التطبيقات مع المعادن والسبائك
يجب أن تفي المعادن المستخدمة كمواد بمتطلبات معينة حسب الاستخدام المقصود منها. فقط إذا كانت الخصائص مثل الصلابةوالقوة والتمدد الحراري والتوصيل الحراري أو الأكسدة وسلوك التآكل والتآكل تتوافق مع ظروف الاستخدام، يمكن ضمان أقصى قدر من المتانة والعمر التشغيلي الطويل.
وبما أن هذا يحد بشدة من قابلية استخدام المعادن النقية، فغالبًا ما يتم خلطها مع معادن أخرى أو شبه فلزات أو غير فلزات. وتتميز هذه المعادن المختلطة، والمعروفة أيضًا باسم السبائك، بخصائص مادية محسّنة وبالتالي توسع نطاق الاستخدامات بشكل كبير.
تكنولوجيا القياس الفيزيائية مثل التحليل الحراري التفاضليالفحص المجهري التسخينيالمسح الحراري التفاضلي أو قياس الثقل الحراري تحليل السلوك المعدني للحديد والحديد الزهر والصلب والمعادن والسبائك الأخرى فيما يتعلق بالأسئلة التالية أو ما شابهها:
- ما مدى جودة توصيل المعدن للحرارة و/أو الكهرباء؟
- ما هو التأثير الميكانيكي أو الكيميائي لدرجات حرارة معينة على فلز أو سبيكة؟
- كيف تتغير الحرارة النوعية مع زيادة درجة الحرارة؟
- عند أي درجة حرارة تحدث أكسدة سطح المعدن؟
- متى تكون السبيكة الفلزية في حالة اتزان طوري؟
التحولات الطوريةنقطة التبلور نقطة التبلوريمكن أيضًا التحقق من نقطة التبلور وتغير حالات التجميع والاستقرار الحراري للمواد الأولية للصفائح المعدنية والركائز والمنتجات المعدنية الأخرى باستخدام طرق القياس الفيزيائية. وينطبق الأمر نفسه على السعات الحرارية النوعية, معاملات التمدد الخطي و درجة الانصهار.
تقوم شركة LINSEIS بتطوير وإنتاج أنظمة قياس التحليل الحراري التي يمكن استخدامها في العديد من القطاعات الأخرى، بما في ذلك قطاع المعادن. وتشمل أهم مجالات التطبيق البحث وتطوير المنتجات واختبار الجودة.
المواد الرئيسية في التكنولوجيا والصناعة
السبائك هي مواد معدنية تلعب دورًا محوريًا في التكنولوجيا والصناعة الحديثة. ويتم تكوينها من خلال الجمع بين عنصرين على الأقل، أحدهما دائماً ما يكون فلزاً. من خلال الجمع بين المعادن واللافلزات، يمكن إنشاء مواد مخصصة بخصائص محددة لا غنى عنها للعديد من التطبيقات. بالإضافة إلى المعادن، تلعب اللافلزات أيضًا دورًا حاسمًا في تحسين السبائك.
تكوين السبائك وإنتاجها
يتم تكوين السبائك عن طريق صهر المكونات معًا في درجات حرارة عالية. يتم خلط المكونات في شكل سائل ثم تبريدها، مما يؤدي إلى تكوين شبكة معدنية مشتركة.
يمكن أن يكون لمعدل التبريد تأثير حاسم على خصائص المنتج النهائي. وبالإضافة إلى المعادن، يمكن أيضًا استخدام العناصر غير المعدنية أو شبه المعدنية مثل الكربون أو البورون أو السيليكون كعناصر إشابة، والتي يمكن أن تؤثر بشكل كبير على خواص السبيكة.
خواص السبائك
غالبًا ما تتمتع السبائك بخصائص أكثر مزايا من المعادن الأم. وتشمل أهم المزايا التي يمكن تحقيقها من خلال تكوين السبائك ما يلي
- زيادة الصلابة
- قوة محسّنة
- مرونة أكبر
- مقاومة أكبر للتآكل
هذه الخصائص المحسّنة تجعل من السبائك عنصراً لا غنى عنه في العديد من التطبيقات التقنية، لا سيما في صناعة السيارات والبناء والإلكترونيات.
