آلومینیوم ۲۰۲۴

یکی از متداول ترین آلیاژهای آلومینیوم با استحکام بالا است. این آلومینیوم غالباً مورد استفاده زیادی قرار می­ گیرد که با استفاده از مقاومت بالا و مقاومت در برابر فشار فوق العاده، نسبت مقاومت به وزن بسیار خوبی را داراست. این آلیاژ را می توان تا توان حرارتی بالایی ماشینکاری کرد و در صورت لزوم می توان آن را با عملیات حرارتی بعدی در شرایط آنیل تشکیل داد. مقاومت در برابر خوردگی این درجه از آلومینیوم نسبتاً کم است. هنگامی که این مورد یک مشکل باشد، ۲۰۲۴ اغلب از یک نوع آنودایز شده یا به صورت چادری (لایه سطح نازک آلومینیوم با خلوص بالا) معروف به Alclad  استفاده می شود. این آلیاژ از نظر قیمت آلومینیوم در سطح متوسط قرار می گیرد. در رده آلیاژ ۲۰۰۰ آلومینیوم ۲۰۲۴ مهم ترین و پرتقاضاترین رده آلیاژی در سری ۲۰۰۰ است که هم بعنوان مواد اولیه تقاضای بسیاری برای آن وجود دارد و هم قطعات تخصصی بسیاری در صنایع گوناگون به وسیله آن ساخته و به بازار عرضه می شود. آلیاژ ۲۰۲۴ دارای خواص کششی بالا، استحکام خیزشی خوب و چقرمگی زیادی است. آلومینیوم ۲۰۲۴ همانند هم رده های دیگر خود مس را بعنوان شالوده اصلی ترکیب ساختاری خود معرفی می نماید به طوری که  ۳.۸ تا ۴.۹ درصد از کل آلیاژ ۲۰۲۴ را مس (Cu) به خود اختصاص داده است که در این آلیاژ به صورت Al2Cu یا Al2CuMg (در صورت وجود Mg) وجود دارد. در بسیاری از آلیاژهای تجاری، مس به عنوان عنصر آلیاژی اصلی یا در میان عناصر آلیاژی دیگر، در غلظت های ۱ تا ۱۰% اضافه می شود. به دلیل وجود عناصر آلیاژی، لازم است که این آلیاژهای در دمای نزدیک به دمای انجماد تعادلی عملیات حرارتی شوند. این منجر به تمایل بیشتر مرز دانه ها به ذوب اولیه می شود.

اگر بخواهیم به ترکیبات اصلی آلیاژ ۲۰۲۴ اشاره داشته باشیم باید از آلومینیوم، مس، منیزیم، منگنز، آهن و سیلیسیم نام ببریم و ذکر این موضوع هم مهم است که آلیاژ ۲۰۲۴ یک ساختار چندفازی دارد که شامل Al2CuMg, CuA12 Mg2Si, Al12Si3 (Mn,Fe) و در برخی موارد Al(Fe,Mn) یا Al6(Mn,Fe) است. حرارت دادن باعث حل شدن بیشتر مس و منیزیم شده اما مقداری A12CuMg و شاید CuA12 به صورت حل نشده، خارج از محلول جامد باقی می مانند. تمام فاز های آهنی به Al7Cu2Fe  تبدیل می شوند و ممکن است همراه با دیگر فاز های جزئی باشند. به طور همزمان منگنز از محلول جامد به صورت Al20Cu2Mn3 رسوب می کند. سرد کردن آهسته باعث رسوب گذاری A12CuMg به صورت ویدمن اشتاتن می شود. مراحل رسوب گذاری در آلیاژ Al2024 عبارت است از: محلول جامد فوق اشباع، مناطق همبسته صفحه ای شکل //GP Al{1 0 0}، فاز همبسته صفحه ای شکل “//θ Al{1 0 0}، فاز نیمه همبسته صفحه ای شکل //θ’ Al{1 0 0}، فاز نا همبسته.

