منیزیم فلز منیزیم با درجه خلوص بیش از 8/ 99 درصد از نظر تجاری به سهولت فلز منیزیم با درجه خلوص بیش از 8/ 99 درصد از نظر تجاری به سهولت قابل دسترس است اما در کارهای مهندسی به ندرت بدون آلیاژشدن با فلزات دیگر مورد استفاده قرار می گردد. ساختار شبکه ای هگزاگونال دارد که با توجه به اندازه اتمی آن امکان تشکیل محلول جامد با طیف وسیعی از عناصر متفاوت را فراهم می آورد. فلز منیزیم ظرفیت damping بالایی را دارا می باشد. مدول الاسیسته آن E=44.7Gpa می باشد. قطر اتمی فلز 0.32 nm است ، که از عوامل موثر و مطلوب در انحلال عناصر متنوع در منیزیم است. بجز کادمیم که تشکیل محلول جامد کامل در منیزیم به ازاء تمام مقادیر کادمیم می دهد، سایر عناصر بصورت محدود در منیزیم حل می شود .

مزاياي منيزيم و آلياژهاي آن كمترين چگالي در بين فلزات استحكام بالا قابليت ماشينکاري بسيار بالا قابليت ريخته گري (مناسب براي ريخته گري تحت فشار) هدايت حرارتي بسيار بالا قابليت تراشكاري و فرز كاري قابليت جوشكاري خوب تحت شرايط كنترل شده مقاومت خوردگي بالا با استفاده از منيزيم خالص تر دارا بودن نسبت عالي استحکام به وزن مقاومت خزشي بسيار خوب در دسترس بودن

معايب منيزيم و آلياژهاي آن مدول الاستيسيته پايين هزينه بالا پتانسیل الکتریکی پایین قابليت کار سرد ضعيف ( بايد به صورت ريختگي و يا گرم کار مورد استفاده قرار گيرد) shrinkage (از عيوب ريخته گري) زياد در انجماد استحكام و مقاومت خزش محدود در دماهاي بالا واكنش پذيري شيميايي بالا در برخي موارد مقاومت به خوردگي پايين حلاليت المان هاي آلياژي در منيزيم و بهبود خواص مكانيكي و شيميايي به اين روش محدود میشود ساختار hexagonal و محدوديتductility ذاتي (فقط ليتيم باعث تغيير فاز به BBC )

آلياژهاي منيزيم

آلياژهاي منيزيم به طور کلي آلياژهاي منيزيم به دو دسته تقسيم بندي مي شوند: 1- Cast alloys 2- Wrought alloys

نمادگذاری آلیاژهای منیزیم قاعده بین المللی خاصی برای نماد گذاری و معرفی آلیاژهای منیزیم وجود ندارد. در سیستم اقتباسی از ASTM : دو حرف اول نشان دهنده عناصرآلیاژی اصلی برطبق نمادگذاری زیراست : A : آلومینیوم ، B:بیسموت ، C:مس ، D:کادمیم ، E: عناصر کمیاب خاکی ، F :آهن ، G:منیزیم ، H:توریم ، K:زیرکونیوم ، L: لیتیم ، M:منگنز ، N:نیکل ، P:سرب ، Q:نقره ، R:کروم ، S:سیلیسیم ، T:قلع ، W:ایتریم ، R:آنیموان ، Z:روی حرف اول نشان دهنده عنصری است که درصد آن در آلیاژ حداکثر می باشد. و اگر مقدار عناصر برابر باشد ، حروف بر طبق ترتیب الفبایی مرتب می شود. به دنبال حروف یک سری اعداد آورده می شوند که نشان دهنده ترکیب اسمی عناصر آلیاژی اصلی برحسب درصد وزنی است که به نزدیک ترین عدد صحیح گرد شده اند. محدودیت نماد گذاری فوق اینست که اطلاعات مربوط عناصر دیگر را که افزوده شده اند ، را در اختیار نمی گذارد. برای مثال :AS41 ( Mg - 4.4Al - 1Si - 0.3Mn)

ذوب و ریخته گری ذوب منیزیم هم به منظور آلیاژسازی و هم طی مراحل پالایش و تصفیه پیش از تولید قطعات ریختگی یا کارپذیر ، در بوته هایی از جنس فولاد نرم ذوب می شود . برخلاف آلومینیوم لایه اکسید، روی منیزیم مذاب ، فرآیند اکسیداسیون را تسریع می کند. ذوب در دمای 650 درجه یا کمتر از آن کامل میشود ، و سرعت اکسیداسیون سطح فلز با افزایش دما سریعا افزایش می یابد به نحوی که در دمای بالای 850 درجه ، سطح قرار گرفته در معرض هوا ، بلافاصله مشتعل می گردد. پس هنگام کار با مذاب منیزیم و آلیاژهای آن باید از فلاکس های مناسب یا اتمسفر خنثی استفاده نمود. فلاکس ها شامل : کلریدها و فلوریدها ، فلزات قلیایی و قلیایی خاکی و برخی اکسید های خنثی می باشد.

