آلیاژ آهنی و غیرآهنی؛ تفاوت و مقایسه
ممکن است واژه «آلیاژ» به اندازه «فلز» برایتان آشنا نباشد، اما آلیاژها ترکیباتی هستند که از ترکیب دو یا چند فلز، یا یک فلز با یک نافلز به‌دست می‌آیند و معمولاً خواصی بهتر از عناصر خالص دارند. آلیاژها به‌طور کلی به دو دسته‌ی اصلی تقسیم می‌شوند: آلیاژهای آهنی و آلیاژهای غیر آهنی. اما این تقسیم‌بندی بر چه اساسی انجام می‌شود؟ تفاوت این دو گروه در چیست؟ چه عناصری در دسته آهنی و چه عناصری در دسته غیر آهنی قرار می‌گیرند؟ و در نهایت، کدام‌یک قیمت بالاتری دارد؟ اگر این سؤالات ذهن شما را درگیر کرده، در ادامه این مقاله با ما همراه باشید تا پاسخ آن‌ها را بررسی کنیم.
تفاوت آلیاژهای آهنی و غیر آهنی چیست؟
فلز آهن نقش بسیار مهمی در زندگی بشر ایفا کرده است، به‌طوری‌که مبنای اصلی برای دسته‌بندی آلیاژها قرار گرفته است. به این ترتیب، آلیاژهایی که حاوی عنصر آهن هستند، «آلیاژهای آهنی» و آن‌هایی که فاقد آهن‌اند، «آلیاژهای غیر آهنی» نامیده می‌شوند. جالب است بدانید که با وجود اهمیت زیاد آهن، فلزات غیر آهنی زودتر از آهن کشف شده‌اند و قدمت بیشتری دارند.
به‌عنوان نمونه، عصر برنز – که پس از دوره پارینه‌سنگی قرار دارد – نشان‌دهنده اولین استفاده‌های بشر از آلیاژهای غیر آهنی است. برنز (ترکیبی از مس و قلع) و برنج (ترکیبی از مس و روی) از شناخته‌شده‌ترین آلیاژهای غیر آهنی هستند که خواصی بهتر از مس خالص ارائه می‌دهند.
در مقایسه این دو گروه از آلیاژها، تفاوت‌های زیادی دیده می‌شود؛ از جمله در ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و حتی مغناطیسی. یکی از اصلی‌ترین تفاوت‌ها، خاصیت مغناطیسی آلیاژهای آهنی است. این آلیاژها به دلیل وجود فاز فریتی در ساختار خود، جذب آهنربا می‌شوند. البته این ویژگی در دماهای بالا (بیش از ۷۶۸ درجه سانتی‌گراد، معروف به دمای کوری) از بین می‌رود، اما ساختار بلوری آن‌ها حفظ می‌شود.
آشنایی با انواع فلزات آهنی و کاربرد آن‌ها
فلزات آهنی به آن دسته از فلزاتی گفته می‌شود که درصد قابل‌توجهی آهن در ترکیب شیمیایی آن‌ها وجود دارد. این فلزات در زندگی بشر و صنعت نقش بسیار مهمی ایفا کرده‌اند و به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
- آهن خالص
- انواع فولاد
- انواع چدن
آهن؛ آغاز عصر جدید بشر
کشف آهن نقطه عطف بزرگی در تاریخ تمدن بشر بود؛ تا جایی که نام "عصر آهن" را برای دوره‌ای از تاریخ در نظر گرفته‌اند. اگرچه آهن فلزی فراوان، نرم، شکل‌پذیر و مغناطیسی است، اما استحکام پایین آن باعث شد تا برای ساخت ابزار و قطعات مقاوم، به‌تنهایی مناسب نباشد.
