آلومینیوم ؛ از معدن تا مصرف

آلومینیوم از سنگ معدنی به نام بوکسیت که معمولا حاوی 40 تا 60 درصد آلومینیای هیدراته به همراه ناخالصی هایی مانند آهن اکسید ، سیلیس و تیتانیم است تهیه می شود . بوکسیت در اثر هوازدگی سطحی صخره های حاوی آلومینیوم ، مانند گرانیت و بازالت ، در مناطق گرمسیری تشکیل می شود . تولید آلومینیوم از بوکسیت دو فرایند مجزا که اغلب در دو مکان کاملا متفاوت انجام می شود را به کار می گیرد . ابتدا با استفاده از فرایند انحصاری بایر ، که اساسا عبارت است از حل کردن بوکسیت خرد شده توسط یک محلول سود غلیظ در دمای 240 درجه سانتی گراد آلومینیای خالص تهیه می شود . بخش اعظم آلومینا به این روش خارج می شود و باقی مانده آن به صورت رسوب غیر قابل انحلالی که لجن قرمز نامیده می شود و قسمت اصلی آن اکسید و سیلیکا (سیلیسیم اکسید) است از طریق فیلتر کردن جدا می شود . با افزودن بلور های آلومینیوم تری هیدرات به عنوان هسته های اولیه ، به محلول حاصل سرد شده ، واکنش شیمیایی معکوس انجام می گیرد و به این ترتیب محلول سود بازیابی شده و مجددا استفاده می شود .

تری هیدرات آلومینای حاصل را در یک کوره گردان در 1200 درجه سانتی گراد تکلیس می کنند تا آب تبلور آن گرفته شود و پودر نرم آلومینا حاصل شود . آلومینا دارای نقطه ذوب بالا (2040 درجه سانتی گراد ) و هدایت الکتریکی ضعیفی است . کلید موفقیت تولید آلومینیوم در حل کردن آلومینا در کریولیت مذاب نهفته است و یک نمونه از محلول الکترولیت دارای ترکیبی حاوی 90-80 درصد کریولیت و 8-2درصد آلومینا به همراه مواد افزودنی مانند فلوراید های آلومینیوم و کلسیم است ، اولین کریولیت از منابع غیر قابل دسترسی مانند گرنلند تهیه شده است ولی امروزه به صورت مصنوعی ساخته می شود .پوسته خارجی این سلول از یک جعبه چهار گوش فولادی آستر شده با آجر تشکیل می شود که دارای قطعات کربنی یا گرافیتی پخته شده است ، که هم به عنوان کاتد و هم به عنوان جمع آوری کننده آلومینیوم مذاب عمل می کند . آند از قطعات کربنی پیش ساخته شده است که در داخل الکترولیت غوطه ور می شود و در اثر واکنش به تدریج مصرف می گردد . در روش دیگر از الکترودهای تکی بزرگی استفاده می شود و توسط حرارت هدر رفته از سلول می پزد .حمام مربوط در دمای حدود 95 درجه سانتی گراد به کار گرفته می شود و سلول ها به صورت ردیفی که خط ظرف نامیده می شود قرار می گیرند . امروزه جریان برق برقرار شده در این سیستم تا 285000 آمپر با افت ولتاژی در حدود 5 ولت در هر سلول می رسد . آلومینیوم تولیدی در فواصل زمانی لازم از طریق سرریز کردن یا سیفون کردن خارج شده و آلومینای مورد نیاز مجددا اضافه می شود .

فاکتور مهم در تولید آلومینیوم مصرف برق است ، که امروزه علی رغم تغییرات و تصحیحاتی که در قسمت های مختلف فرآیند انجام می گیرد هنوز برق مورد نیاز برای تولید یک تن آلومینیوم از آلومینا در حدود 13000 تا 14000 کیلووات ساعت است .

نقطه ذوب آلومینیوم 660 و نقطه جوش آن 2057 درجه سلسیوس است . نقطه ذوب پایین آلومینیوم نسبت به مس (1083 درجه سلسیوس ) و آهن (1539 درجه سلسیوس) و مقایسه وزن مخصوص و سایر خواص فیزیکی و مکانیکی این سه فلز و آلیاژ های آن ها یکی از دلایل عمده گسترش روز افزون و کاربرد های آلومینیوم در صنعت می باشد ، زیرا برای ریخته گری و ذوب این فلز تقریبا امکان استفاده از تمام کوره های صنعتی ذوب معمولی و با قدرت حرارتی کم میسر است . آلومینیوم بعد از منیزیم سبک ترین فلز صنعتی است .چگالی آن برابر 2.7 گرم بر سانتی متر مکعب است . سبکی آلومینیوم یکی دیگراز عوامل مهم در کاربرد های صنعتی آن می باشد . چنانچه چگالی آلومینیوم با مس (8.9) و آهن (7.8) مقایسه شود ، نتیجه می شود که برای ساخت قطعاتی با شکل مشابه از آلومینیوم نسبت به مس بیش از سه و سه دهم برابر و نسبت به آهن حدود سه برابر افزایش وزن وجود دارد .

