همه چیز در مورد فلز سبک

به فلزی که چگالی نسبی کمی دارد فلز سبک (به انگلیسی: light metal) گفته می‌شود. تعریف‌های دیگری نیز برای این فلزات ارائه شده است اما همگان آن را قبول ندارند. به آلیاژهایی چون منیزیم و آلومینیوم لفظ فلز سبک اطلاق می‌گردد زیرا برای کاهش وزن سازه‌ها و وسایل به فراوانی از آن‌ها استفاده می‌شود. به همین دلیل برلیم و تیتانیوم نیز در این دسته قرار دارند.

تقریبا 14 فلز خالص که چگالی آن‌ها مساوی یا کمتر از ۴.۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب برابر با چگالی تیتانیوم وجود دارد. که در بین آن‌ها فلزات سبکی مانند تیتانیوم، منیزیم، آلومینیوم و برلیم از نظر تجاری اهمیت بالایی دارند. چگالی آن‌ها به ترتیب 4.5، 1.7، 2.7 و 1.85 گرم بر سانتی‌متر مکعب است. همچنین ده فلز سبک دیگر، که چگالی کمتر از تیتانیوم دارند وجود دارد اما برای کاربرد سازه‌ای مناسب نیستند.

ویژگی‌ فلز سبک

آلیاژهای بر پایه تیتانیوم، منیزیم و آلومینیوم نسبت به دیگر فولادها خواص استحکام به وزن و سفتی به وزن بهتری دارند. و خاصیت سبکی مستقیما باعث افزایش استفاده از این آلیاژها برای کاربردهای گوناگون شده است.

در آلیاژهای سبک نسبت استحکام به وزن، نقش مهمی در مقایسه با آلیاژها و سایر مواد در دیاگرام اشبی دارد. زمانی که پارامترهایی مانند مقاومت در برابر خمش و سفتی برای ما مهم هستند کاهش چگالی اهمیت زیادی پیدا می‌کند. در نوموگراف اهمیت رابطه میان سفتی و چگالی نمایش داده می‌شود. سبک بودن یکی از ویژگی‌های آلیاژهای سبک است اما آن‌ها از خواص مفید دیگری نیز برخوردارند. برای مثال تیتانیوم در برابر خوردگی و خزش مقاومت بالایی از خود نشان می‌دهد. منیزیم قابلیت ماشین کاری عالی دارد و آلومینیوم از رسانایی گرمایی و الکتریکی خوبی برخوردار است و در برابر خوردگی مقاوم است. همچنین سفتی برلیم که با توجه به مدول الاستیک ویژه اندازه‌گیری می‌شود از دیگر فلزات رایج بیشتر است. برلیم از خواص زیادی برخوردار است. خاصیت دیگر آن نقطه ذوب بالا و نفوذپذیری کم آن در برابر نوترون در مقایسه با دیگر فلزات است. گرمای ویژه برلیم زیاد بوده و حدودا دو برابر منیزیم و آلومینیوم است.

فراوانی

سومین عنصر فراوان موجود در پوسته زمین و فراوانترین فلز آلومینیوم است. همچنین منیزیم هشتمین و تیتانیوم بعنوان نهمین عنصر فراوان در پوسته زمین شناخته می‌شود. برلیم در مقایسه با تعداد زیادی از فلزات، کمیاب‌تر است و از نظر فراوانی در پوسته زمین رتبه 48 را به خود اختصاص داده است.

اما در میان فلزات سازه‌ای، فلزات سبک آلومینیوم، منیزیم و تیتانیوم در پوسته زمین به ترتیب اولین، سومین و چهارمین فلز فراوان محسوب می‌شوند. در آب دریا نیز منیزیم به فراوانی وجود دارد که حدود 0.13 درصد است.

کاربرد فلز سبک

آلیاژهای سبک به طور کلی در سه دسته تجهیزات قابل حمل، صنعت حمل و نقل، تجهیزات ورزشی و تفریحی و لوازم الکترونیک کاربرد دارند. امروزه استفاده از فلزات سبک در سازه‌ها رشد قابل توجهی داشته که باعث کاهش وزن زیادی در محصولات شده است. به همین دلیل آلیاژهای سبک به صورت گسترده‌ای در صنایع حمل و نقل و به ویژه هوافضا کاربرد دارند و همین صنایع طی 50 سال اخیر نقش مهمی در پیشرفت این آلیاژها ایفا کرده‌اند. در ابتدا آلیاژهای سبک برای استفاده در صنعت هوایی گسترش یافتند اما اکنون در صنایع مختلفی کاربرد دارند.

