آلیاژهای قابل ذوب

آلیاژهای همجوشی آلیاژهای فلزی هستند که در دماهای پایین معمولاً زیر 300 درجه فارنهایت یا 150 درجه سانتیگراد ذوب می شوند. بسیاری از آلیاژهای همجوشی دارای ترکیبات یوتکتیک هستند و اغلب بر پایه بیسموت در ترکیب با سرب، قلع ، آنتیموان، گالیم، کادمیوم، روی و آلیاژ ایندیم هستند. اجزای تشکیل دهنده برخی از آلیاژهای همجوشی بر پایه گالیم یا بر پایه ایندیم هستند. آلیاژهای گداز پذیر اساساً پایدار و بی اثر هستند - به ویژه هنگامی که با عناصر فلزی در طرف دیگر یا جدول تناوبی (مانند K، Na، Li) مقایسه می شوند. در حالی که فلزات قلیایی (Li، Na، K، Rb، Cs) و خاک قلیایی (Mg، Ca، Sr، Ba) نیز دارای نقطه ذوب پایینی هستند، آلیاژهای این فلزات به دلیل ماهیت ناپایدار معمولاً از گروه آلیاژهای ذوب پذیر حذف می شوند. و واکنش پذیری آلیاژهای با نقطه ذوب پایین معمولاً به شکل میله های جامد، شمش، پودر، روبان جامد، سیم و فرم های خاص موجود می باشند.

نقطه ذوب بسیار پایین آلیاژهای قابل ذوب، ذوب یا ریخته گری آنها را آسان می کند. برخی از آلیاژهای همجوشی مانند جیوه در کف دست ذوب می شوند یا زیر دمای اتاق مایع می مانند. این ترکیبات همچنین می توانند برای تولید محدوده دمای ذوب یا نقطه ذوب مورد نظر برای کاربردهای فناوری خاص مهندسی شوند. اکثر آلیاژهای همجوشی دارای فشار بخار کم، رسانایی حرارتی خوب، سیالیت مایع بالا، قابلیت استفاده مجدد آسان با ذوب مجدد و خواص ابعادی حرارتی کنترل شده هستند. برخی از فلزات مورد استفاده برای ترکیب آلیاژهای همجوشی، متالوئیدها یا فلزات بلوک p در گروه‌های 13 تا 15 یا 16 هستند. این فلزات ویژگی‌هایی مانند تمایل به پیوند جهتی، تشکیل ترکیبات کووالانسی، تشکیل اکسید آمفوتریک، اعداد هماهنگی کم، نیمه‌رسانا، یا توانایی تشکیل نیمه هادی های مرکب.

انواع آلیاژهای قابل ذوب

آلیاژهای همجوشی معمولاً بر اساس برخی از فلزات یا عناصر پس از گذار مانند گالیم (Ga)، ایندیم (In)، قلع (Sn) و بیسموت (Bi) هستند. روی (Zn)، آنتیموان (Sb)، تالیم (Tl)، سرب (Pb)، جیوه (Hg)، تلوریم (Te) و کادمیوم (Cd) گاهی اوقات در فهرست ترکیبات آلیاژی قابل ذوب گنجانده می شوند. با این حال، نقاط ذوب، سمیت، واکنش پذیری یا شکنندگی برخی از این عناصر ممکن است استفاده از آنها را فقط به افزودنی های آلیاژی یا ترکیبات ثانویه محدود کند.

ترکیب

آلیاژ همجوشی مبتنی بر بیسموت - آلیاژهای همجوشی مبتنی بر بیسموت دارای ترکیباتی هستند که 50٪ یا عنصر اصلی تشکیل دهنده آن گالیم است. اکثر آلیاژهای قابل ذوب بر پایه بیسموت یا حاوی مقدار قابل توجهی بیسموت هستند. آلیاژهای همجوشی مبتنی بر بیسموت به دلیل ویژگی منحصر به فرد بیسموت خالص که 3.3 درصد پس از انجماد منبسط می شود، مطلوب هستند. محتوای بیسموت در یک آلیاژ ذوب پذیر برای تولید یک آلیاژ قابل ذوب با ویژگی های انقباض یا انبساط مطلوب تنظیم می شود. آلیاژهای بیسموت حاوی بیش از 55 درصد بیسموت منبسط می شوند در حالی که آلیاژهای با کمتر از 48 درصد در طول انجماد منقبض می شوند. آلیاژهایی با سطوح بیسموت از 48 تا 55 درصد تغییر حجم کمی از خود نشان می دهند. بیسموت دارای ویژگی های شکل پذیری کم یا ماهیت شکننده است.

