بررسی انواع آلیاژهای آلومینیوم برای تولید پروفیل آلومینیوم

انتخاب آلیاژ مناسب آلومینیوم تاثیر مستقیم بر قابلیت اکستروژن و خواص محصول نهایی دارد. آلیاژهای آلومینیوم سری‌های مختلفی (1XXX تا 8XXX) را شامل می‌شوند که هر سری ترکیب شیمیایی و در نتیجه خواص منحصر‌به‌فردی دارد. در این بخش، ویژگی‌های کلیدی آلیاژهای رایج در اکستروژن و موارد کاربرد هر کدام را بررسی می‌کنیم.

فاکتورهای موثر در انتخاب آلیاژ آلومینیوم

مهم‌ترین خواصی که در گزینش آلیاژ آلومینیوم باید در نظر گرفته شوند عبارت‌اند از: استحکام، شکل‌پذیری (نرمی برای تغییر شکل)، مقاومت به خوردگی، قابلیت عملیات حرارتی، جوشکاری و ماشین‌کاری​. معمولاً طراحی پروفیل آلومینیوم بر اساس اولویت‌های پروژه انجام می شود، مهندسین طراح این خصوصیات را رتبه‌بندی می‌کند و سپس آلیاژی را انتخاب می‌کند که بهترین توازن را داشته باشد​

برای مثال، اگر استحکام بسیار بالا نیاز باشد و مقاومت خوردگی چندان مهم نباشد، سراغ سری‌های 2xxx یا 7xxx می‌رود. اگر مقاومت خوردگی در محیط دریایی اولویت است، آلیاژهای سری 5xxx انتخاب می‌شوند​. اغلب، سری 6xxx به عنوان گزینه پیش‌فرض ترجیح داده می‌شود چون ترکیب متعادلی از خواص مختلف را ارائه می‌دهد​

‌‎‏

‌‎‏

سری‌های آلیاژی و خواص آن‌ها

جدول زیر تصویری کلی از خصوصیات آلیاژهای آلومینیوم wrought (قابل کار مکانیکی) برای اکستروژن ارائه می‌دهد​

همان‌طور که مشاهده می‌شود، هر سری نقاط قوت و ضعف خود را دارد​

سری 2xxx (حاوی مس) و 7xxx (حاوی روی و منیزیم) بالاترین استحکام‌ها را ارائه می‌کنند (قابل مقایسه با فولادهای ساختمانی) اما شکل‌پذیری پایینی دارند و در برابر خوردگی حساس‌تر هستند​. این آلیاژها عموماً نیازمند عملیات حرارتی (مانند رسوب سختی) هستند تا استحکام کامل خود را نشان دهند و اغلب در صنایع هوافضا، نظامی یا قطعات تحت تنش بالا (مانند برخی قطعات خودروهای عملکرد بالا) استفاده می‌شوند​. مثلا آلیاژ معروف 7075 که به دلیل استحکام بسیار بالا در بال هواپیما و دوچرخه‌های حرفه‌ای به کار می‌رود، جوش‌پذیری ضعیفی دارد و مستعد خوردگی است، بنابراین نیاز به پوشش محافظ دارد​.

سری 3xxx (اضافه کردن منگنز) استحکام متوسط اما شکل‌پذیری و مقاومت خوردگی خوبی دارد​. این سری قابل عملیات حرارتی نیست (استحکامش از طریق کار سرد یا افزودن عناصر افزایش می‌یابد) و معمولاً در کاربردهایی که شکل‌دهی آسان و مقاومت خوردگی نیاز است مثل لوله‌ها، مبدل‌های حرارتی و روکش بام‌ها (ورق موجدار) به کار می‌رود​. مثال متداول، آلیاژ 3003 برای پره‌های رادیاتور یا مخازن سوخت است که به راحتی اکسترود و شکل‌دهی می‌شود اما استحکام فوق‌العاده‌ای ندارد​

سری 5xxx (اضافه کردن منیزیم) در حالت کرنشی استحکام نسبتاً بالایی دارد و به طور طبیعی مقاومت به خوردگی بسیار خوبی خصوصاً در محیط‌های شور ارائه می‌دهد​. این سری نیز قابل عملیات حرارتی نیست اما با کار سرد می‌تواند مستحکم‌تر شود. آلیاژهای 5xxx در صنایع دریایی، سازه‌های جوش‌شده (مثل مخازن تحت فشار، بدنه قایق‌ها) و قطعاتی که در فضای باز هستند کاربرد زیادی دارند​. مثلاً 5083 و 5052 از آلیاژهای این خانواده‌اند که برای کشتی‌ها، خودروهای زرهی و لوله‌های تحت فشار استفاده می‌شوند​. نقطه ضعف 5xxx ماشین‌کاری متوسط آن است (به سختی سری 6xxx خوش‌تراش نیست).