آلومینیوم یکی از فلزات با هدایت خوب است و هدایت حرارتی آن تقریبا 55.7 درصد مس و مقاومت الکتریکی آن برابر 2.655 میکرواهم بر سانتی متر مربع است (1.58 برابر ضعیف تر از مس )که در مقایسه با مس به نسبت چگالی ، هدایت حجمی آلومینیوم از مس بشتر است .

آلومینیوم فلزی نرم است که درصد ازدیاد طول نسبی کششی آن نسبتا بالا ولی سختی آن تقریبا کم است . قابلیت آلیاژسازی و استفاده از آلیاژ های مختلف آلومینیوم با عناصری مانند سیلیسیم ، منیزیم و مس باعث شده در حالی که خواص فیزیکی آلومینیوم نظیر وزن مخصوص افزایش قابل توجهی نداشته (حتی نقطه ذوب آن کاهش یابد )آلیاژ های مقاومی حاصل گردد که سختی آن به مقادیر بالاتری برسد و از استحکام کششی و خواص مکانیکی بسیار بالایی برخوردار باشد . یکی دیگر از مشخصات عمده آلومینیوم که در گسترش زمینه های کاربرد این عنصر و آلیاژهای آن در صنعت نقش مهم و اساسی دارد ، مقاومت این فلز در مقابل اکسیژن هوا و سایر عوامل خورنده شیمیایی نظیر آب دریا ، برخی از مواد روغنی و ...است . آلومینیوم به سرعت اکسید می شود ، ولی اکسید حاصل تشکیل یک لایه فشرده و غیره متخلخل را می دهد که از نفوذ اکسیژن به قسمت های درونی قطعه جلوگیری کرده و خود حفاظت فلز را در مقابل اکسیژن بر عهده می گیرد .

آلومینیوم صنعتی نه به صورت یک عنصر شیمیایی بلکه به صورت یک ماده در دسته های مختلف قرار می گیرد که از آلومینیوم خالص تجارتی با درجه خلوص حدود 99 درصد تا آلومینیوم ویژه خالص با درجه خلوص 99.99 درصد تغییر می کند و بدیهی است که هر یک کاربرد صنعتی خاص خود را دارد .

مهم ترین زمینه های کاربرد آلومینیوم در صنایع مختلف عبارتند از :

مصارف خانگی : نظیر کتری ، قاشق ، چنگال ، قابلمه ، و قسمت هایی از یخچال . توسعه و گسترش آلومینیوم در ساخت وسایل خانگی فوق بر دلیل متعددی استوار است که مهم ترین آن ها مقاومت آلومینیوم در مقابل اکسیژن (هوا) ، سبکی و هدایت حرارتی می باشد . علاوه بر مشخصات فوق آلیاژ های آلومینیوم که دارای مقدار بسیار کمی تیتانیوم هستند ،قابلیت شستشو و پرداخت کاری بسیار زیادی داشته و تحت نام تجاری آلپاکا وآلپاکس در ساخت قاشق و چنگال به کار می روند .

مصارف ساختمانی :

نظیر در ، پنجره ، دستگیره در و ... به صورت ریختگی و نوردی (کارشده ) توسعه و گسترش آلومینیوم در مصارف ساختمانی علاوه بر سبکی و زنگ نزدن بر استحکام نسبی و همچنین قابلیت آبکاری الکتریکی آن ها استوار است . قطعات فوق می توانند علاوه بر مقاومت در مقابل عوامل جوی و مکانیکی و تحمل نیرو های فشاری در رنگ های متنوع و ثابت تقدیم مشتریان ارجمند گردد .

مصارف شهر سازی :

نظیر لوله ، اتصالات ، پمپ های آب و ...

مهم ترین دلایل موارد مصرف آلومینیوم در این زمینه ها علاوه بر مشخصات فوق ، مقاومت آن ها در مقاومت آب و رطوبت استوار است .

مصارف هواپیمایی :

در صنایع هواپیمایی ، وزن و سبکی قطعات در کنار استحکام آن ها از اهمیت ویزه برخوردار است و همین امر باعث توسعه کاربرد آلومینیوم در صنایع گردیده است . از طرف دیگر قابلیت شکل پذیری آلومینیوم و آلیاژ های آن از طریق روش های مختلف نظیر ریخته گری ، نورد ، فشارکاری و پتک کاری (آهنگری ) باعث گردیده است که هر قطعه با مشخصات مکانیکی خواسته شده را بتوان از یکی از انواع آلیاژ های آلومینیوم تهیه کرد .