فولاد؛ مهم‌ترین آلیاژ آهن
ورود فولاد به دنیای صنعت، انقلابی عظیم به پا کرد. فولاد آلیاژی از آهن و کربن است که میزان کربن آن کمتر از ۲.۱ درصد است. با افزودن عناصری مانند کروم، نیکل، منگنز و مولیبدن به فولاد، انواع گوناگونی از آن به‌وجود آمده‌اند، از جمله:
- فولادهای ساده‌کربنی
- فولادهای ضد زنگ (استنلس استیل)
- فولادهای آلیاژی
- فولادهای ابزار
نکته جالب این است که همه فولادها لزوماً مغناطیسی نیستند. به‌عنوان مثال، تفاوت بین "استیل بگیر" و "استیل نگیر" ناشی از ساختار بلوری آن‌هاست. استیل‌های نگیر که از نوع آستنیتی هستند، خاصیت مغناطیسی ندارند، با وجود آنکه پایه‌ی آن‌ها آهنی است.
چدن؛ آلیاژی پرکربن و کاربردی
چدن سومین عضو مهم خانواده آلیاژهای آهنی است. چدن ترکیبی از آهن و کربن با درصدی بین ۲ تا ۴ درصد است که گاهی عناصر دیگری هم به آن افزوده می‌شود. چدن ماده اولیه‌ای است که در فرآیند فولادسازی از کوره بلند به دست می‌آید و سپس با کاهش میزان کربن و ناخالصی‌ها به فولاد تبدیل می‌شود. انواع چدن‌ها (مانند چدن خاکستری، سفید، مالیبل و داکتیل) بسته به ساختارشان، کاربردهای مختلفی در صنعت دارند.
آشنایی با انواع فلزات غیر آهنی
در حالی که فلزات آهنی محدود به چند گروه اصلی مانند آهن، فولاد و چدن هستند، دنیای فلزات غیر آهنی از تنوع بسیار بالایی برخوردار است. این فلزات در ترکیب خود فاقد آهن هستند یا تنها مقدار بسیار کمی از آن را دارند و همین موضوع باعث تفاوت در ویژگی‌ها و کاربردهای آن‌ها نسبت به فلزات آهنی شده است.
فلزات و آلیاژهای غیر آهنی به دلیل خواص منحصربه‌فردی مانند وزن کم، مقاومت به خوردگی بالا، رسانایی الکتریکی و حرارتی مناسب، در بسیاری از صنایع از جمله هوافضا، خودروسازی، الکترونیک و تزئینات کاربرد گسترده‌ای دارند.
مهم‌ترین آلیاژهای غیر آهنی عبارت‌اند از:
- آلیاژهای آلومینیوم: سبک، مقاوم به خوردگی و بسیار کاربردی در صنایع حمل‌ونقل و ساختمان‌سازی.
- آلیاژهای مس: شامل برنج (مس و روی) و برنز (مس و قلع) که در صنایع الکتریکی، لوله‌کشی و ساخت مجسمه‌ها استفاده می‌شوند.
- آلیاژهای نیکل: مقاوم در برابر حرارت و خوردگی، پرکاربرد در تجهیزات صنعتی و توربین‌ها.
- آلیاژهای سرب: نرم و چکش‌خوار، مناسب برای باتری‌ها و محافظت در برابر تشعشعات.
- آلیاژهای روی: معمولاً برای گالوانیزه کردن فولاد و افزایش مقاومت به خوردگی استفاده می‌شوند.
- آلیاژهای قلع: به دلیل نقطه ذوب پایین، در لحیم‌کاری و پوشش‌دهی کاربرد دارند.
- آلیاژهای منیزیم: بسیار سبک و مورد استفاده در صنایع هوافضا و الکترونیک.
- آلیاژهای طلا و نقره: بیشتر در جواهرسازی و ساخت قطعات الکترونیکی دقیق مورد استفاده قرار می‌گیرند.
آلیاژهای آلومینیوم
آلومینیوم پس از آهن، دومین فلز پرکاربرد در صنایع مختلف به شمار می‌رود. ویژگی‌هایی مانند نسبت بالای استحکام به وزن و مقاومت مناسب در برابر خوردگی، آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای ساخت بدنه خودروها، هواپیماها، قوطی‌های کنسرو و نوشیدنی تبدیل کرده است. با این حال، آلومینیوم خالص به دلیل نرمی و استحکام پایین، برای کاربردهای سازه‌ای مناسب نیست. به همین دلیل، معمولاً آن را با عناصر آلیاژی مختلف ترکیب می‌کنند تا آلیاژهایی با خواص مکانیکی بهبود یافته تولید شود.