آلیاژهای آلومینیوم مقاومت به خوردگی خوبی برخوردار هستند. این آلیاژها در محدوده بین ۲۰۰ و ۲۵۰ درجه سانتی گراد ( ۳۹۲ و ۴۸۲ درجه فارنهایت ) نسبت به درجه حرارت بالا حساس، وقتی در معرض دمای زیر صفر قرار می‌گیرند استحکام شان افزایش و در دماهای بالا استحکام شان را از دست می دهند. از این آلیاژ در جاهایی که نسبت استحکام به وزن بالا و مقاومت خستگی خوب مورد نیاز باشد استفاده می‌شود. آلومینیوم ۲۰۲۴ بیشتر در صنایع هوافضا مورد استفاده قرار می گیرد. این آلیاژ اولین سری از آلیاژهای دست یافته به دست بشر است که عملیات حرارتی‌پذیری با استحکام بالا از خود بروز دادند. حدود سالهای ۱۹۳۶تا۱۹۳۸ میلادی بصورت همزمان در کشورهای آلمان و آمریکا ذوب و ریخته گری آلیاژ آلومینیوم ۲۰۲۴ آغاز شد. برای تولید بیلت های آلیاژ ۲۰۲۴ از روش تبرید مستقیم استفاده می کردند. افزایش تقاضا برای ساخت هواپیماها و عملکرد خوب و مناسب آلیاژ ۲۰۲۴ در بدنه هواپیماها روند تولید بیلت های این آلیاژ را تسریع کرد. با شروع جنگ جهانی دوم سارندگان تجهیزات و ادوات نظامی هم اقبال بسیار زیادی به آلیاژ ۲۰۲۴ نشان دادند. بسیار جالب است اگر بدانید که سری آلیاژی ۲۰۰۰ و آلیاژ ۲۰۲۴ بعنوان گل سرسبد آنها، دقیقا متضاد و مخالف آلومینیوم آلیاژ ۱۰۰۰ هستند و این دو رده خصوصیاتی تقریبا معکوس و مخالف یکدیگر دارند.

آنالیز ترکیب شیمیایی آلومینیوم ۲۰۲۴

شرایط تولید آلومینیوم ۲۰۲۴

تولید بیلت و شمش های آلیاژ ۲۰۲۴ در سطح گسترده ای در کشورهای صاحب تکنولوژی ذوب و ریخت آلومینیوم امکان پذیر است و تولید انبوه آن پیچیدگی خاصی ندارد. هم به روش ذوب و ریخت معمولی و هم به روش الکترومگنتیک قابل تولید است و آنچه بسیار حساس و حیاتی است رعایت نسبت افزودنی ها و زمان اضافه نمودن آنها به دیگ های مذاب است. آلومینیوم ۲۰۲۴ زمانی که به روش الکترومگنتیک ذوب و ریخت و تولید شود خیلی نیازی به عملیات هموژن ندارد. به دلیل اینکه آن یکنواخت سازی ساختار مدنظر بصورت عمده در دل همان روش الکترومگنتیک و در زمان ذوب ریزی بدست می آید ولی برای حصول ساختار بیشتر بین ۴ تا ۵ ساعت آلومینیوم ۲۰۲۴ را هموژن می کنند.

عملیات حرارتی آلومینیوم ۲۰۲۴

 آنیلینگ

برای آنیل، حداقل باید به مدت دو ساعت در دمای ۳۹۰ تا ۴۲۷ C° (۷۵۰ تا ۸۰۰ F°) حرارت دهی شود و در حدود ۲ ساعت خنک می شود و سپس به آرامی در کوره سرد شود. این آلیاژ را می توان با عملیات سرد با درجه حرارت C ۳۴۳ (°F۶۵۰)° به مدت ۲ ساعت بعد از آن که آلیاژ در هوا خنک می شود.

جوشکاری

روش جوشکاری مقاومتی یا جوشکاری قوسی با گاز محافظ برای آلومینیم ۲۰۲۴ استفاده می‌شود. به طور کلی روشهای دیگر جوشکاری برای آلومینیم ۲۰۲۴ توصیه نمی شود، به دلیل این که باعث کاهش مقاومت به خوردگی آلیاژ می‌شود. اگر این آلیاژ جوشکاری شود پس از آن عملیات حرارتی باید تکرار شود.

