روی پروژه‌ها در محیطی با دمای بالا کار می‌کنید؟ انتخاب آلیاژهای فلزی با نقطه ذوب بالا یک الزام مطلق است. با این حال، شرایط دمایی شدید در مشاغل مختلف متفاوت است و خرید محصول مناسب را کمی گیج کننده می‌کند. یک آلیاژ مقاوم در برابر حرارت که در یک زمینه کار می‌کند ممکن است در شرایط دیگر در برابر دماهای شدید (با درجه متفاوت) به درستی کار نکند. هدف ما در این مطلب این است که مقاوم‌ترین فلزات موجود در بازار را مورد بررسی دقیق قرار دهیم.
فهرست مطالب
چه چیزی یک آلیاژ فلزی را در برابر حرارت مقاوم می کند؟
کاربردهای مقاومت در برابر حرارت معمولاً به عملکرد ثابت در دمای بیش از 649 درجه سانتی‌گراد (1200 درجه فارنهایت) نیاز دارند. آلیاژهایی با سطوح عملکرد بالا مقاومت در برابر اکسیداسیون، استحکام خزش، عمر گسیختگی تنش و استحکام کششی به خواص مقاومت در برابر حرارت کمک می‌کنند.
مقاوم ترین فلز در برابر حرارت
اکثر آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت شامل برخی یا همه عناصر زیر هستند:
علاوه بر آلیاژسازی، فولاد مقاوم در برابر حرارت با عملیات حرارتی، سخت شدن بارش (سن) و سخت شدن محلول جامد تقویت می‌شود. آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت را می‌توان بر اساس محیط عملیاتی آن‌ها به سه سطح مختلف تقسیم کرد. مواردی که می‌توانند تحت تأثیر قرار گیرند عبارتند از:
- مقدار کمی استرس گرمایی (ثانیه تا دقیقه)
- سطوح متوسط استرس گرمایی (ساعت‌ها یا صدها ساعت)
- استرس گرمایی طولانی مدت (هزاران ساعت)
- معاوضه با مقاومت حرارتی
بسته به آلیاژ فلز، عوامل عملکردی اضافی ممکن است برای به دست آوردن ویژگی‌های مقاومت حرارتی قربانی شوند، از جمله:
- قابلیت جوشکاری
- انبساط حرارتی
- خزش (کشش فلزی)
- قدرت پارگی
- خستگی حرارتی
- اکسیداسیون و خوردگی
- عملکرد خلاء / قرار گرفتن در معرض جوهای دیگر
تنگستن، تیتانیوم، نیوبیم، مولیبدن، نیکل و تانتالیوم از مقاوم ترین فلزات در برابر حرارت هستند.
فلزات با خواص مقاوم در برابر حرارت
1) تیتانیوم (Ti)
اغلب به دلیل وجود سوراخ‌های متخلخل در ساختار آن و روی سطح از فرآیند تشکیل، به عنوان یک “اسفنج” توصیف می‌شود. آلیاژهای تیتانیوم مقاومت در برابر خوردگی بالایی دارند، بسیار سخت هستند، می‌توانند در برابر دماهای بالا مقاومت کنند و نسبت استحکام کششی به وزن بالایی دارند. آن‌ها به راحتی قابل جوش هستند و در کاربردهای صنعتی چالش برانگیز بسیار موثر هستند.
نقطه ذوب تیتانیوم (1668 درجه سانتی‌گراد) ممکن است در بین آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت بالاترین نباشد، اما هنوز هم بسیار بالا است. تیتانیوم معمولاً با استفاده از فرآیند کرول ساخته می‌شود. در طول فرآیند، دی اکسید تیتانیوم در معرض کلر قرار می‌گیرد و در نتیجه تتراکلرید تیتانیوم تولید می‌شود.