فلاکس ها فلاکسها در مرحله ذوب به دو صورت نازک و ضخیم (با توجه به شرایط) روی سطح مذاب (در مرحله ذوب )قرار گرفته و متشکل از کلریدها مانند: MgCl2,KCl,NaCl می باشد ودر برخی حالات حاوی مخلوطی از CaF2,MgF2,MgO است. پیش از ریخته گری ، مذاب بهم زده شده تا اکسیدها و کلریدهای معلق در مذاب که بوسیله فلاکس ایجاد شده است ، خارج شود . بویژه خارج کردن کلریدها بدلیل اثر منفی آنها روی مقاومت به خوردگی منیزیم وآلیاژهای آن ضروری است . برخی کلریدها مانند ، MgCl2 جاذب شدید رطوبت هستند و همین امر اثر خورندگی آنها را در صورت قرار گرفتن در معرض هوا (اتمسفر) به مراتب تشدید می کند. معمولا در طی ذوب ریزی ، برای کاهش اکسیداسیون ، گوگرد بر روی مذاب می پاشند.

همانند آلومینیوم ، تنها گازی که در منیزیم مذاب حل میشود ، هیدروژن است. منبع اصلی هیدروژن ، بخار آب حاصل از فلاکس های مرطوب و یا قراضه و شمش های زنگ زده می باشد. در آلیاژهای Mg-Al وMg-Al-Zn مک های گازی ایجاد می کند. و این آلیاژها بوسیله کلر(Cl) گاز زدایی می شوند . درجه حرارت بهینه گاز زدایی 750-725 درجه است . در آلیاژ های زیرکونیم دار معمولا مک های گازی ایجاد نمیشود زیرا هیدروژن بصورت ZrH2 خارج می شود و لذا گاز زدایی از آلیاژهای زیرکونیم دار لزومی ندارد.

ریخته گری ریخته گری تحت فشار : اکثر قطعات ساخته شده از آلیاژ منیزیم ، از این طریق تولید می شود. که به دو طریق است: 1) بامحفظه سرد : 2) با محفظه گرم : برای قطعات بزرگ و تزریق فلز مذاب با وزن 10Kg و بیشتر در کمتر از 100ms با فشار 1500 بار ریخته گری کوبشی(Squeeze casting) : برای تهیه قطعاتی با کیفیت بالاترمورد استفاده قرار میگیرد. ریخته گری تلاطمی(Thixotropic casting) : این فرآیند تولید محصولاتی ریز دانه با کیفیت بالا را بسیار ارزانتر می کند. ریخته گری ماسه ای : شرایط لازم: 1)افزودنی های مناسب بمنظور جلوگیری از واکنش بین مذاب منیزیم و رطوبت که موجب آزاد شدن هیدروژن می گردد، اضافه گردد. 2) برای کاهش میزان اکسیداسیون ، جریان فلز باید تا حدامکان آرام باشد. 3) به منظور خروج هوا ، باید ماسه از نفوذ پذیری بالایی برخوردار بوده و قالب به خوبی منفذ گذاری شده و راههای خروج گاز از قالب به خوبی تعبیه شود. 4) به دلیل پایین بودن ظرفیت گرمایی منیزیم ، استفاده از تغذیه بزرگتر جهت بدست آوردن قطعه سالم ضروری است.

پروسه ريخته گری منيزيم

آلیاژهای ریخته گری فاقد زیرکونیم آلیاژهایی برپایه سیستم منیزیم – آلومینیوم(Mg-Al) : این سیستم اساس پرمصرف ترین آلیاژهای ریختگی منیزیم را تشکیل داده است. حاوی 8-9% Al که باعث ریزدانه شدن میشود ، مقادیر کمی روی(Zn) که باعث افزایش خواص کششی می گردد. منگنز (Mn)، که مقاومت به خوردگی را افزایش می دهند، افزایش 1% کلسیم مقاومت خزشی(خزش عمدتا به دلیل لغزش مرز دانه است) را زیاد کرده و آلیاژ را مستعد ترک گرم می کند. افزایش سیلیسیم (Si) و کاهش درصد آلومینیوم ، خواص خزشی را بهبود می بخشد. مثال : AZ63(Mg-6Al-3Zn-0.3Mn) و AZ91(Mg-9Al-1Zn-0.2Mn) این آلیاژ مستعد انقباض میکروسکوپی است و لذا برای بدست آوردن کیفیتی یکنواخت بایستی دقت کرد.