فرم دهی

آلومینیوم ۲۰۲۴ را می توان فورج کرداما بعد از فورج برای اینکه مقاومت به خوردگی خود را بدست آورد باید عملیات حرارتی شود. روش‌های متداولی برای فرم دهی ۲۰۲۴ استفاده می‌شود. اما فرم دهی گرم برای این آلیاژ توصیه نمی شود.

ماشین کاری

اگر بر روی این آلیاژ عملیات حرارتی و آنیل انجام شود و همچنین در شرایط انجماد از قابلیت ماشین‌کاری خوبی برخوردار می‌باشد. روان کننده های روغن باید در فرآیند ماشین‌کاری مورد استفاده قرار بگیرد.

پیر سختی

آلیاژ ۲۰۲۴ جنسی سخت دارد و در طول فرآیند عملیات حرارتی پیر سخت و مستحکم می‌شود. شرایط T6 هنگامی بدست می آید که آلیاژ در دمای ۴۹۳ درجه سانتی گراد (F ۹۲۰) به مدت ۱۰ ساعت در آب کوئنچ و دوباره در دمای ۱۹۰ درجه سانتی گراد (F۳۷۵) گرم و در نهایت در هوا سرد شود. شرایط T4 هم هنگامی بدست می آید که آلیاژ در دمای ۴۹۳ درجه سانتی گراد (F۹۲۰) در آب سرد کوئنچ و در نهایت در دمای اتاق سخت شود.

ایجینگ

شرایط T6 بوسیله حرارت دادن آلومینیوم ۲۰۲۴ در دمای ۴۹۳ درجه سانتی گراد (F ۹۲۰) و بعد از خنک شدن در آب و دوباره در دمای ۱۹۰ درجه سانتی گراد (F ۳۷۵) گرم و در نهایت خنک کردن در هوا حاصل می شود.

شرایط T4 هم هنگامی بدست می آید که آلیاژ در دمای ۴۹۳ درجه سانتی گراد (F ۹۲۰) و بعد از خنک شدن در آب سرد به دست می آید و در نهایت در دمای اتاق اتفاق می افتد.

خواص خوردگی آلومینیوم ۲۰۲۴  

جدول زیر خواص خوردگی آلومینیوم ۲۰۲۴ نشان می دهد:

کاربردهای آلومینیوم ۲۰۲۴

این آلیاژ در اکثر صنایع سبک و سنگین مشتریان خاص خود را داراست و از بدنه هواپیما گرفته تا کارخانه های پرچ سازی و تولید کنندگان میخ های آلومینیومی متقاضی آلومینیوم ۲۰۲۴ هستند.

چند نمونه از کاربرد آلیاژ آلومینیوم ۲۰۲۴:

  • بدنه شیرهای هیدرولیک و همچنین در صنعت کامپیوتر عموما از این آلیاژ ساخته می شوند.
  • باز هم به دلیل مهم ترین ویژگی مطلوب آلیاژ ۲۰۲۴ که همان استحکام و مقاومت بالاست انواع پرچها و میخ های آلومینیومی را با این آلیاژ می سازند.
  • این آلیاژ در ادوات پزشکی، دامپزشکی، ارتوپدی و تجهیزات و ابزارهای علمی و به طور کلی در کاربردهای عمومی مهندسی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد.
  • ساخت تجهیزات و ادوات نظامی و دفاعی پیچیدگی و حساسیت های بسیاری بهمراه دارد که آلیاژ ۲۰۲۴ به دلیل نسبت استحکام به وزن بسیار مطلوبی که دارد در این صنعت بسیار پرتقاضاست.
  • ساخت قطعات حساس خصوصا در خودروهای سنگین و تریلر ها معمولا با استفاده از آلومینیوم ۲۰۲۴ انجام می شود برای مثال رینگ خودروهای سنگین و شفت ها و پیستون ها را با آلیاژ ۲۰۲۴ می سازند.
  • به خاطر استحکام بالا و مقاومت خستگی خوب آلومینیوم ۲۰۲۴  به‌طور گسترده در سازه هواپیما به ویژه در بال و بدنه هواپیما که تحت کشش می‌باشند مورد استفاده قرار می‌گیرد. در بخشهایی از هواپیماها که نیاز به جوش دو قطعه و یا ورق آلومینیومی است، آلیاژ ۲۰۲۴ به سادگی توسط جوشکاری قوسی با گاز محافظ (GMAW) یا جوشکاری تنگستن تحت پوشش گاز محافظ (TIG) با یکدیگر جوش داده شده و در صنایع هوایی که در آن متدهای جوش دادنی مطرح و مد نظر است مورد استفاده قرار می‌گیرد.