أنواع السبائك
تنقسم السبائك إلى سبائك متجانسة وغير متجانسة:
- سبائك متجانسة: هنا، جميع الذرات موزعة بالتساوي في الشبكة. ومن أمثلة ذلك سبائك النحاس والذهب أو سبائك النحاس والفضة. لا يمكن تمييز المكونات الفردية عن بعضها البعض، حتى من الناحية المجهرية.
- سبائك غير متجانسة: تتوزع المكونات بشكل غير متساوٍ، ولا تتشكل شبكة ذرية مشتركة. ويؤدي ذلك إلى وجود أطوار مجهرية أو حتى ماكروسكوبية. مثال على ذلك سبيكة القصدير والرصاص.
السبائك المهمة وتطبيقاتها
Legierung | Hauptkomponenten | Verwendung |
|---|---|---|
| Bronze | Kupfer, Zinn | Kunstgegenstände, Werkzeuge |
| Messing | Kupfer, Zink | Elektronische Bauteile, Modeschmuck |
| Stahl | Eisen, Kohlenstoff | Maschinen, Autos, Schienen |
تأثير درجة الحرارة على السبائك
تؤثر درجات الحرارة بشكل كبير على خواص السبائك. يؤدي ارتفاع درجات الحرارة إلى تغيرات في البنية البلورية والخواص الميكانيكية:
- التركيب البلوري والمراحل: عند درجات حرارة معينة، تحدث تحولات طورية تؤثر على السلوك الميكانيكي للسبيكة. يمكن أن تغير هذه التحولات توزيع وحجم الرواسب والأطوار داخل السبيكة.
- الخواص الميكانيكية: تنخفض القوة والصلابة مع زيادة درجة الحرارة، بينما تزداد الليونة وقابلية الطرقة. في درجات الحرارة المرتفعة جداً، يمكن أن يحدث الزحف، وهو تشوّه بلاستيكي بطيء تحت حمل ثابت.
- الانتشار والحركة الذرية: تزيد درجات الحرارة المرتفعة من الحركة الذرية، مما يعزز عمليات الانتشار ويقلل من الضغوط في المادة. ويمكن أن يؤدي ذلك إلى خشونة البنية المجهرية، مما يؤثر على الخواص الميكانيكية للسبيكة. وبالمثل، يمكن أن يؤدي انتشار أنواع غريبة من الذرات، على سبيل المثال عند التلامس الفيزيائي مع مكوّن آخر، إلى سبيكة مختلطة عند تعرضها لدرجة الحرارة، مما يؤدي عادةً إلى تغييرات غير متوقعة في الخواص.
درجة الحرارة وسلوك الانصهار للسبائك
غالبًا ما تكون درجة انصهار السبائك أقل من درجة انصهار المعادن النقية. ويحدث هذا الانخفاض في درجة الانصهار بسبب التشوهات الشبكية وزيادة الانتروبيا في الطور السائل.
تشير الإنتروبي إلى درجة الاضطراب في النظام. في الطور السائل للسبيكة، هناك المزيد من الطرق التي يمكن أن ترتب بها الأنواع المختلفة من الذرات نفسها، مما يزيد من الإنتروبي.
تؤدي هذه الزيادة في الاضطراب إلى استقرار الطور السائل وتقلل من درجة انصهار السبيكة. تعتمد درجة الانصهار الدقيقة على عدة عوامل:
- التركيب: تؤثر نسبة عناصر السبائك على درجة الانصهار. على سبيل المثال، تتراوح درجة انصهار الفولاذ بين 1425 درجة مئوية و1540 درجة مئوية حسب محتوى الكربون.
- عناصر السبائك: تؤثر الإضافات المختلفة على درجة الانصهار. يرفعها الكروم، بينما يخفضها النيكل.