این فلز خواص مهندسی بسیار مفیدی دارد که رایج‌ترین آن‌ها عبارتند از:
- مقاومت در برابر حرارت
- استحکام بالا
- مقاومت در برابر خوردگی
- چگالی کم
- سبک بودن
- سفتی
- سختی
یکی دیگر از ویژگی‌های شگفت انگیز آن، توانایی آن در مخلوط شدن با آلیاژهای دیگر است که یک لایه اضافی از استحکام کششی، مقاومت در برابر حرارت و چقرمگی را به شکل خالص آن اضافه می‌کند. تیتانیوم به دلیل یکپارچگی ساختاری عالی که نتیجه ویژگی‌های ذکر شده قبلی است، برای ساخت برنامه‌های کاربردی با کارایی بالا استفاده می‌شود. لیستی از آن‌ها در زیر آورده شده است:
- قطعات خودرو (سوپاپ، فنر سوپاپ، نگهدارنده، شاتون)
- اجزای هوافضا
- ساخت و ساز (مصالح سقف، مصالح بیرونی)
- تجهیزات ورزشی (چوب گلف، راکت تنیس، دوچرخه)
- حفاری دریایی (پل‌های اقیانوسی، پوشش‌های شمع)
- تجهیزات پزشکی (استخوان‌های مصنوعی، ضربان قلب، ابزار جراحی)
- صنایع عمومی (پالایشگاه‌های نفت، کارخانه‌های نمک زدایی آب دریا)
از آنجایی که تیتانیوم می تواند حرارت بالا را تحمل کند و هنگام قرار گرفتن در معرض پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن (CFRPs) از خوردگی جلوگیری کند، جایگزین بسیاری از قطعات آلومینیومی شده است که عمدتاً در هواپیماها قبل از دهه 1960 استفاده می‌شد.
2) تنگستن (W)
یک فلز نسوز فولادی- خاکستری یا نقره ای-سفید. تنگستن سختی، مقاومت در برابر حرارت بالا را فراهم می‌کند و می‌تواند به عنوان یک فلز پایه برای یک آلیاژ یا به عنوان یک عنصر پشتیبانی استفاده شود.
تنگستن مانند تیتانیوم دارای رنگ سفید نقره‌ای است. نام تنگستن از دو کلمه سوئدی tung و sten گرفته شده است که به معنای سنگ سنگین است. این نام کاملاً مناسب است، زیرا ساختار سخت و نقطه ذوب بالا، تنگستن را به یکی از سخت‌ترین مواد روی زمین تبدیل کرده است.
همچنین دارای بالاترین نقطه ذوب 3422 درجه سانتی‌گراد و همچنین بالاترین مقاومت کششی (142000 psi) در بین هر فلز یا عنصر روی زمین است. تنگستن خالص به دلیل سختی بیرونی و نقطه ذوب بالا، بسیار سخت شکل می‌گیرد. بنابراین، اغلب به پودر تبدیل می‌شود و با سایر فلزات پودری مخلوط شده تا آلیاژهای مختلفی ایجاد شود که سپس برای تولید کاربردهای مختلف استفاده می‌شود.
خواص اولیه تنگستن عبارتند از:
- سنگینی (تراکم 19.3 گرم بر سانتی‌متر مکعب)
- نقطه ذوب بالا
- استحکام در دمای بالا
- استحکام کششی بالا
- مقاومت در برابر خوردگی بالا (نیازی به محافظت اضافی در برابر اکسیداسیون در طول یا بعد از فرآیند تولید ندارد)
- سخت‌ترین فلز خالص
- فشار بخار کم (کمترین فشار در بین تمام فلزات)
- انبساط حرارتی کم
- سازگار با محیط زیست (تجزیه نمی‌شود)
شکل دادن تنگستن دشوار است، بنابراین بیشتر به عنوان یک افزودنی برای کمک به ایجاد اشکال مختلف آلیاژهای ویژه استفاده می‌شود.