از جمله این آلیاژها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- آلیاژ 2024: ترکیبی از آلومینیوم و مس، با استحکام بالا و کاربرد در صنایع هوافضا.
- آلیاژ 6061: حاوی آلومینیوم، منیزیم و سیلیسیم، معروف به آلیاژی چندمنظوره با قابلیت جوشکاری و ماشین‌کاری خوب.
- آلیاژ 7075: شامل آلومینیوم و روی، بسیار مقاوم و سخت، مناسب برای قطعات تحت بار سنگین مانند اجزای سازه‌ای در هواپیماها.
این آلیاژها که معمولاً با شماره‌های چهاررقمی شناخته می‌شوند، از گروه آلیاژهای نوردی (ورق‌کاری یا فورج‌شونده) محسوب می‌شوند و در تولید قطعات صنعتی، تجهیزات حمل‌ونقل و سازه‌های مهندسی نقش مهمی ایفا می‌کنند.
آلیاژهای مس
مس به‌دلیل هدایت الکتریکی و حرارتی بسیار بالا، یکی از فلزات کلیدی در صنایع الکتریکی و الکترونیکی به شمار می‌رود. این فلز علاوه بر رسانایی عالی، از شکل‌پذیری خوب و مقاومت مناسب در برابر خوردگی نیز برخوردار است. به همین دلیل، از آن در ساخت سیم‌های برق، لوله‌های انتقال حرارت، ورق‌های مسی برای پوشش سقف‌ها، و همچنین در تولید آلیاژهایی مانند برنج و برنز استفاده فراوان می‌شود.
با این حال، برخی محدودیت‌ها مانند تردی ناشی از هیدروژن و نسبت پایین استحکام به وزن، کارایی مس خالص را در برخی کاربردها کاهش می‌دهد. برای رفع این محدودیت‌ها، آلیاژسازی با عناصر مختلف انجام می‌گیرد. دو نمونه رایج از آلیاژهای مس عبارت‌اند از:
- برنج: ترکیب مس و روی که دارای سختی بیشتر و مقاومت به خوردگی بهبود یافته است و کاربرد زیادی در ساخت اتصالات، شیرآلات، زیورآلات و آلات موسیقی دارد.
- برنز: ترکیبی از مس و قلع با استحکام بالا، مقاومت در برابر سایش و ویژگی‌های آنتی‌فرکشن، که در تولید بلبرینگ، ابزارهای صنعتی و قطعات مکانیکی استفاده می‌شود.
آلیاژهای مس با بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی فلز پایه، دامنه کاربرد این فلز را در صنایع مختلف گسترش داده‌اند.
در صنایع مختلف، لوله‌ها نقش کلیدی در انتقال سیالات، گازها و حتی مواد جامد دارند. این لوله‌ها می‌توانند از جنس آلیاژهای آهنی یا غیرآهنی ساخته شوند و انتخاب نوع مناسب آن‌ها به عوامل مختلفی مانند محیط کار، فشار و دمای کاری، مقاومت در برابر خوردگی و بودجه بستگی دارد.
لوله‌های آهنی (که شامل لوله‌های فولادی و چدنی می‌شوند) به دلیل استحکام بالا، دوام زیاد و قابلیت جوشکاری گسترده، در بسیاری از پروژه‌های عمرانی، نفت و گاز(قیمت لوله نفت، قیمت لوله گازی)، ساخت و ساز و تأسیسات کاربرد دارند. فولاد کربنی به‌ویژه در ساخت لوله‌هایی با فشار بالا و کاربردهای صنعتی رایج است. لوله‌های چدنی نیز به‌دلیل مقاومت در برابر سایش و خوردگی داخلی، بیشتر در شبکه‌های فاضلاب و آب‌های شهری به‌کار می‌روند. با این حال، چدن به‌دلیل شکنندگی نسبی، برای شرایط پرتنش مکانیکی گزینه مناسبی نیست. برای اطلاع از قیمت لوله آب، کلیک کنید.