نمودار فازی Mg-Al

آلیاژهای ریخته گری فاقد زیرکونیم آلیاژهای منیزیم-روی (Mg-Zn): این آلیاژها قابلیت پیر سختی دارند اما ریزدانه کردن با اعمال فوق تبرید یا تلقیح در آنها موثر نیست و نیز امکان بروز مکهای ریز در آنها وجود دارد. پس این آلیاژ ها برای قطعات تجاری مورد استفاده قرار نمی گیرد. آلیاژهای منیزیم –روی –مس (Mg-Zn-Cu) : افزودن مس به آلیاژهای Mg-Zn ، باعث بهبود قابل توجه شکل پذیری و موثرتر شدن عملیات پیرسازی می گردد. این آلیاژها برای قطعاتی که در آنها استحکام بالا مهم است ، دارای مزیت های قابل ملاحظه ای باشند و امکان یافتن کاربردهای ویژه برای آنها در صنایع خودرسازی وجود دارد . این قطعات با استفاده از روش استاندارد تنگستن-گاز خنثی قابل جوشکاری هستند. .مانند: ZCM630(Mg-6Zn-3Cu-0.3Mn)

آلیاژهای ریختگی زیرکونیم دار حداکثر حلالیت زیرکونیم (Zr) در منیزیم 0.6% می باشد. چون آلیاژهای Mg-Zr برای مصارف تجاری استحکام کافی ندارند ، افزودن آلیاژی دیگر به آنها ضروری است. انتخاب عناصر افزودنی تحت تاثیر سه عامل اصلی است: سازگاری با زیرکونیم ویژگیهای ریخته گری خواص مطلوب آلیاژ : الف) بهبود خواص کششی شامل تنش تسلیم و استحکام کششی و همچنین ب) افزایش مقاومت خزشی که دو هدف اصلی بخصوص در صنایع هوا وفضا است.

آلیاژهای ریختگی زیرکونیم دار آلیاژهای منیزیم-روی –زیرکونیم (Mg-Zn-Zr): قابلیت زیرکونیم برای جوانه زنی وجود دارد، ولی امکان بروز مک های ریز و غیر قابل جوشکاری می باشد. برای مثال آلیاژ ZK51(Mg-4.5Zn-0.7Zr) آلیاژهای منیزیم- عناصر خاکی نادر-روی –زیرکونیم (Mg-RE-Zn-Zr): منیزیم با تعدادی از عناصر خاکی نادر (RE) محلول جامد تشکیل داده و همین رسوبات و نیز بواسطه حضور فازهای ثانویه در مرز دانه ها ، لغزش در مرز دانه ها محدود می گردد. Zr باعث جوانه زنی بهتر و روی (Zn) باعث افزایش استحکام می گردد.

آلیاژهای ریختگی زیرکونیم دار آلیاژهای منیزیم- توریم (Mg-Th): افزودن توریم باعث افزایش مقاومت خزشی آلیاژ و مانند عناصر نادر خاکی خواص ریخته گری را بهبود می بخشد. این آلیاژها قابل جوشکاری می باشند. با وجود کاربرد آنها در انواع موشک ها وفضاپیما ها امروزه بدلیل ملاحظات زیست محیطی به تدریج کنار گذاشته شده است. آلیاژهای منیزیم- نقره (Mg-Ag): خواص کششی بهتری داشته و نسبتا گرانقیمت می باشد. بیشترین کاربرد این آلیاژها QE22(Mg-2.5Ag-2RE(Nb)-0.7Zr) که در برخی کاربردهای هوا و فضا مانند پوسته جعبه دنده و اتصالات روتور هلیکوپتر استفاده می شود . آلیاژهای منیزیم-ایتریم (Mg-Y): در آلیاژی حاوی تقریبا 6% ایتریم ، 2% نئودیمیم حداکثر استحکام توام با شکل پذیری کافی حاصل می شود و اولین آلیاژ تجارتی از این نوع WE54( Mg-5.5Y-3.6RE(1.5-2Nd)-0.45Zr ) می باشد.