سری 6xxx (ترکیب منیزیم و سیلیکون که تشکیل Mg₂Si می‌دهد) پرمصرف‌ترین آلیاژهای اکستروژن را شامل می‌شود. این سری قابلیت اکستروژن بسیار خوبی دارد و می‌تواند تحت عملیات حرارتی (رسوب سختی مصنوعی مانند T6) استحکام قابل قبولی پیدا کند​. همچنین تقریباً تمام آلیاژهای 6xxx جوش‌پذیری و مقاومت خوردگی خوبی دارند.​

دو گرید مشهور این سری:

• 6063: که به “آلیاژ معماری” معروف است، شکل‌پذیری عالی و سطح نهایی بسیار خوبی دارد. بیشتر پروفیل‌های ساختمانی (در و پنجره، نما) از 6063-T5 یا T6 هستند که به راحتی اکسترود می‌شود و سپس آنودایز با کیفیت سطح بالا روی آن انجام می‌گیرد​.
  
• 6061: آلیاژی همه‌منظوره با استحکام بالاتر نسبت به 6063، که در سازه‌های مهندسی (اسکلت‌ها، قطعات ماشین‌آلات، بدنه خودرو) به کار می‌رود. 6061 قابلیت ماشین‌کاری و جوشکاری بسیار خوبی دارد و بعد از عملیات T6 به استحکام مناسبی می‌رسد. از 6061 در دوچرخه‌ها، قطعات ربات‌ها، و حتی تجهیزات نظامی استفاده می‌شود.

علاوه بر این‌ها، آلیاژ 6005 و 6082 نیز در اکستروژن کاربرد دارند (مثلاً 6005A برای نردبان‌ها، سازه‌های لوله‌ای و 6082 برای قطعات خودرویی). به طور کلی اگر طراح مردد باشد، اکثر متخصصان 6xxx را به عنوان نقطه شروع توصیه می‌کنند چون در حین اکستروژن مشکلات کمتری ایجاد می‌کند و خواص متوازن دارد​

بهترین آلیاژهای اکستروژن و کاربردهایشان

با در نظر گرفتن ویژگی‌های فوق، می‌توان برخی از بهترین آلیاژهای اکستروژن را نام برد و کاربردهای شاخص هر کدام را ذکر کرد​

• آلیاژ 6063: استحکام کششی حدود ۱۸۰–۲۹۰ مگاپاسکال (بسته به تمپر) – نقاط قوت: شکل‌پذیری و جوش‌پذیری عالی، سطح تمام‌شده عالی؛ نقاط ضعف: ماشین‌کاری متوسط – کاربردها: قاب پنجره و در، نرده و حفاظ، مبلمان فضای باز، لوله‌ها و تانکرها، قطعات تزئینی ساختمان​.
• آلیاژ 6061: استحکام کششی حدود ۲۴۰–۳۱۰ مگاپاسکال – نقاط قوت: جوش‌پذیری و ماشین‌کاری خوب، مقاومت خوردگی خوب؛ نقطه ضعف: شکل‌پذیری متوسط – کاربردها: سازه‌های ساختمانی، اجزاء خودرو (شاسی، چرخ)، قطعات دوچرخه، تجهیزات صنعتی، لوله‌های فشار متوسط​.
• آلیاژ 6005: استحکام ۱۷۰–۲۷۰ مگاپاسکال – نقاط قوت: جوش‌پذیری عالی، مقاومت خوردگی خوب؛ نقاط ضعف: شکل‌پذیری و ماشین‌کاری متوسط – کاربردها: سازه‌های سبک مثل نردبان، پله‌ها، ریل‌ها، قاب تخت‌خواب‌های فلزی، لوله‌ها و پروفیل‌های معماری پیچیده.
• آلیاژ 5052: استحکام ۱۹۰–۲۹۰ مگاپاسکال (work-hardened) – نقاط قوت: مقاومت خوردگی فوق‌العاده (به‌ویژه در آب دریا)، شکل‌پذیری عالی؛ نقطه ضعف: ماشین‌کاری نسبتاً ضعیف (به دلیل نرمی) – کاربردها: مخازن تحت فشار، تجهیزات دریایی (کشتی، سکوی نفتی)، نرده‌ها و حفاظ‌ها، لوله‌های هیدرولیک، لوازم خانگی (بدنه ماشین لباس‌شویی و …)​.
• آلیاژ 3003: استحکام ۱۱۰–۲۰۰ مگاپاسکال – نقاط قوت: شکل‌پذیری بسیار خوب، مقاومت خوردگی خوب؛ نقاط ضعف: استحکام پایین – کاربردها: رادیاتورها و مبدل‌های حرارتی خودرو، لوله‌های سوخت، مخازن شیمیایی، روکش بام و ناودان، پانل‌های بدنه تریلر و کامیون​.
• آلیاژ 2024: استحکام ۴۵۰–۴۸۰ مگاپاسکال (T3) – نقاط قوت: استحکام و مقاومت خستگی بسیار بالا، شکل‌پذیری نسبتاً مناسب در تمپر T3؛ نقاط ضعف: مقاومت خوردگی و جوش‌پذیری ضعیف – کاربردها: قطعات تنش‌بالای هواپیما (ساختار بال و بدنه)، اجزاء تعلیق و شاسی خودروهای مسابقه‌ای، چرخ‌دنده‌ها و شفت‌ها، قطعات مکانیکی (مثلاً پیستون‌ها)​.
• آلیاژ 7075: استحکام ۵۰۰+ مگاپاسکال (T6/T651) – نقاط قوت: یکی از بالاترین استحکام‌ها بین آلیاژهای آلومینیوم، خواص مکانیکی عالی؛ نقاط ضعف: شکل‌پذیری بسیار کم، جوش‌پذیری بسیار ضعیف، حساسیت به خوردگی تنشی – کاربردها: بال‌ها و اجزاء سازه‌ای هواپیما و موشک، قطعات تحت بار بسیار زیاد (چرخ‌دنده، محور)، قالب‌های صنعتی سبک، تجهیزات نظامی خاص​.

