آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک و مقاوم

آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک در مهندسی مدرن از اهمیت زیادی برخوردار هستند. این آلیاژها به‌ویژه در سازه‌هایی که کاهش وزن، مقاومت در برابر خوردگی و استحکام بسیار مهم است، کاربرد دارند. ترکیب منحصربه‌فرد خواص ارائه شده توسط انواع آلیاژهای آلومینیوم آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌ال برای ساخت سازه‌های سبک در صنایع مختلف از جمله هوافضا، خودروسازی، دریایی و مهندسی عمران تبدیل می‌کند. آلومینیوم به شکل خالص نسبتاً نرم و دارای استحکام محدودی است.

بااین‌حال، هنگامی که آن را با عناصری مانند مس، منیزیم، سیلیکون، منگنز یا روی ترکیب می‌کنند؛ بهبود قابل‌توجهی در خواص مکانیکی آن ایجاد می‌شود. این آلیاژها معمولاً به آلیاژهای فرفورژه و ریخته‌گری دسته‌بندی می‌شوند که بیشتر آن‌ها بر اساس سری (1xxx تا 7xxx) تقسیم می‌شوند. در این مقاله از سری مقالات نورد پارس با ما همراه باشید تا به بررسی کاربردهای آلیاژهای آلومینیوم بپردازیم.

آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک؛ انواع آلیاژهای آلومینیوم

آلیاژهای آلومینیوم در درجه اول بر اساس ترکیب و خواص مکانیکی آن‌ها طبقه‌بندی می‌شوند. یک سیستم استاندارد جهانی دسته‌بندی را توسعه داده است که در آن آلیاژهای آلومینیوم با یک عدد چهاررقمی که اولین رقم آن عناصر اصلی آلیاژی را نشان می‌دهد، مشخص می‌شوند. شناخت انواع آلیاژهای آلومینیوم به انتخاب آلیاژ مناسب برای نیازهای ساختاری خاص، عوامل متعادل‌کننده مانند استحکام، وزن، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت ساخت کمک می‌کند. مهم ترین آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک بر اساس این دسته‌بندی به موارد زیر تقسیم‌بندی می‌شوند  و کاربردها و ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود را ارائه می‌دهند.

1. سری 1xxx (آلومینیوم خالص 99%(

این دسته از آلیاژهای آلومینیوم دارای ویژگی‌هایی مانند هدایت الکتریکی بالا، مقاومت در برابر خوردگی و کارایی عالی هستند. از جمله کاربردهای آلیاژهای آلومینیوم از این سری می‌توان به مواد هادی الکتریکی، تجهیزات شیمیایی، ظروف، سطوح بازتابنده مانند آینه‌ها و وسایل روشنایی اشاره کرد. برخی از آلیاژهای این سری عبارت از AA1050 و AA1100 هستند.

2. آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک؛ سری 2xxx (آلیاژهای آلومینیوم-مس)

سری 2xxx دارای استحکام و قابلیت ماشین‌کاری خوبی هستند؛ اما مقاومت در برابر خوردگی در این آلیاژهای آلومینیوم نسبت به آلومینیوم خالص کاهش می‌یابد. این مورد از انواع آلیاژهای آلومینیوم همچنین قابلیت عملیات حرارتی را دارند. از جمله کاربردهای آلیاژهای آلومینیوم سری 2xxx می‌توان به سازه‌های هواپیما، چرخ کامیون، محصولات ماشین پیچ و… اشاره کرد. از جمله آلیا‌ژهای 2xxx می‌توان بهAA2024  (مورداستفاده در اجزای بدنه هواپیما) و AA2014 اشاره کرد.