برخی از برنامه‌هایی که برای آن‌ها استفاده می‌شود عبارتند از:
- اجزای هوافضا
- قطعات خودرو
- سیم رشته‌ای (برای روشنایی)
- تجهیزات بالستیک نظامی
- هدست موبایل
- تجهیزات برش و حفاری
- کاربردهای شیمیایی
- لوازم برقی و الکترود
تنگستن در شکل خالص خود در بسیاری از کاربردهای الکترونیکی مانند الکترودها، کنتاکت‌ها، ورق‌ها، سیم‌ها و میله‌ها نیز استفاده می‌شود. همچنین، از آنجایی که چگالی آن برابر با طلا است (درخشندگی کمتر اما ساختار سخت‌تر)، اغلب توسط جواهرسازان برای گردنبند و حلقه‌ها استفاده می‌شود.
3) فولاد ضد زنگ (آلیاژ)
خانواده‌ای از آلیاژها که به دلیل مقاومت در برابر خوردگی و دماهای بالا شناخته می‌شوند، فولاد ضد زنگ آلیاژی مبتنی بر آهن است که حاوی 10.5٪ یا بیشتر کروم و عناصر دیگری مانند نیکل و مولیبدن است. آلیاژهای فولادی می‌توانند در برابر حرارت بسیار مقاوم باشند. صنایع هوافضا، خودروسازی و ساختمان سازی از این ماده برای ایجاد قطعات خاص مانند مخازن تحت فشار یا دیگ‌های بخار استفاده می‌کنند.
یک فرآیند عملیات حرارتی ویژه برای ترکیب این سه عنصر (آهن، کروم و نیکل) برای تشکیل فولاد ضد زنگ استفاده می‌شود. از میان بسیاری از خواص آن، دو مورد از محبوب‌ترین ویژگی‌های مهندسی فولاد ضد زنگ، مقاومت در برابر خوردگی و سازگاری با محیط زیست است. فولاد ضد زنگ اغلب به عنوان “فولاد سبز” شناخته می‌شود زیرا می‌توان آن را بی‌نهایت بار بازیافت کرد.
در مورد خواص مقاوم در برابر حرارت، نقطه ذوب فولاد ضد زنگ بین 1400 تا 1530 درجه سانتی‌گراد می‌باشد. دلیل اینکه نقطه ذوب یک عدد متوسط است و عدد دقیقی نیست، به دلیل مقادیر متغیر عناصر مخلوط است که با هم ترکیب می‌شوند تا درجه‌های مختلف فولاد ضد زنگ را تشکیل دهند.
سه عنصری که فولاد ضد زنگ از آن‌ها ساخته شده است، نقطه ذوب متفاوتی دارند:
- آهن (1535 درجه سانتی‌گراد)
- کروم (1890 درجه سانتی‌گراد)
- نیکل (1453 درجه سانتی‌گراد)
بسته به میزان استفاده از هر یک از سه عنصر، نقطه ذوب نهایی آن را به میزان کمتر یا بالاتر تحت تاثیر قرار می‌دهد. با این حال، نقاط ذوب تقریباً همیشه بین میانگین‌هایی که قبلاً ذکر شد قرار می‌گیرند. فولاد ضد زنگ به دلیل خواص مطلوب ساخت و مهندسی، در بسیاری از کاربردها کاربرد گسترده‌ای دارد. این موارد شامل:
- مقاومت در برابر خوردگی
- مقاومت در برابر درجه حرارت بالا
- مقاومت در برابر دمای پایین
- استحکام کششی بالا
- دوام (در حرارت بالا و شرایط سخت)
- ساخت آسان و شکل پذیری
- تعمیر و نگهداری کم
- ظاهر جذاب
- سازگار با محیط زیست (قابلیت بازیافت نامحدود)
در نتیجه موارد بالا، فولاد ضد زنگ بسیار محبوب است، به ویژه برای کاربردهای زیر:
- ساختمان‌ها (روکش بیرونی، میز، نرده، پشتی)
- پل‌ها
- چاقوهای آشپزخانه
- یخچال و فریزر
- ماشین ظرفشویی
- واحدهای نگهداری مواد غذایی
- اجزای نفت، گاز و شیمیایی (مخازن، لوله‌ها، پمپ‌ها، شیرها)
- کارخانه‌های فاضلاب
- پروانه‌های کشتی
- اجزای برق (هسته‌ای، زمین گرمایی، خورشیدی، آبی، بادی)
- توربین (بخار، گاز)
4) نیوبیم (Nb)
که قبلاً کلمبیوم (Cb) نامیده می‌شد، نیوبیم در آلیاژهای فولادی استفاده می‌شود و دارای ویژگی‌های سختی مشابه تیتانیوم (و شکل پذیری مشابه آهن) است. برای مقاومت برتر در برابر گرما معمولاً با تنگستن آلیاژ می‌شود. این فلز معمولاً در تجهیزات جراحی و همچنین موتورهای جت و توربین‌های هواپیما یافت می‌شود.