آلیاژهای همجوشی مبتنی بر گالیوم - آلیاژهای گدایی مبتنی بر گالیوم دارای ترکیباتی هستند که 50٪ یا عنصر اصلی تشکیل دهنده آن گالیم است. گالیم حتی به شکل غیر آلیاژی خود دارای نقطه ذوب بسیار پایینی است که به فلز خالص اجازه می دهد در دست شما ذوب شود. گالیم را می توان برای کاهش نقطه ذوب آن آلیاژ کرد. Gallinstan® یک آلیاژ ثبت شده است که حاوی گالیم، ایندیم و قلع است و در دمای -4 درجه فارنهایت (20 درجه سانتیگراد) ذوب می شود. آلیاژهای گالیوم به راحتی مواد شیشه و سرامیک را خیس می کنند، که لحیم کاری را تسهیل می کند و اجازه می دهد سطوح آینه تولید شود. کریستال‌های گالیوم نیز هنگامی که یک میله جامد یا فلز خالص خم می‌شود، «فریاد» مانند قلع تولید می‌کنند.

آلیاژهای همجوشی مبتنی بر ایندیم - آلیاژهای همجوشی مبتنی بر گالیوم دارای ترکیباتی هستند که 50٪ یا عنصر اصلی تشکیل دهنده آن گالیم است. آلیاژهای همجوشی مبتنی بر ایندیم قابلیت مرطوب شدن و چسبیدن به سطوح سرامیکی و شیشه ای را دارند که می تواند یک ویژگی مفید در کاربردهای آب بندی و چسبندگی باشد.

آلیاژهای همجوشی مبتنی بر قلع - آلیاژهای همجوشی مبتنی بر قلع دارای ترکیباتی هستند که 50٪ یا عنصر اصلی تشکیل دهنده آن قلع است. پیوتر یک آلیاژ قلع معروف است که قرن هاست مورد استفاده قرار می گیرد. قلع یک فلز چکش خوار و نسبتاً انعطاف پذیر است. هنگامی که یک میله از قلع خالص خم می شود، کریستال ها شکسته می شوند و یک "گریه قلع" مشخص می شود که نتیجه دوقلویی یا برش شدن کریستال های قلع فلز است.

مواد افزودنی

مواد افزودنی آلیاژی قابل گداخت – آنتیموان، قلع، سرب، نقره، بیسموت و فلزات عنصری کادمیوم از ترکیبات یا افزودنی‌هایی هستند که معمولاً در طول تشکیل آلیاژ استفاده می‌شوند. کادمیوم و سرب به عنوان مواد محدود یا خطرناک در نظر گرفته می شوند که استفاده از آنها را در برخی کاربردها محدود می کند.

یوتکتیک در مقابل غیر یوتکتیک

آلیاژهای گداخت پذیر غیر یوتکتیک - آلیاژهای گداخت پذیر غیر یوتکتیک در طیف وسیعی از دما ذوب می شوند. آنها بین دمای مایع و جامد خود لجن هستند. در هنگام خنک شدن از حالت مایع، آلیاژهای غیر یوتکتیک در دمای مایع خود شروع به جامد شدن می کنند («نقطه ذوب»، جایی که ذوب کامل می شود و انجماد به پایان می رسد) و انجماد کامل در دمای جامد خود («نقطه انجماد»، ذوب شروع می شود و انجماد کامل می شود) .

آلیاژهای همجوشی یوتکتیک - بسیاری از آلیاژهای همجوشی دارای ترکیبات یوتکتیکی هستند که نقطه ذوب مشخصی مشابه فلز خالص برای آلیاژ فراهم می کند. در آلیاژهای یوتکتیک، دمای مایع برابر با دمای جامد است.

مشخصات

نقطه ذوب یا محدوده - برای فلزات خالص و آلیاژهای یوتکتیک، نقطه ذوب یک مشخصات مهم است، زیرا در برخی از کاربردها آلیاژ باید اجازه دهد مکانیزم یا فشار آزاد شود یا در دمای خاصی فعال شود (مثلاً تایمرهای بوقلمون، شاخه های تخلیه دیگ). آلیاژهای غیر یوتکتیک در محدوده دمایی بین دمای جامد و مایع ذوب یا جامد می شوند. در طول انجماد، آلیاژهای غیر یوتکتیک از حالت مایع، به مخلوط جامد و مایع لجن‌دار و سپس به حالت جامد تبدیل می‌شوند.

نقطه ذوب عناصر تشکیل دهنده اعتبار جدول: IHS Engineering 360

تغییرات چگالی و انقباض در انجماد - چگالی فلز در حالت مایع و جامد یا تغییر چگالی در طول انجماد مهم است زیرا نشان می دهد که آیا انقباض یا انبساط ابعادی رخ خواهد داد یا خیر. بیسموت و گالیم در حالت جامد در مقابل حالت مایع چگال تر هستند که در طی انجماد منبسط می شوند. نمودار زیر چگالی فلزات تشکیل دهنده آلیاژ قابل ذوب را در حالت مایع و جامد نشان می دهد.