آلیاژهای کارپذیر منیزیم ساختار هگزاگونال منیزیم باعث ایجاد محدودیت هایی در مقدار تغییر شکل قابل اعمال بر روی منیزیم ، بویژه در دماهای پایین می گردد. تولید قطعات کارپذیر آلیاژهای منیزیم معمولا از طریق کار گرم صورت می گیرد. قطعات کارپذیر عمدتا بوسیله اکستروژن ، نورد و آهنگری دردمایی در محدوده 350-300 درجه تولید می شود. آلیاژهای کارپذیر را می توان حاوی یا فاقد زیرکونیم دانست ولی این آلیاژها را با توجه به شکل محصول کار تقسیم بندی می کنند: آلیاژ های مورد استفاده در تولید ورق و صفحه : نخستین آلیاژهای ورق ، آلیاژ AZ31(Mg-3Al-1Zn-0.3Mn) میباشد که هنوز پر مصرف ترین آلیاژ منیزیم در دمای اتاق یا کمی بالاتر از آن است. آلیاژ ZE10 (Mg-1.2Zn-0.2RE) از بین آلیاژهای منیزیم دارای بالاترین چقرمگی است. سیستم Mg-Li ، بعنوان مبنایی برای تولید ورق ها و صفحات خیلی سبک توجه زیادی را به خود معطوف کرده است.

آلیاژهای اکستروژن : طیف وسیعی از آلیاژهای قابل اکستروژن مورد استفاده در صنعت شامل Mg-Al-Zn با 8-1درصد آلومینیوم ، می باشد که مقاومترین آنها AZ81(Mg-8Al-1Zn-0.7Mn) بوده و در صورتی که پس از ساخت عملیات حرارتی شود تا حدی قابل پیر سختی خواهد بود. آلیاژهای ZK21,ZM21 برای مواردی که سرعت اکستروژن بالایی (4m/min) مد نظر است ، بطور چشمگیری مورد استفاده قرار می گیرد. در دماهای بالا از آلیاژهای توریم دار مانند HK31,HM31 برای قطعاتی که در آنها مقاومت به خزش تا دمای 350 درجه موردنیاز است بکار میرود. آلیاژهای آهنگری : بخش نسبتا کوچکی از محصولات کار شده منیزیم را تشکیل می دهند. معمولا زمانی که قطعه ای سبک با شکل پیچیده و استحکامی بیش از استحکام قطعات ریختگی لازم است استفاده می گردد. برای کاربرد در دماهای بالا از آلیاژهایHM21 استفاده می شود. معمولا لقمه فورج را به منظور ریزدانه کردن ساختار قبلا اکسترود می کنند.

جنبه های الکتروشیمیایی خوردگی و محافظت: در دمای 25 درجه منیزیم بطور معمول نسبت به پتانسیل الکترودی هیدروژن(صفر) دارای پتانسیل الکترودی 3/2- ولت است که آنرا در مکانی بالا در سری الکتروشیمیایی قرار می دهد. نرخ خوردگی منیزیم ، کمتر از فولاد نرم و بیشتر از آلومینیوم است. پس از قرار گرفتن آلیاژ به مدت طولانی در محیط خورنده ، سطح به سرعت و سهولت تیره شده و تا حدودی زبر خواهد شد. برخلاف برخی آلیاژهای آلومینیوم ، منیزیم و آلیاژهای آن از خوردگی بین بلوری مصون هستند زیرا مراکز دانه ها معمولا نسبت به مناطق مرز دانه ، بصورت آند عمل می کنند. منیزیم توسط همه اسیدهای معدنی به استثنای اسید کرومیک و اسید هیدروفلوئوریک به آسانی مورد حمله شیمیایی قرار می گیرند.(در اسید هیدروفلوئوریک به دلیل تشکیل لایه محافظی از MgF2 برسطح منیزیم از ادامه خوردگی جلوگیری می شود) . منیزیم در مقابل محلولهای قلیایی با PH بالاتر از 5/10 که معادل شرایط اشباع Mg(OH)2 می باشد بسیار مقاوم خواهد بود. وجود یون های کلرید ، سولفات و نیترات در محلولهای آبی ، حمله سریع به منیزیم را افزایش میدهد.