5) مولیبدن (Mo)
مولیبدن اغلب در آلیاژهای فولادی از جمله فولاد ضد زنگ استفاده می‌شود. استحکام، دوام و مقاومت در برابر خوردگی، سایش و دماهای بالا را افزایش می‌دهد. انعطاف پذیری و نرمی آن آن را برای ماشین آلات تخصصی و کاربردهای نظامی ایده آل می‌کند.
این فلز سفید مایل به نقره‌ای (خاکستری به صورت پودر) بسیار انعطاف پذیر است و درجه بالایی از مقاومت در برابر خوردگی دارد. نقطه ذوب و خواص مقاوم در برابر حرارت آن نیز بسیار بالا است. نقطه ذوب مولیبدن 2623 درجه سانتی‌گراد است که پنجمین نقطه ذوب بالا، در بین تمام فلزات است.
نقطه ذوب بالای آن به اجزای متشکل از مولیبدن اجازه می‌دهد تا در دماهای گرم به طور موثر عمل کنند. این برای محصولاتی که در چنین شرایطی به روانکاری مقاوم در برابر حرارت نیاز دارند بسیار مفید است.
مولیبدن بیشتر به صورت پودر استفاده می‌شود زیرا خواص مفیدی از خود نشان می‌دهد که عبارتند از:
- نقطه ذوب بالا
- مقاومت در برابر حرارت
- چکش خواری
- خواص غیر مغناطیسی
- ظاهر جذاب
بسیاری از این خواص در شکل جامد خود نیز باقی می‌مانند. مولیبدن همچنین برای تولید آلیاژهای تجاری سخت و قوی، دارای رسانایی الکتریکی و مقاومت فوق العاده‌ای در برابر سایش و پارگی استفاده می‌شود.
این آلیاژها برای کاربردهای زیر استفاده می‌شوند:
- موشک‌ها
- قطعات موتور
- تیغه‌های اره
- مواد افزودنی روان کننده
- جوهر برد مدار
- رشته‌های بخاری برقی
- پوشش‌های محافظ (دیگ بخار)
- کاتالیزورهای نفتی
6) نیکل (آلیاژ)
نیکل دارای استحکام برتر، چکش خوار و انعطاف‌پذیر است و مقاومت استثنایی در برابر اکسیداسیون و خوردگی دارد. نیکل اغلب در آلیاژهای فولاد ضد زنگ برای استحکام بیشتر استفاده می‌شود. آلیاژهای نیکل از جمله فلزات مقاوم در برابر حرارت هستند.
مانند بسیاری از دیگر فلزات مقاوم در برابر حرارت در این لیست، نیکل یک فلز انتقالی سفید مایل به نقره‌ای است که به دلیل نقطه ذوب بالا (1455 درجه سانتی‌گراد) و مقاومت در برابر خوردگی، شناخته شده است. مقاومت بالای نیکل در برابر خوردگی آن را برای آبکاری و پوشش فلزات دیگر و همچنین برای ایجاد آلیاژهایی مانند فولاد ضد زنگ مفید می‌کند.