چگالی (حالت مایع و حالت جامد) عناصر تشکیل دهنده. اعتبار جدول: IHS Engineering 360

در صورتی که آلیاژ قابل ذوب به عنوان جزئی در طراحی یا به عنوان ابزار در طول فرآیند تولید استفاده شود، مشخصات زیر می تواند مهم باشد.

استحکام (UTS، شکست) - استحکام کششی نهایی (UTS) در هنگام شکست، حداکثر مقدار تنش مورد نیاز برای شکست یا شکستن ماده در شرایط آزمایش بارگذاری کششی است.

استحکام تسلیم (YS) - استحکام تسلیم (YS) حداکثر مقدار تنش مورد نیاز برای تغییر شکل یا ایجاد تغییر شکل پلاستیک دائمی (معمولاً 0.2٪) در ماده تحت شرایط آزمایش بارگذاری کششی است. نقطه تسلیم زمانی رخ می دهد که رفتار تنش-کرنش الاستیک یا خطی به رفتار پلاستیکی یا غیرخطی تغییر کند. مواد شکل‌پذیر معمولاً از قانون هوک یا رفتار خطی در سطوح تنش بالاتر منحرف می‌شوند.

ازدیاد طول (%): ازدیاد طول، درصد تغییر شکلی است که در طول آزمایش کشش یا سایر آزمایش‌های مکانیکی رخ می‌دهد. درصد کشیدگی نشانی از شکل پذیری آلیاژ گداخت پذیر را نشان می دهد. کشیدگی کم نشان دهنده یک ماده شکننده است.

مدول کششی (E) - مدول کششی، مدول یانگ یا مدول الاستیسیته (E) یک ثابت ماده است که نشان دهنده تغییر در کرنش تولید شده تحت یک بار کششی اعمال شده است. مواد با مدول الاستیسیته بالاتر، سفتی یا سفتی بالاتری دارند

برنامه های کاربردی

برخی از کاربردهای رایج آلیاژهای همجوشی در زیر توضیح داده شده است.

لنگر/گیره - کاربردهای لنگر شامل نگهدارنده بوشینگ ها ، یاتاقان ها و قطعات غیر متحرک در ماشین آلات است. محکم کردن سر پانچ برای سوراخ کردن ورق فلز. تثبیت آهنرباهای دائمی در وسایل نگهداری کار. تنظیم یا خفه کردن پیچ و مهره ها یا ماشین آلات روی کف. و لنگر انداختن تیغه‌های چاقو، اسکنه‌ها، یا میل ابزار به دسته‌های چوبی.

کمک خمشی - استفاده از آلیاژهای قابل ذوب در خمش لوله می تواند از کمانش لوله جدار نازک بر روی شعاع های خمشی تیز جلوگیری کند. در طول فرآیند خم شدن لوله، آلیاژ جامد ذوب شده در لوله مانند یک سنبه داخلی عمل می کند که اجازه می دهد شعاع های کوچکتری از لوله بدون فروریختن یا گیرکردن لوله تشکیل شود.

اتصال و آب بندی - آلیاژهای همجوشی در آب بندی و اتصال دستگاه های الکترونیکی حساس، شیشه، سرامیک و مواد حساس به دما مانند پلاستیک های دستگاه اتصال قالبی (MID) استفاده می شوند. از آلیاژهای قابل ذوب برای قفل یا آب بندی پیچ های تنظیم قابل تنظیم استفاده شده است.

ریخته‌گری و قالب‌گیری - قالب‌های آلیاژی همجوشی برای ریخته‌گری رزین و گلدان یا کپسوله‌سازی دستگاه‌های الکترونیکی یا الکتریکی استفاده می‌شوند. این قالب‌ها نسبت به قالب‌های فولادی یا آلومینیومی انعطاف‌پذیری بیشتری دارند و هزینه‌های ماشینکاری فلزات گران قیمت را حذف می‌کنند.

کامپوزیت ها - هسته های قابل ذوب امکان ساخت قطعات پیچیده کامپوزیت قالب گیری شده در هوافضا با حفره های داخلی توخالی و برش های زیرین را می دهند. علاوه بر کاربردهای کامپوزیت قالب‌گیری، سنبه‌های همجوشی در طی فرآیندهای سیم پیچی رشته‌ای و ورقه‌سازی کامپوزیت فایبر شیشه استفاده می‌شوند.

دندانپزشکی- آلیاژهای همجوشی در توسعه مدل‌های دندانی و دستگاه‌های مصنوعی استفاده شده‌اند. آلیاژهای همجوشی همچنین محافظ و یک ماده کنتراست رادیواپاک را در طول پرتودرمانی یا تشخیص اشعه ایکس برای بیماران فراهم می کنند.