3. سری 3xxx (آلیاژهای آلومینیوم-منگنز)

این دسته از آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک دارای ویژگی‌هایی مانند استحکام متوسط، مقاومت در برابر خوردگی خوب، شکل‌پذیری عالی هستند. این مورد از آلیاژهای آلومینیوم از قابلیت عملیات حرارتی برخوردار نیستند. از سری 3xxx در کاربردهایی مانند ظروف پخت‌وپز، سقف، سایدینگ، قوطی‌های نوشیدنی و مبدل‌های حرارتی استفاده می‌شود. آلیاژهایAA3003  (معمولاً برای کاربردهای عمومی ورق آلومینیوم) و AA3015  از جمله این سری آلیاژهای آلومینیوم هستند.

4. سری 4xxx (آلیاژهای آلومینیوم-سیلیکون)

این دسته از انواع آلیاژهای آلومینیوم دارای ویژگی‌هایی مانند سیالیت خوب در حالت مذاب و مقاومت در برابر خوردگی عالی اشاره کرد. از این سری آلیاژهای آلومینیوم به دلیل نقطه ذوب پایین در سیم‌جوش استفاده می‌شود. برخی از این آلیاژهای آلومینیوم دارای قابلیت عملیات حرارتی هستند. از کاربردهای آلیاژهای آلومینیوم سری 4xxx می‌توان به سیم‌جوش، ریخته‌گری خودرو، ورق لحیم‌کاری و… اشاره کرد. آلیاژهای AA4043  (سیم‌جوش) و AA4047  از دسته 4xxx هستند.

5. سری 5xxx (آلیاژهای آلومینیوم-منیزیم)

آلیاژهای آلومینیوم – منیزیم از جمله آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک بوده و دارای مقاومت در برابر خوردگی بالا به‌ویژه در محیط‌های دریایی هستند. این آلیاژها دارای جوش‌پذیری عالی هستند؛ اما قابلیت عملیات حرارتی ندارند. از سری 5xxx در کاربردهایی مانند کشتی‌سازی، قطعات خودرو، مخازن تحت‌فشار و مخازن برودتی استفاده می‌شود. از آلیاژهای آلومینیوم سری 5xxx مانندAA5052  در کاربردهای دریایی وAA5083  به دلیل مقاومت در برابر خوردگی آب در بدنه کشتی استفاده می‌شود.

6. سری 6xxx (آلیاژهای آلومینیوم-منیزیم-سیلیکون)

ویژگی‌های آلیاژهای آلومینیوم سری 6xxx استحکام متوسط تا بالا، اکسترودپذیری عالی، مقاومت در برابر خوردگی خوب و قابلیت عملیات حرارتی هستند. کاربرد آلیاژهای آلومینیوم سری 6xxx شامل اکستروژن‌های معماری مانند قاب پنجره، قاب کامیون، سازه‌های دریایی، قاب دوچرخه، قطعات خودرو و… هستند. برای مثال، از آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک از AA6061 و AA6063 در کاربردهای معماری استفاده می‌شود.

7. سری 7xxx (آلیاژهای آلومینیوم-روی)

آلیاژهای آلومینیوم – روی دارای بالاترین استحکام در بین انواع آلیاژهای آلومینیوم هستند. از دیگر ویژگی‌های سری 7xxx می‌توان به چقرمگی خوب، مقاومت در برابر خوردگی نسبتاً کم و امکان عملیات حرارتی اشاره کرد. آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک مانند قطعات هواپیما و تجهیزات هوافضا، کاربردهای ساختاری با استحکام بالا و… اشاره کرد. برای مثال می‌توان به AA7075 (در سازه‌های هواپیما) و AA7050 اشاره کرد.

8. سری 8xxx (آلیاژهای آلومینیوم-عناصر دیگر)

این سری شامل طیف گسترده‌ای از ترکیبات است که در دسته‌های قبل پوشش داده نشده است. سری 8xxx از انواع آلیاژهای آلومینیوم اغلب بر میزان مشخصی از خواص ویژه مانند هدایت الکتریکی یا مقاومت در برابر خوردگی تمرکز می‌کنند. کاربردهای آلیاژهای آلومینیوم سری 8xxx شامل کاربردهای الکتریکی، باتری‌های لیتیومی، سیم‌های مخصوص و… هستند. برای مثال می‌توان به AA8011 (مورداستفاده در فویل و بسته‌بندی) و AA8090 (آلیاژهای حاوی لیتیوم مورداستفاده در صنایع هوافضا) اشاره کرد.

