمک می‌کنند که استحکام کششی بیشتری داشته باشد و سخت‌تر بشود تا در نهایت، امکان ساخت محصولات برنجی ایجاد شود.

برنز

برنز نیز یکی دیگر از فلزهای ترکیبی پرکاربرد است که بر پایهٔ مس تولید می‌شود. زمانی که می‌گوییم فلز X بر پایه‌ی عنصر Y تولید می‌شود یعنی بیشترین درصد تشکیل‌دهنده در این فلز، عنصر Y است و عناصر دیگر در نقش ترکیبات اضافی عمل می‌کنند. در مورد برنز، مس در نقش عنصر پایه عمل می‌کند که در کنار ترکیباتی مثل مس و قلع قرار گرفته است.

پیوتر

پیوتر فلزی ترکیبی است که با عنصر پایهٔ قلع ساخته می‌شود اما به سبب اینکه قلع بسیار منعطف است، امکان ساخت هیچ محصولی را به متخصصان نمی‌دهد؛ در نتیجه، متخصصان با اضافه‌کردن مس به این عنصر، فلز ترکیبی پیوتر را تولید می‌کنند.

طلای رز گلد یا صورتی

این عنصر فلزی که در دستهٔ آلیاژهای گران‌قیمت قرار می‌گیرد، ترکیبی از طلای بدون ناخالصی، نقره و مس است. توجه داشته باشید که بخشی از این ترکیب برای ارتقای خواص مکانیکی طلا و بخشی دیگر، برای ایجاد ظاهری زیبا، متفاوت و چشم‌نواز برای این فلز است.

 

سخن پایانی

فلزهایی که از ترکیب چندین عنصر شیمیایی تولید می‌شوند، با عنوان “آلیاژ” نامیده می‌شوند؛ این فلزها خواص و ویژگی‌های ترمودینامیک و مکانیکی بیشتری در مقایسه با عناصر فلزی خالص دارند و به همین دلیل، در ساخت قطعات صنعتی و تزئینی گوناگونی به کار گرفته می‌شوند. جالب است بدانید که بخش قابل‌توجهی از تولیدات فلزی ترکیبی موجود در دنیا، مربوط به فولاد و مشتقات آن است؛ از این عناصر ترکیبی معمولاً در ساخت ورق‌ها و محصولات فولادی دیگر استفاده می‌شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه، پیشنهاد می‌کنیم به مقالهٔ “انواع ورق آلیاژی را بهتر بشناسید” مراجعه کنید.

کلیدواژه : ورق آلیاژی