نقطه ذوب بالای نیکل نتیجه مستقیم جذب یون‌های مثبت و منفی آن (پروتون‌ها و الکترون‌ها) است که پیوندی قوی را تشکیل می‌دهند که می‌توانند حتی تحت فشار و گرمای فوق‌العاده، کنار هم بمانند. از آنجایی که نیکل یک فلز طبیعی است که به وفور در رسوبات زمین یافت می‌شود، از طریق هیچ فرآیندی ایجاد نمی‌شود، بلکه از سازندهای سنگی که بیشتر در آب و هوای گرمسیری واقع شده‌اند، استخراج می‌شود.
از سوی دیگر، آلیاژهای نیکل از ترکیب نیکل با سایر فلزات مانند آلومینیوم، تیتانیوم، آهن، مس و کروم از طریق یک فرآیند عملیات حرارتی ساده تشکیل می‌شوند. سپس از این آلیاژها برای تولید انواع محصولات در صنایع مختلف استفاده می‌شود. تقریباً 3000 آلیاژ مبتنی بر نیکل امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرد. خواص مشترکی که در همه انواع آلیاژهای نیکل نشان داده می‌شود عبارتند از:
- استحکام – قدرت
- سختی
- خواص مغناطیسی
- مقاومت در برابر خوردگی
- مقاومت در برابر حرارت
- ساخت آسان (جوش پذیری خوب)
همان‌طور که قبلاً ذکر شد، آلیاژهای مبتنی بر نیکل برای بسیاری از کاربردها در صنایع مختلف استفاده می‌شوند و در حالی که فهرست بسیار گسترده است، می‌توان آن را به صورت زیر خلاصه کرد:
- کوره‌های برقی
- توستر
- مبدل‌ها
- آبکاری زره
- شفت پروانه قایق
- پره‌های توربین
- آبکاری فولاد
- آلیاژهای فولاد ضد زنگ
- آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی
- باتری‌ها (نیکل کادمیوم، نیکل متال هیدرید)
- سکه (قطعه پنج سنت آمریکا)
- تقویت کننده‌های مغناطیسی
- سپرهای مغناطیسی
- دستگاه‌های ذخیره سازی
- شمع خودرو
- الکترودهای خودرو
نیکل در برابر اکسیداسیون حتی در دماهای بسیار گرم، بسیار مقاوم است و می‌تواند از خوردگی الکتریکی جلوگیری کند. در نتیجه، این یک انتخاب عالی برای ایجاد آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت و خوردگی است که برای تقویت برنامه‌های کاربردی در محیط‌های خورنده و گرم مورد نیاز است.
7) تانتالیوم (Ta)
تانتالوم دارای چگالی بالا، نقطه ذوب و مقاومت اسیدی است. این یک لایه اکسید شده روی سطح خود دارد که مقاومت در برابر خوردگی را ایجاد می‌کند. این ماده اغلب با فلزات دیگر ترکیب می‌شود تا ابر آلیاژ تولید کند.
این فلز کمیاب خاکستری آبی به دلیل ساختار بسیار سخت، نقطه ذوب بالا و مقاومت در برابر تقریباً تمام اشکال اسیدهای خورنده شناخته شده است. نقطه ذوب تانتالم (3020 درجه سانتی‌گراد)، سومین نقطه ذوب در بین تمام عناصر است. تانتالیم خام معمولاً در ذخایر سنگ معدنی به نام سنگ کلمبیت-تانتالیت (یا کلتان) یافت می‌شود.