ویژگی ‌های آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک

آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک و مقاوم به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود دارای کاربردهای گوناگونی در سازه‌های مختلف هستند. از جمله ویژگی‌های آلیاژهای آلومینیوم می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. وزن سبک + نسبت استحکام به وزن

آلومینیوم دارای چگالی تقریباً یک‌سوم فولاد است که امکان ساخت سازه‌های سبک‌تر را فراهم می‌کند. این ویژگی باعث کاهش مصرف سوخت در حمل‌ونقل و سهولت در جابه‌جایی در ساخت‌وساز می‌شود. ساخت آلیاژهای آلومینیوم استحکام آن را به میزان قابل‌توجهی بدون افزایش متناسب با وزن افزایش می‌دهد. سری‌هایی مانند 6xxx (Al-Cu)، 2xxx (Al- Mg-Si) و 7xxx (Al-Zn) به دلیل نسبت استحکام به وزن بالای خود محبوبیت زیادی دارند.

2. مقاومت در برابر خوردگی

یکی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک، مقاومت در برابر خوردگی است. انواع آلیاژهای آلومینیوم به طور طبیعی با تشکیل یک لایه اکسید محافظ، مقاومت بیشتری در برابر خوردگی در مقایسه با بسیاری از فلزات دیگر دارند. آنودایز کردن یا روکش کردن این ویژگی آلیاژهای آلومینیوم را بیشتر می‌کند و طول عمر سازه‌هایی که در معرض محیط‌های خشن قرار دارند، افزایش می‌دهد.

4. شکل‌پذیری + قابلیت بازیافت

آلومینیوم را می‌توان به‌راحتی از طریق فرایندهای مختلف مانند نورد، اکستروژن آلومینیوم، آهنگری و ریخته‌گری شکل داد. این ویژگی امکان طراحی ساختاری پیچیده و بهینه آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک را فراهم می‌کند. همچنین آلومینیوم قابل‌بازیافت است و می‌توان آلیاژهای آلومینیوم را بدون افت کیفیت دوباره مورداستفاده قرار داد. این قابلیت از شیوه‌های پایدار پشتیبانی می‌کند و اثرات زیست‌محیطی تولید آلومینیوم را کاهش می‌دهد.

کاربردهای آلیاژهای آلومینیوم

آلیاژهای آلومینیوم به دلیل ترکیب منحصربه‌فرد خواص، در طراحی سازه‌های سبک کاربرد دارند. انواع آلیاژهای آلومینیوم به بهره‌وری انرژی، پایداری زیست‌محیطی از طریق فرایند بازیافت آلومینیوم بازیافت کمک می‌کنند و به طراحان انعطاف‌پذیری برای نوآوری با فرم و عملکرد را ارائه می‌دهند. انتخاب آلیاژ مناسب به نیازهای خاص استحکام، مقاومت در برابر خوردگی، وزن و فرایند تولید آلیاژهای آلومینیوم بستگی دارد و اطمینان حاصل می‌کند که هر کاربرد این ویژگی‌ها را برای عملکرد و دوام بهینه می‌کند. در ادامه به بررسی کاربرد آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک می‌پردازیم:

1. کاربردهای عمومی

نسبت استحکام به وزن بالای آلومینیوم آن را برای اجزای ساختاری که کاهش وزن برای عملکرد یا کارایی بسیار مهم است، ایده‌ال می‌کند. بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم به طور طبیعی در برابر خوردگی مقاومت می‌کنند یا می‌توان آن‌ها را برای افزایش این خاصیت پرداخت کرد و آن‌ها را برای محیط‌هایی که مواد دیگر در آن تخریب می‌شوند، مناسب کرد.