قالب / ابزار - قالب های چکش قطره ای، قالب های برجسته، بلوک های قالب کششی، چاک های چرخان، ابزارهای شکل دهی هیدرودینامیکی و سایر ابزارهای شکل دهی پلاستیکی یا فلزی با موفقیت با آلیاژهای همجوشی ساخته شده اند.

الکتروفرمینگ - سنبه های الکتروشکل دهی قابل مصرف برای اشکال پیچیده را می توان تشکیل داد، که در آن یک فلز روی سنبه آلیاژی ذوب شده آبکاری شده یا الکترونه گذاری می شود و سپس ذوب می شود و قسمت الکتروشکل شده پیچیده را پشت سر می گذارد.

سوئیچ ها و حسگرهای الکتریکی - آلیاژهای ذوب شونده با دمای بسیار پایین به عنوان جایگزینی برای جیوه در کلیدها یا کلیدهای شیب دار استفاده می شوند. ترکیبات آلیاژی قابل ذوب را می توان برای تولید جایگزین های جیوه بی خطر برای محیط زیست یا «آلیاژهای فلزی مایع» که در دمای اتاق یا کمتر از آن مذاب هستند، مهندسی کرد.

ریخته‌گری ثابت/بازرسی: آلیاژهای ذوب‌پذیر نیز برای تکرار یا اثبات هندسه یا سطوح اجزاء با ریخته‌گری لایه‌ای از آلیاژ ذوب‌پذیر بر روی یک قطعه استفاده می‌شوند.

نمونه سازی سریع / چاپ سه بعدی - نقطه ذوب پایین آلیاژهای همجوشی، ساخت سریع قطعات پرینت سه بعدی یا ریخته گری اشکال در قالب های پلاستیکی چاپ شده سه بعدی را امکان پذیر می کند. قالب ها همچنین می توانند به سرعت برای نمونه سازی قطعات پلاستیکی یا الاستومری قالب گیری شده ریخته شوند.

وسایل ایمنی/حفاظت در برابر آتش- اجزای آلیاژی قابل ذوب عناصر حیاتی در اسپرینکلرهای آتش سوزی ، شمع های تخلیه دیگ بخار، قطعات استفاده حرارتی و ترموستات ها هستند، زیرا آلیاژهای قابل ذوب در دمای پایین یا محدوده دمایی خاص ذوب می شوند و در نتیجه حفره را باز می کنند یا آزاد می کنند. یک مکانیسم

مدیریت حرارتی / انتقال حرارت - آلیاژهای قابل ذوب را می توان به عنوان مواد رابط حرارتی برای حذف گرما از یک قطعه الکترونیکی برای اتلاف از طریق یک هیت سینک استفاده کرد. آلیاژهای همجوشی مبتنی بر ایندیم و قلع، سرامیک و پلاستیک را مرطوب می‌کنند و ممکن است در هنگام دفع گرما، رابط رسانایی گرمایی بیشتری ایجاد کنند.

ترمومترها / اجزای ترموستات - آلیاژهای ذوب شده با دمای بسیار پایین به عنوان جایگزینی برای جیوه در دماسنج های شیشه ای استفاده می شوند. آلیاژهای قابل ذوب با ترکیبات یوتکتیک نیز به عنوان استانداردهای دما مورد استفاده قرار گرفته اند.

کاربردها

از جمله برنامه های کاربردی در حال ظهور:

• ریخته گری مداوم آلیاژهای شیشه ای

• باتری های فلزی مذاب

• ذخیره و تولید هیدروژن

• آرایه های آنتن قابل تنظیم مجدد

استانداردها

ASTM B774 - مشخصات استاندارد برای آلیاژهای با نقطه ذوب پایین

مراجع

گری کاردیس. آلیاژهای همجوشی: یک جزء طراحی و ابزار ساخت همه کاره. مهندسی 360: 2 دسامبر 2014.

نحوه استفاده از Fusible Alloys 97577 R3 - Indium Corporation

جنسون، ویلیام بی، "آلیاژ ذوب پیاز"، از مورخ بپرسید، جی. شیمی. آموزش، 2010، 87، 1050-1051.

جی آر دیویس، ویرایشگر، آلیاژهای همجوشی، ASM International.

Wierzbicki، L.، "خواص مقاومتی آلیاژهای با نقطه ذوب پایین"، مجله دستاوردها در مهندسی مواد و ساخت، 01.11.2014.

سخنرانی پروفسور سادووی در TED: حلقه گمشده انرژی های تجدیدپذیر

فناوری باتری فلزی مایع AMBRI  

https://www.globalspec.com/