مصارف کشتی سازی و زیر دریایی :

علاوه بر سبک بودن ، مقاومت به خوردگی آلیاژ های آلومینیوم در مقابل نمک های دریا و آب دریا یکی از مهم ترین عوامل موثر در کاربرد آلومینیوم در قسمت های مختلف زیر بدنه ، پروانه ، پمپ و سایر قطعات کمکی درکشتی ها است .

مصارف تجاری و بسته بندی : نظیر بسته بندی های چای ،مواد لبنی ،پاکت شیر در بطری . آلومینیوم به عنوان لفاف و پوشش در بسته بندی انواع محصولات تجاری به منظور جلوگیری از جذب رطوبت و با توجه به سبکی آن به کار می رود ،این پدیده به دلیل آن است که آلومینیوم از طریق عملیات نورد به ضخامتی تا 7 میکرون و کمتر از آن می رسد که این فویل ها در صنایع بسته بندی مصرف گسترده ای دارد و  از آن ها در بازار به اسم عامیانه زر ورق یاد میشود.

مصارف الکتریکی : نظیر کابل ها ، اتصالات . هدایت الکتریکی مطلوب آلومینیوم و خواص هدایت الکتریکی حجمی بهتر از تمام عناصر و فلزات و به خصوص در مقایسه با مس ، دلیل اصلی استفاده از آلومینیوم در مصارف الکتریکی است .

استاندارد های آلیاژ های آلومینیوم :

آلیاژ های آلومینیوم به دو دسته آلیاژ های ریختگی و آلیاژهای نوردی ( کارپذیر ) تقسیم می شوند . هریک از دو دسته نیز به دو گروه آلیاژ های عملیات حرارت پذیر و عملیات حرارت  ناپذیر تفکیک می شوند .

ابتدا گروه 1000 در نظر گرفته شده است .این گروه در واقع آلومینیومی را نشان می دهد که حداقل خلوص آن 00/99 درصد است ، یک درصد باقی مانده شامل برخی عناصر خاص چون سیلیسیم ، آهن ، منیزیم و تعداد دیگری عناصر است که آن ها را بیشتر به عنوان ناخالصی معرفی می کنند تا عنصر آلیاژی . مقادیر این عناصر در جداول استاندارد ترکیبات آلیاژی در واقع حداکثر مجاز هر یک را نشان می دهد . این عناصر ناخالصی ، هر یک بر روی خواص مکانیکی و فیزیکی آلومینیوم تاثیر خاص خود را دارد و مقادیر بیش از حد مجاز آنها می تواند چنان تاثیری بگذارد که آلومینیوم خواص مورد در خواست را به دست نیاورد . اگر چنین چیزی اتفاق افتد لازم است که مقدار مجاز آن عنصر تغییر داده شود .