- الشوائب: يمكن أن تقلل الشوائب من درجة انصهار السبيكة لأنها تعطل بنية الشبكة.
وبالإضافة إلى ذلك، تؤثر التغيرات في درجات الحرارة على سلوك انصهار السبائك من خلال التحولات الطورية أو حدوث اللدونة الفائقة، مما يزيد بشكل كبير من قابلية التشكيل في درجات الحرارة العالية.
دور اللافلزات في السبائك
على الرغم من انخفاض نسبتها في السبائك، إلا أنه لا غنى عن المعادن غير المعدنية لأنها تساهم بشكل حاسم في تحسين خصائص المواد:
- الكربون: مكون أساسي في سبائك الصلب يؤثر بشكل كبير على الصلابة والقوة. وتختلف الخواص الميكانيكية للفولاذ بشكل كبير حسب محتوى الكربون.
- السيليكون: غالبًا ما يستخدم كمادة مضافة في سبائك الألومنيوم لتحسين قابلية الصب. تُستخدم سبائك الألومنيوم والسيليكون (السيليكون) في صناعة السيارات في الأجزاء المصبوبة.
- البورون: حتى بكميات صغيرة، يكون للبورون تأثير كبير على الخواص الميكانيكية للسبائك من خلال زيادة صلابتها.
غير المعادن غير المعدنية المستخدمة بكثرة في صناعة السيارات
تلعب اللافلزات دوراً متزايد الأهمية في صناعة السيارات، لا سيما في مجالات الإنشاءات خفيفة الوزن وتكنولوجيا البطاريات والإلكترونيات. واللافلزات غير المعدنية الشائعة الاستخدام في الصناعة هي
- الكربون: في شكل ألياف الكربون، يتم استخدامه بشكل متزايد في المكونات خفيفة الوزن لتقليل وزن السيارة وزيادة الكفاءة. ويوجد الكربون أيضاً في سبائك الفولاذ التي تُستخدم في الهيكل والأجزاء الهيكلية.
- السيليكون: يُستخدم السيليكون في سبائك الألومنيوم، خاصةً في الأجزاء المصبوبة في هندسة السيارات. كما أنه عنصر أساسي في إلكترونيات السيارات، حيث يُستخدم في أشباه الموصلات والرقائق الدقيقة.
- الكبريت: يستخدم الكبريت في مركبات المطاط المستخدمة في صناعة إطارات السيارات.
- البلاتين والبلاديوم: يُستخدم هذان المعدنان غير المعدنيان في المحولات الحفازة للحد من الانبعاثات الضارة. وهي ضرورية للامتثال للمعايير البيئية وتلعب دوراً مهماً في تكنولوجيا خلايا الوقود للمركبات الهيدروجينية.
- البورون: يُستخدم البورون كعنصر سبيكة لتقوية الفولاذ ويستخدم في المكونات عالية القوة.
التطبيقات التقنية للقطع غير المعدنية في صناعة السيارات
تهيمن غير المعادن على المكونات التالية على وجه الخصوص:
- المحفزات: تعد المواد غير المعدنية مثل البلاتين والبلاديوم مكونات أساسية في المحولات الحفازة التي تقلل من الانبعاثات الضارة. تساعد هذه المواد على الوفاء باللوائح البيئية الصارمة وتلعب دوراً مهماً في تحسين جودة الهواء.
- خلايا الوقود: عادةً ما تحتوي مركبات خلايا الوقود الهيدروجينية على أغشية معقدة وأقطاب كهربائية مصنوعة من البلاتين أو الكربون، على سبيل المثال. وتزداد أهمية هذه التقنيات مع زيادة تطوير تقنيات القيادة البديلة.
- الإلكترونيات وأجهزة الاستشعار: لا يمكن الاستغناء عن أشباه الموصلات غير المعدنية مثل السيليكون في الإلكترونيات وأجهزة الاستشعار في المركبات الحديثة، والتي أصبحت مؤتمتة بشكل متزايد.