– آلیاژهای آلومینیوم در صنعت ساخت و ساز برای ساخت پنجره‌ها، پنل‌ها و سقف‌ها به کار می‌روند. از دیگر کاربردهای آلومینیوم می‌توان به استفاده از آن در صنعت بسته‌بندی و حمل و نقل اشاره نمود. زیرا در ساخت سیستم‌های حمل و نقل و خودروها بهتر است به جای استفاده از چدن و فولاد از آلیاژ سبکی مانند آلومینیوم استفاده شود.

– فلز تیتانیوم نیز در جایی که دما بالا است و بیشتر در صنایع هوا و فضا استفاده می‌گردد. تیتانیوم در برابر خوردگی مقاومت خوبی از خود نشان می‌دهد به همین دلیل در مهندسی پزشکی، صنایع شیمیایی و فرآوری مواد غذایی به یک ماده جذاب تبدیل شده است.

-آلیاژهای منیزیم بخاطر داشتن نسبت استحکام به وزن بالا جایگزین مناسبی برای آلومینیوم و فولاد در قطعات مختلف محسوب می‌شوند. اما منیزیم به دلیل شکل‌پذیری کم در دمای پایین نسبت به آلومینیوم از محدودیت‌هایی برخوردار است.

– از برلیم به دلیل مدول الاستیک بالا و سفتی در سیستم‌های هدایت داخلی و ژیروسکوپ استفاده می‌شود. از دیگر کاربردهای برلیم می‌توان به ساخت پنجره‌های لوله‌های اشعه ایکس، اجزای سازه‌ای موشک‌ها و شیلدهای حرارتی اشاره کرد.

– لیتیوم به منظور کاهش وزن و کاهش دادن چگالی در سازه‌های هوایی به عنوان ماده آلیاژی در آلومینیوم استفاده می‌شود.

– ییتریوم از خواص عالی و قابل توجهی برخوردار است و با وجود کمیاب بودن، در فضاپیماها و هواپیماهای با سوخت هسته‌ای استفاده می‌شود.

دیگر فلزات سبک به دلیل فعالیت شیمیایی بالا یا نقطه ذوب پایین برای استفاده سازه‌ای مناسب نیستند. اما فلزات سبک کاربرد غیرسازه‌ای نیز دارند مثلا از سدیم مایع در مقادیر کم برای خنک کاری شیرهای موتورهای IC عملکرد بالا و در مقادیر زیاد برای خنک‌ کاری رآکتورهای هسته‌ای استفاده می‌شود. سدیم مایع برای خنک کاری کاربرد دارد زیرا هدایت الکتریکی آن نسبت به آب 143 برابر بهتر است و چگالی کمتری از آب دارد. دمای جوش آن نیز 833 درجه سیلسیوس است و تا وقتی که در سیستم بسته استفاده گردد ایمن است.

از فعالیت شیمیایی لیتیوم، سزیم و کلسیم برای جذب و حذف گازهای باقی‌مانده در سیستم‌های خلأ استفاده می‌شود.

بازیافت

با توجه به اینکه منابع معدنی فلزات محدود هستند و به منظور کاهش گازهای گلخانه‌ای و کاهش مصرف انرژی برای استخراج فلزات سبک، بازیافت آن‌ها برای ما مهم است. همچنین اهمیت بازیافت فلزات سبک بی ارتباط با هزینه نسبتا زیاد تولید آن‌ها نیست. برای مثال برای بازیافت ضایغات آلومینیوم فقط به 5 درصد از انرژی مورد نیاز برای تولید آلومینیوم اولیه از سنگ معدن بوکسیت نیاز است.

اما بازیافت برخی از فلزات سبک با مشکل مواجه است زیرا عناصر آلیاژی آن‌ها به راحتی قابل جداسازی یا حذف نیست. بعنوان مثال بازیافت ضایعات منیزیم در مقایسه با آلومینیوم کمتر انجام می‌شود زیرا فعالیت شیمیایی منیزیم بیشتر است و قطعات منیزیمی با فلزاتی مانند نیکل و مس آلوده می‌شوند که بر روی مقاومت آن‌ها در برابر خوردگی تاثیر می‌گذارد. اما با این مشکلات بازیافت منیزیم رو به رشد است.

بازیافت تیتانیوم کمتر مورد توجه قرار می‌گیرد. با این حال که به طور متوسط فقط 0.4 کیلوگرم از 1.3 کیلوگرم فلز تیتانیوم اسفنجی به محصول نهایی تبدیل می‌شود.

بیشتر بخوانید: فلزهای واسطه و طبقه بندی آن ها