جنبه های الکتروشیمیایی آلیاژهای اولیه منیزیم در معرض ناخالصیهای نجیب تر بویژه آهن ، نیکل و مس در محیط های مرطوب در معرض خوردگی سریع قرار می گیرند. هریک از این عناصر یا ترکیباتی که تشکیل می دهند ، در حضور ماده خورنده بعنوان کاتدهای بسیار کوچک عمل کرده و در حضور زمینه منیزیم که نسبت به آنها آندی است ، سلول میکروگالوانیک بوجود می آورند. مضرات بالقوه آهن با افزودن منگنز بصورتMnCl2) ) به مذاب کاهش می یابد. در برخی آلیاژ های منیزیم احتمال خوردگی تنشی (SCC) وجود داشته و مخصوصا در محلول های کرومات و کلرید تشدید می شود، که در این رابطه آلیاژهای Mg-Al ، مورد توجه خاص قرار گرفته است . ترک ناشی از خوردگی معمولا درون دانه ای می باشد. آلیاژهای زیرکونیم دار کمتر در معرض خوردگی تنشی بوده و SCC ، فقط تحت تنش های نزدیک به تنش تسلیم آلیاژ مربوطه اتفاق می افتد. احتمال بروز خوردگی تنشی (SCC ) در قطعات کار شده ، بیش از قطعات ریختگی است. و بهتر است قطعاتی را که در معرض خورنده های بالقوه قرار دارند ، تنش زدایی نمود.

روش های حفاظت منیزیم آندایزینگ فلوئوریدی: با جریان متناوب و تا 120V در حمامی با 25% دی فلوئوریدآمونیم عملیات شیمیایی اکسیدزدایی و تبدیل پوشش اکسیدی: قطعات را در محلول کرومات فرو برده که در اثر آن سطح تمیز گشته و از طریق تشکیل لایه ای از Mg(OH)2 و ترکیبی از کروم تا حدودی غیر فعال خواهد شد. آندایزینگ الکترولیتی: در نتیجه عملیاتی خاص پوششی سخت و سرامیکی مانند بر روی آلیاژ ایجاد می گردد علاوه بر حفاظت در برابر خوردگی ، مقاومت به سایش را نیز بهبود می بخشد. آب بندی با رزین های اپوکسی رنگ های استاندارد لعاب دهی شیشه ای: در مورد آلیاژهایی که دمای انجماد آنها زیاد پایین نمی باشد. پوشش دادن الکتریکی : پس از مراحل متعدد تمیز کاری سطح انجام می گیرد. نکته******************************************************************************** حفاظت کاتدی: منیزیم بعنوان آند عمل کرده و بصورت فداشونده مصرف می شود و به این ترتیب از فلزاتی مانند فولاد محافظت می کند. بعنوان مثال در بدنه کشتی ها، خطوط لوله و تیرهای فولادی و آبگرمکن و .. بکار می رود.

ساخت قطعات منیزیم ماشینکاری : منیزیم در بین تمام مواد سازه ای دارای بیشترین قابلیت ماشینکاری است. معمولا بصورت خشک ماشینکاری میگردد اما در مواردی که سرعت برشی بسیار بالا باشد بدلیل امکان احتراق تراشه های ریز ، بکارگیری خنک کننده الزامی است. برای خنک کاری می بایست از روغن های معدنی استفاده کرد، زیرا امکان واکنش شیمیایی خنک کننده های آب دار با تراشه وجود دارد. آلیاژهای منیزیم را می توان با اسیدشویی در اسید سولفوریک 5% یا محلول های رقیقی از HNO3 یا HCL بطور شیمیایی ماشینکاری یا فرزکاری کرد. برخی آلیاژها مانند AZ31 برای حکاکی مناسب است.

ساخت قطعات منیزیم اتصال (جوشکاری ) منیزیم و آلیاژهای آن: در حال حاضر جوشکاری منیزیم با استفاده از فرآیند جوشکاری با قوس تنگستن تحت محافظت گاز بی اثر (TIG) ویا الکترود مصرف شونده (MIG) ، انجام می گیرد. جوشکاری بر روی هر دو نوع قطعات ، ریختگی و کارشده آلیاژهای منیزیم قابل انجام است. جوشکاری نقطه ای و دیگر روشهای جوشکاری مقاومتی ، را می توان در موارد معدودی بکار گرفت. برای کاهش ترک های ناشی از جوشکاری در حین انجماد بایستی قبل از جوشکاری ، پیش گرم و بعد از آن عملیات تنش گیری را انجام داد.

کاربرد آلیاژهای منیزیم کاربردهای مهم این آلیاژها به ریخته گری موتورهای ، پوسته های جعبه دنده ، بویژه در هلیکوپتر ها محدود شده است. كاربرد در خودرو سازي -مزايا:كاهش وزن خودرو- كاهش مصرف سوخت- كاهش آلودگي هاي محيطي عيب : نقطه ذوب پايين منيزيم كه با آلياژ كردن بر طرف مي شود.

Gear box housing Steering wheel frame Sealing flange Steering column lock housing Gear box-Seat movement

كاربرد هاي ديگر آلياژ هاي منيزيم : صنايع هوا فضا communication engineering Screen Housing Unit for Mobile Handset

نرخ توليد در قرن بيستم :