• گروه های 8000 تا 2000  را برخلاف گروه 1000 که به عنوان آلومینیوم شناخته شده است ، آلیاژ های واقعی آلومینیوم می نامند .
• آلیاژ های ریختگی آلومینیوم عموما از عناصر متعددی تشکیل یافته است که مهم ترین آن ها مس ، منیزیم و سیلیسیم می باشد . همین عناصر در مورد آلیاژ های نوردی نیز اهمیت بسیار دارند . روی و نیکل نیز دو فلزی محسوب می شوند که اهمیت آن ها بعد از سه عنصر فوق قرار دارد. عناصر دیگری نظیر تیتانیم ، بر و لیتیم از نظر آلیاژ سازی در شرایط فعلی فاقد اهمیت ولی از نظر تاثیر در جوانه زایی ، دانه بندی ، اکسیدزدایی و سایر عملیات کیفی از اهمیت ویژه برخوردارند .
• تمام آلیاژ های کار پذیر آلومینیوم ، ابتدا به صورت شمش تولید می شوند ، انواع شمشال و تختال که در نورد ، پتک کاری و فشار کاری آلومینیوم به کار میروند ، به صورت شمش تولید می شوند . عملیات کیفی ، کنترل ترکیب ، گاززدایی ، اکسیژن زدایی و جوانه زنی در ماب برای تولید شمش ها از آنچه که در شکل ریزی خواهد آمد جدا نیست .
• آلیاژ های آلومینیوم بر اساس جدول گروه بندی آلیاژ ها شامل مشخصات و ویژگی هایی اند ( مشاهده جدول گروه بندی آلیاژ ها ) :
• آلیاژ های سری 1000 : از ویژگی های مهم این سری می توان به مقاومت در برابر خوردگی ، هدایت حرارتی و الکتریکی بالا و خواص مکانیکی پایین اشاره کرد . میزان ناخالصی این سری آلیاژ بسیار ناچیز بوده ، به طوری که در منابع علمی میزان آلومینیوم آن حدود 99% ذکر شده است .
  • کاربرد صنعتی این دسته از آلیاژ ها در تجهیزات واحد های شیمیایی ، زر ورق ، ظروف و پروفیل و صنایع الکتریکی و ... می توان اشاره کرد .
  • آنادایز آلیاژ های 1000 عالی می باشد و مقاومت به خوردگی نامناسب و قابلیت کارپذیری عالی می باشد .
• آلیاژ های سری 2000 : عنصر مس در این آلیاژ ها مهم ترین عنصر مرکب بوده که معمولا به همراه منیزیم به عنوان مرکب دوم با آلومینیوم ترکیب می شوند . این گروه از آلیاژ های آلومینیوم جزو اولین نوع آلومینیوم عملیات حرارتی پذیر با استحکام بالاساخته شده . دارای کمترین مقاومت در برابر خوردگی و به همین دلیل معمولا آن ها را با آلومینیوم خالص یا یکی از آلیاژ های سری 6000 می پوشانند .
• کاربرد آن در ساخت بدنه هواپیما ها .کارپذیری ضعیفی دارند و معمولا به صورت مکانیکی به یکدیگر متصل می شوند و دارای آنادایز متوسط می باشد .
• آلیاژ های سری 3000 : عنصر اصلی آن منگنز می باشد که اضافه کردن منگنز به آلومینیوم می تواند آن را مستحکم تر کند . و اضافه کردن یک درصد منیزیم می تواند این استحکام را بیشتر نیز کند . ویژگی جوش پذیری ، شکل پذیری خوب ، هدایت الکتریکی ، انعطاف پذیری بالا و استحکام متوسط می باشد که در برابر خوردگی دارای مقاومت قابل قبول و مطلوبی هستند .
  • کاربردآلیاژهای 3000 برای ساختن وسایل آشپزخانه ، قوطی های نوشابه ، مبدل های حرارتی ، سیلندر و مخازن تحت فشار ، لوله ها و یا پردازش محصولات شیمیایی و تجهیزات ذخیره سازی استفاده می شود .
• آلیاژ های سری 4000 : آلیاژ های آلومینیوم 4000 که گروهی از آلیاژ های آلومینیوم کارپذیر هستند با عنصر سیلیسیم آلیاژ می شوند و فقط برخی از آن ها قابل عملیات حرارتی   هستند .آنادایز متوسط ومقاومت به خوردگی خوبی دارد  و دارای استحکام متوسط .
  • عمده کاربرد در ساخت سیم جوش آلومینیومی ، پیستون و قطعات پیچیده .
• آلیاژ های سری 5000 : عنصر آلیاژی اصلی منیزیم می باشد مقاومت به خوردگی عالی به طوری که حتی در آب شور نیز مقاومت می کنند .دارای چقرمگی بسیار بالا در دما های پایین (نزدیک به صفر مطلق )هستند . قابلیت جوشکاری بالا ، استحکام متوسط .
  • عمده کاربرد در صنایع ساختمانی ، سازه ها ، خودروسازی ، صنایع دریایی و قطعاتی که در دما های پایین کار می کنند .
• آلیاژ های سری 6000 : عنصر آلیاژی اصلی منزیم و سیلیسیم است . آلیاژهای گروه 6000 عملیات حرارتی پذیر بوده و مقاومت به خوردگی بالا ، استحکام متوسط وبه راحتی جوشکاری می شوند .مهم ترین ویژگی این آلیاژ ها خاصیت اکسترود پذیری آن ها است که این آلیاژ ها را به عنوان بهترین گزینه در کاربرد های ساختمانی و پروفیل سازی مطرح کرده است .
  • موارد کاربرد در محصولات اکستروژن و صنایع خودروسازی .
• آلیاژ های سری 7000 : عنصر آلیاژی اصلی روی است . آلیاژ های این گروه با روش های معمولی و تجاری به راحتی قابل جوشکاری نیستند و معمولا از طریق پرچ کاری بهم متصل می شوند . عملیات حرارتی پذیر و استحکام مناسب و مقاوم به سایش .
  • عمده کاربرد در صنایع هواپیما سازی و خودروسازی .
• آلیاژ های سری 8000 : عنصر های این گروه نیکل و آهن و لیتیم و هستند . گروهی از آلیاژ های آلومینیوم کارپذیر هستند که قابلیت عملیات حرارتی و استحکام مطلوب و رسانایی بسیار بالایی دارند . از این سری الیاژ ها می توان در نیروگاه های اتمی ، صنایع غذایی ، بلبرینگ خودرو ها ، ساخت رسانا ها و ... استفاده کرد .