تانتالیم دارای خواص بسیاری است که در قرن بیست و یکم استفاده از آن را افزایش داده است، این موارد شامل:
- پایداری بالا
- استحکام بالا
- مقاومت در برابر خوردگی (بدون تخریب شیمیایی در دماهای پایین)
- مقاومت در برابر حرارت
- نقطه ذوب بسیار بالا
- هدایت حرارتی
- رسانایی الکتریکی
- لایه محافظ اکسید (محافظت در برابر انواع خوردگی از جمله اکسیداسیون و اسیدها)
- ساخت آسان
- شکل پذیری
- تراکم
- سختی
تانتالوم اغلب با عناصر دیگر ترکیب می‌شود تا آلیاژهایی با نقطه ذوب و استحکام کششی افزایش یافته تولید کند. تا آنجا که کاربردهای آن وجود دارد، تانتالیوم بیشتر برای تولید قطعات در صنعت برق استفاده می‌شود. با این حال، به دلیل خواص مقاوم در برابر حرارت و خوردگی بالا، یک ماده ساخت مفید در صنایع هواپیماسازی، دفاعی و شیمیایی نیز محسوب می‌شود. تانتالوم معمولاً در موارد زیر استفاده می‌شود:
- خازن‌های الکترولیتی
- قطعات کوره خلاء
- قطعات الکترونیکی (مدار، خازن، مقاومت)
- اجزای راکتور هسته‌ای
- تجهیزات پردازش شیمیایی
- قطعات هواپیما
- موشک‌ها
- ابزار جراحی
- لنزهای دوربین
از میان تمام کاربردهای ذکر شده در بالا، احتمالاً تانتالیوم به دلیل استفاده از آن در خازن‌های الکترولیتی بیشترین ارزش را دارد. خازن‌های تانتالیومی می‌توانند بالاترین بار الکتریکی را در هر واحد از همه خازن‌ها ذخیره کنند.
ملاحظات دیگر برای آلیاژهای با دمای بالا
مهم است که اطلاعات فنی یک آلیاژ را قبل از تصمیم به استفاده در هر محیط با دمای بالا بررسی کنید. اما، فلزات خود را تنها بر اساس حداکثر دمای عملیاتی انتخاب نکنید. در نظر گرفتن:
- مقاومت در برابر اکسیداسیون
- مقاومت در برابر خوردگی گرم
- پایداری متالورژیکی مواد
- خواص مکانیکی در دماهای مختلف
برخی از آلیاژهای با دمای بالا دارای خواص مواد جالبی هستند. به عنوان مثال، کاربید تیتانیوم بالاترین نقطه ذوب را در بین تمام فلزات در دمای 3100 درجه سانتی‌گراد دارد. فولاد ضد زنگ نیازی به رنگ آمیزی ندارد.
برنامه‌ها و خدماتی که به مقاومت در برابر دمای بالا نیاز دارند
فلزات مقاوم در برابر حرارت در بسیاری از صنایع مختلف یافت می‌شوند از جمله:
- خودرو
- هوافضا
- هواپیمایی
- سرامیک
- شیمیایی
- ساخت و ساز
- الکترونیک
- شیشه
- ماشین آلات
- نظامی
- پتروشیمی
جمع‌بندی
آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت، آلیاژهایی هستند که در دماهای بالا عملکرد خوبی دارند، به این معنی که در دماهای بالا مقاومت و استحکام بالایی دارند. سطوح مقاومت حرارتی این آلیاژها توسط دو ویژگی فیزیکی که عبارتند از ساختار آلیاژ و استحکام پیوندهای بین اتمی درون آن، تایید می‌شود. آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت بر اساس پایه آن‌ها طبقه‌بندی می‌شوند که می‌تواند نیکل، آهن، تیتانیوم، بریلیم و سایر فلزات باشد. علاوه بر این، آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت را می‌توان بر اساس محیط کارشان به سه دسته تقسیم کرد: آلیاژهایی که در معرض مقادیر کمی تنش گرمایی (ثانیه تا دقیقه) هستند، آلیاژهایی که در معرض مقادیر متوسط تنش حرارتی (ساعت‌ها یا صدها ساعت) هستند. آلیاژهایی که برای مدت طولانی (هزاران ساعت) تحت تنش گرمایی قرار می‌گیرند.
فلزات, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 20 آبان 1402