- تكنولوجيا البطاريات: تلعب المواد غير المعدنية مثل الجرافيت دورًا رئيسيًا في تطوير تقنيات البطاريات الحديثة للسيارات الكهربائية. تعمل هذه المواد على تحسين أداء البطاريات وعمرها التشغيلي بشكل كبير.
- الحماية من التآكل: تحمي الطلاءات غير المعدنية والمواد المضافة المكونات المعدنية من التآكل وبالتالي تطيل من عمرها التشغيلي، خاصةً في الظروف البيئية القاسية.
- المواد المركبة: في صناعة السيارات، غالبًا ما يتم الجمع بين المواد المعدنية وغير المعدنية لإنتاج مواد مركبة تجمع بين القوة العالية والوزن المنخفض.
التطورات الجديدة في السبائك واللافلزات غير المعدنية
ويرافق التطوير الإضافي للتكنولوجيا أيضًا ابتكارات في مجال السبائك واللافلزات. ومن الأمثلة على ذلك السبائك عالية القوة وخفيفة الوزن، مثل سبائك التيتانيوم والألومنيوم أو سبائك المغنيسيوم، والتي تُستخدم في مجال صناعة الطيران وهندسة السيارات نظراً لقوتها وخفة وزنها.
المعادن غير المتبلورة، والمعروفة أيضًا باسم الزجاج المعدني، هي ابتكار آخر. تتميز هذه السبائك الجديدة بترتيب ذري غير منتظم وتتميز بقوة استثنائية وقابلية تشكيل استثنائية. وهي توفر تطبيقات محتملة في التكنولوجيا المتقدمة والتكنولوجيا الطبية.
كما تكتسب
إعادة التدوير والاستدامة
تلعب قابلية إعادة تدوير السبائك والمعادن غير المعدنية دورًا متزايد الأهمية، خاصة في صناعات مثل قطاعي السيارات والفضاء.
هناك تركيز متزايد على مفهوم الاقتصاد الدائري لإعادة استخدام مواد مثل الألومنيوم والصلب وتقليل الأثر البيئي.
وهناك أيضاً تركيز متزايد على استخدام مصادر مستدامة للمواد الخام لضمان أن تأتي المعادن الهامة مثل الليثيوم أو البلاتين من مصادر خالية من النزاعات وصديقة للبيئة.
التصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد) في علم المعادن
هناك تقدم كبير في معالجة السبائك يتمثل في التصنيع الإضافي، المعروف أيضًا باسم الطباعة ثلاثية الأبعاد. تتيح هذه التقنية إنتاج هياكل معقدة مباشرةً من مساحيق السبائك، والتي يتم استخدامها بشكل متزايد في كل من صناعات السيارات والفضاء. وباستخدام
التوقعات المستقبلية
ستستمر أهمية استخدام السبائك واللافلزات في النمو خلال العقود القادمة. وستزداد أهمية هذه المواد، لا سيما في مجالات مثل التنقل الكهربائي واقتصاد الهيدروجين.
تلعب السبائك خفيفة الوزن وتقنيات البطاريات المتقدمة دوراً رئيسياً في مواصلة تطوير السيارات الكهربائية.
وبالإضافة إلى ذلك، سيزداد الطلب على البلاتين في تكنولوجيا خلايا الوقود مع زيادة أهمية الهيدروجين كمصدر بديل للطاقة.
الخاتمة
تُعد السبائك واللافلزات مكونات أساسية للتكنولوجيا والصناعة الحديثة. فهي تقدم حلولاً مخصصة لمجموعة واسعة من التطبيقات، خاصة في صناعة السيارات، حيث تساعد على زيادة الكفاءة والامتثال للمعايير البيئية.
يعد التحكم في درجة الحرارة والتركيب أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق الخصائص المرغوبة لهذه المواد وزيادة تحسين تطبيقاتها المحتملة. وبالإضافة إلى ذلك، ستزيد الأبحاث والابتكارات الجارية من استخدام السبائك واللافلزات في مجالات جديدة، لا سيما فيما يتعلق بالاستدامة وتقنيات التصنيع الجديدة مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد.