استانداردهای دیگر آلومینیوم ۲۰۲۴

سایر مشخصه های آلومینیوم ۲۰۲۴ در جدول زیر آمده است :

ویژگی های آلومینیوم ۲۰۲۴

قابلیت شکل دهی گرم خوب، قابلیت ماشین کاری و خواص مکانیکی خوب، مقاومت به خستگی بالا از ویژگی های سری آلیاژهای آلومینیوم ۲۰۲۴ هستند، اما مقاومت به خوردگی و جوش پذیری پایینی دارد.

آلومینیم ۲۰۲۴ می‌تواند فورجینگ شود اما بعد از فورج برای رسیدن به حد مناسب مقاومت در برابر خوردگی حتما باید عملیات حرارتی شود. آلومینیوم ۲۰۲۴ فورج شده بدون عملیات حرارتی پس از فورجینگ خیلی کارایی مثبتی از خود نشان نمی دهد. آلومینیوم ۲۰۲۴ قابلیت ماشینکاری خیلی خوبی دارد که توصیه می شود ماشین‌کاری در شرایط عملیات حرارتی شده انجام شود. استفاده از روان کننده های روغنی هنگام عملیات ماشینکاری توصیه می‌شود چراکه این آلیاژ در صورت عدم رعایت روان کنندگی حین کار توانایی بالایی در آسیب به ابزارهای گرانقیمت ماشینکاری نشان داده است.

آلیاژ آلومینیوم ۲۰۲۴ اگر چه استحکام بالایی دارد ولی سطح شکل‌پذیری آن پایین است. به همین دلیل در طی فرایندهای تولید از طریق شکل­ دهی نظیر نورد، نیاز به اعمال انرژی کاری از جمله حرارت و فشار بالایی است. از این رو دستیابی به خواص مکانیکی بالا همراه با بهبود نوردپذیری مهمترین چالش در تولید این آلیاژ محسوب می‌شود.

به دلیل وجود درصد بالایی از مس در این سری از آلیاژهای آلومینیوم مقاومت در برابر خوردگی آلیاژ ۲۰۲۴ نسبتاً پایین بوده و همین مسئله موجب می‌شود که آنودایزینگ آلومینیوم‌ ۲۰۲۴ کمی سخت و دشوار باشد. به دلیل وجود مس، رنگ آنودایز طبیعی آن به زیتونی متمایل می‌شود و همین مسئله باعث می‌شود که این سری آلیاژی برای استفاده‌های دکوری خیلی طرفدار نداشته باشند. به دلیل اینکه سطح مقاومت آلومینیوم ۲۰۲۴ در برابر خوردگی چندان بالا نیست استفاده از آن در مبلمان شهری و نماهای ساختمانها خیلی توصیه نمی گردد و جدیدا با یک پوشش خاص بر روی آنها تا حدودی مقاومت در برابر خوردگی آلیاژ ۲۰۲۴ را افزایش داده اند.

خواص مکانیکی آلومینیوم ۲۰۲۴

جدول زیر خواص مکانیکی آلومینیوم ۲۰۲۴ را نشان می دهد:

خواص فیزیکی آلومینیوم ۲۰۲۴

جدول زیر خواص فیزیکی آلومینیوم ۲۰۲۴ را نشان می دهد:

مشاهده می شود که در خواص مکانیکی و خواص فیزیکی متفاوت هستند ولی از آنالیز و ترکیب شیمیایی یکسان بهره می برند.