در مقابل، لوله‌های ساخته‌شده از آلیاژهای غیرآهنی مانند آلومینیوم، مس، نیکل یا تیتانیوم بیشتر در صنایع تخصصی‌تر استفاده می‌شوند. برای مثال، لوله‌های مسی به‌دلیل هدایت حرارتی و الکتریکی بالا، در سیستم‌های سرمایش، گرمایش و تأسیسات برقی کاربرد دارند. همچنین، لوله‌های آلومینیومی به‌واسطه سبک‌وزن بودن، در صنعت خودروسازی و هوافضا مورد استفاده‌اند. آلیاژهای تیتانیوم و نیکل نیز به دلیل مقاومت عالی در برابر خوردگی و حرارت، در صنایع پتروشیمی، پزشکی و هوافضا ارزشمند هستند. برای اطلاع از قیمت لوله مسی، کلیک کنید.
از نظر مقاومت در برابر خوردگی، آلیاژهای غیرآهنی معمولاً عملکرد بهتری دارند، به‌خصوص در محیط‌های مرطوب، دریایی یا با مواد شیمیایی خورنده. به همین دلیل، در پروژه‌هایی که طول عمر بالا و خوردگی‌ناپذیری مهم است، انتخاب لوله‌های غیرآهنی منطقی‌تر خواهد بود، هرچند هزینه بالاتری دارند. به‌طور کلی، در تصمیم‌گیری برای انتخاب نوع لوله، باید توازن مناسبی میان عملکرد فنی، طول عمر، و هزینه ایجاد شود.
بررسی تفاوت‌های فلزات آهنی و غیر آهنی
با اینکه هم آلیاژهای آهنی و هم آلیاژهای غیر آهنی نسبت به فلزات خالص خواص بهبودیافته‌تری دارند، اما در مقایسه با یکدیگر نیز نقاط قوت و ضعف متفاوتی را نشان می‌دهند. برای درک بهتر تفاوت این دو گروه، می‌توان آن‌ها را از جنبه‌های فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی مورد مقایسه قرار داد.
استحکام و سختی
آلیاژسازی معمولاً باعث افزایش استحکام و سختی فلزات می‌شود. در این میان، فولادها به‌ویژه از نظر استحکام، عملکردی بسیار بالاتر نسبت به بسیاری از آلیاژهای غیر آهنی دارند. تنها برخی آلیاژهای خاص مانند نیکل و تیتانیوم قادر به رقابت با فولاد در این زمینه هستند.
مقاومت در برابر خوردگی
در خانواده آلیاژهای آهنی، تنها فولادهای ضد زنگ دارای مقاومت خوب در برابر خوردگی هستند و این ویژگی را مدیون حضور عنصر کروم در ساختار خود می‌باشند. اما در سوی دیگر، بسیاری از آلیاژهای غیر آهنی مانند آلومینیوم، مس، نیکل، تیتانیوم و زیرکونیوم به‌طور طبیعی در برابر خوردگی، به‌ویژه در شرایط خاص نظیر دماهای بالا، بسیار مقاوم هستند.
شکل‌پذیری
فلزات غیر آهنی در اغلب موارد از شکل‌پذیری بالاتری نسبت به فلزات آهنی برخوردارند. برای نمونه، چدن به دلیل ساختار سخت و شکننده‌اش، شکل‌پذیری پایینی دارد. درحالی‌که فولاد قابلیت شکل‌دهی بهتری نسبت به چدن دارد، اما در مقایسه با آلیاژهای نرم‌تر و چکش‌خوری مانند مس و آلومینیوم، همچنان انعطاف‌پذیری کمتری دارد.
قیمت
به‌طور کلی، آلیاژهای غیر آهنی به‌دلیل فراوانی کمتر و فرآیندهای تولید پیچیده‌تر، گران‌تر از آلیاژهای آهنی هستند. آلیاژهای طلا و نقره در صدر این گروه قرار دارند، اما حتی آلیاژهای رایج‌تری مانند نیکل، تیتانیوم و مس نیز نسبت به فولاد و چدن از قیمت بالاتری برخوردارند.