البته آلیاژهای فوق تمام گزینه‌ها را پوشش نمی‌دهند و ده‌ها گرید دیگر نیز بسته به نیاز می‌توانند مناسب باشند. برای تصمیم‌گیری نهایی معمولاً پس از انتخاب سری آلیاژ، خواص دقیق چند آلیاژ کاندید مقایسه می‌شود. گاهی افزودن مقادیر کمی عناصر آلیاژی یا تغییر تمپر (مثلاً از T5 به T6) می‌تواند خواص مورد نیاز را تامین کند.

نکته قابل توجه اینکه اگرچه آلیاژی مثل ۵۰۵۲ مقاومت خوردگی بالایی دارد، اما اگر کاربرد اجازه دهد، شاید استفاده از آلیاژ ۶۰۶۱ (که مقاوم‌تر است) همراه با پوشش آنودایز راه‌حل بهتری باشد. بنابراین همیشه نیازی نیست مقاوم‌ترین آلیاژ ذاتی انتخاب شود؛ می‌توان با فرآیندهای تکمیلی (مانند پوشش‌دهی سطحی) از آلیاژهای شکل‌پذیرتر استفاده کرد و به خواص مشابه رسید​.

‌‎‏

جمع‌بندی و راهنمای انتخاب

در نهایت، انتخاب آلیاژ باید بر مبنای کاربرد نهایی انجام گیرد. اگر استحکام استثنایی لازم است و هیچ جایگزینی نیست، آلیاژهای سری 2000 یا 7000 (مثل 2024 یا 7075) راهگشا خواهند بود​. اما در بسیاری از پروژه‌ها، یک آلیاژ همه‌کاره مانند 6061 یا 6063 که عملکرد خوبی تحت شرایط متنوع دارد، بهترین گزینه است​. این آلیاژها تولید آسان‌تری نیز دارند و هزینه کمتری به فرایند تحمیل می‌کنند.

همچنین دسترسی و قیمت آلیاژ نیز عامل عملی مهمی است. برخی آلیاژهای خاص ممکن است به راحتی در بازار موجود نباشند یا قیمت بالاتری داشته باشند​. بیشتر تولیدکنندگان اکستروژن ترجیح می‌دهند از بیلت‌های استاندارد (عمدتاً سری 6xxx) استفاده کنند، مگر آنکه مشتری حجم بالایی از یک آلیاژ ویژه سفارش دهد​. لذا در سفارش‌های سفارشی کوچک، انتخاب آلیاژ رایج‌تر می‌تواند هزینه را کاهش دهد.

به طور خلاصه، سری 6xxx محبوب‌ترین انتخاب برای پروفیل‌های آلومینیومی است زیرا تعادل خوبی از خواص را ارائه می‌دهد و تولید آن روان است​. سری‌های 5xxx و 3xxx برای شرایط خاصی که به مقاومت خوردگی یا شکل‌دهی بالا نیاز است مفیدند. سری‌های 2xxx و 7xxx برای کاربردهای پرفشار ویژه کنار گذاشته می‌شوند. مهندسان با آگاهی از این طیف، می‌توانند بهترین ماده را برای پروفیل مورد نظر خود برگزینند و در صورت لزوم از عملیات حرارتی یا پوشش‌دهی جهت تکمیل خواص استفاده کنند​

‌‎‏

‎‏

‌‎‏

به اطلاعات تخصصی بیشتری نیاز دارید؟
با ما تماس بگیرید تا درباره‌ی راهکارهای خلاقانه در صنعت آلومینیوم اطلاعات بیشتری کسب کنید.