سهولت شکل‌دهی آلومینیوم از طریق فرایندهایی مانند اکستروژن، آهنگری یا نورد، امکان طراحی‌های هندسی پیچیده در سازه‌ها را فراهم می‌کند. در کاربردهایی که نیاز به اتلاف حرارت خوب دارند؛ مانند مبدل‌های حرارتی و مبدل‌های حرارتی یا اجزای موتور، آلیاژهای آلومینیوم کاربردی است.

2. کاربردهای خاص صنعتی

در کنار کاربردهای عمومی آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک بک سری کاربردهای خاص صنعتی هم دارد که عبارت‌اند از:

• هوافضا: در این کاربردهای آلیاژهای آلومینیوم، کاهش وزن به طور مستقیم به راندمان سوخت و ظرفیت بار بهتر منجر می‌شود. آلیاژهای آلومینیوم برای بدنه هواپیما، بال‌ها و سازه‌های داخلی مورداستفاده قرار می‌گیرند که استحکام بالا و مقاومت در برابر خوردگی از اهمیت زیادی برخوردار است.
• خودرو: استفاده از آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک خودرو منجر به مصرف سوخت و عملکرد بهتر می‌شود. آلومینیوم در پانل‌های بدنه، بلوک‌های موتور، چرخ‌ها و اجزای شاسی کاربرد دارد و وزن کلی خودرو را کاهش می‌دهد.
• دریانوردی: مقاومت در برابر خوردگی برخی از آلیاژهای آلومینیوم (به‌ویژه آن‌هایی که منیزیم دارند) برای بدنه‌ها و سخت‌افزارهای دریایی در معرض آب شود مورداستفاده قرار می‌گیرند. کاربرد آلومینیوم در صنعت دریانوردی به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد مقاومت در برابر خوردگی وزن سبک و استحکام بالا گسترده است.
• معماری و ساخت‌وساز: جذابیت ظاهری آلومینیوم همراه بادوام بالا باعث می‌شود که از آن در قاب پنجره‌ها، روکش‌ها، سقف‌ها و اجزای ساختاری پل‌های سبک استفاده شود.
• راه‌آهن و حمل‌ونقل: برای قطارهایی که وزن بر سرعت و مصرف انرژی آن‌ها تاثیر می‌گذارد، استفاده از آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک در بدنه و لوازم داخلی مرسوم است.
• ورزش و تفریح از قاب دوچرخه تا قایق، انواع آلیاژهای آلومینیوم تعادلی از قدرت و سبکی را برای عملکرد بهتر فراهم می‌کند.
• دفاع: در کاربردهای نظامی و دفاعی، از وسایل نقلیه گرفته تا هوافضا، خواص آلیاژهای آلومینیوم مانند استحکام بالا و مقاومت در برابر خوردگی برای تجهیزاتی که باید شرایط سخت را تحمل کنند، بسیار مهم است.

جمع‌بندی

انتخاب انواع آلیاژهای آلومینیوم برای هر یک از کاربردها، شامل تعادل دقیق خواص موردنظر در برابر ملاحظات عملی مانند هزینه، قابلیت ساخت و اثرات زیست‌محیطی است. ادامه تحقیقات و نوآوری در زمینه ترکیب آلیاژها و تکنیک‌های تصفیه، امکان تولید مواد سبک‌تر، قوی‌تر و پایدارتر را برای کاربردهای آینده ایجاد می‌کند.

طیف گسترده کاربردهای آلیاژهای آلومینیوم، مهندسی مدرن را قادر می‌سازد تا در ساخت سازه‌های سبک که کارآمد، پایدار و بادوام موفق عمل کند. در این مقاله به بررسی آلیاژهای آلومینیوم در سازه های سبک پرداختیم تا با مزایا و ویژگی های خوب آن آشنا شوید. شرکت نورد پارس، پیشروترین شرکت در صنعت تولید پروفیل آلومینیوم در ایران، همواره در تلاش است تا کیفیتی در سطح جهانی را به بازارهای داخلی و خارجی ارائه دهد. برای اطلاعات بیشتر از طریق بخش تماس با ما، با ما در ارتباط باشید.