خواص فلز آلومینیوم وآلیاژهای آن

فلز آلومینیوم

 

آلومینیوم با عدد اتمی 13 وجرم اتمی 26.98 عنصری فلزی است که در گروه IIIA جدول مندلیف قراردارد. این بدان معناست که اتم آلومینیوم دارای 13 الکترون در لایه اوربیتالی می باشد . تعداد الکترون های لایه آخر هر عنصر تعیین کننده ظرفیت آن عنصر است. آلومینیوم در لایه ظرفیت خود سه الکترون دارد و به همین جهت عنصری سه ظرفیتی محسوب می گردد .

این فلز نیز همچون اکثر فلزات دیگر بصورت اکسید در پوسته زمین وجود دارد. مقاومت به خوردگی آلومینیوم بسیار بالاست. آلومینیوم در اسیدها کم محلول است ولی در بازهای قوی بخوبی حل می شود. بطور مثال اسید سولفوریک خالص تاثیر چندانی بر آن ندارد. 

 

نقطعه ذوب آلومینیوم خالص 660 درجه سانتیگراد است ونقطه جوش آن 2450 درجه سانتیگراد می باشد .آلومینیوم میل ترکیبی فوق العاده ای با اکسیژن دارد که سریعا" اکسید آلومینیوم پایداری برسطح آن ایجاد می کند وهمین عامل باعث می شود تا آلومینیوم از مقاومت به خوردگی بالایی بر خوردار گردد. این عنصر از نظر فراوانی پس از اکسیژن و سیلیسیم سومین عنصر بر روی کره زمین محسوب می شود.

زمانی که یک فلز از حالت مذاب به جامد تغییر حالت می دهد، ساختاری در آن ایجاد می شود که به ساختار کریستالی آن فلز مرسوم است در این حالت اتم ها تحت الگوهای ویژه ای کنار هم قرارگرفته و ساختارهای خاصی را بوجود می آورند که متالورژیست ها با عنوان شبکه کریستالی از آن یاد می کنند. آلومینیوم، مانند فلزات مس، طلا ونقره دارای ساختار کریستالی مکعب با سطوح مرکز دار F.C.C می باشد. در این ساختار اتمها در گوشه های مکعب ومراکز سطوح کریستالی فلز قراردارند. ودر نتیجه می توانند بیشترین لغزش وحرکت راداشته باشند که موجب افزایش فرم پذیری وشکل پذیری آن فلز می شود. اکثر فلزات با شکل پذیری بالا مانند مس ،آلومینیوم و...دارای این نوع شبکه کریستالی می باشند .

 

آلومینیوم امروزه پس از فولاد پر مصرفترین فلز دنیا محسوب می شود . آلومینیوم و آلیازهای آن نقش تعیین کننده ای در صنعت معاصر دارند. چنانکه امروزه یکی از شاخص های صنعتی هر کشور میزان تولید ومصرف سرانه این فلز محسوب می گردد . 

 

مجموعه ویژگی های جالب و حیرت انگیز این فلز چنان است که سبب گشته تا در طی حدود صد سال، میزان مصرف آن پیشرفتی خارق العاده داشته باشد. بدون آلومینیوم، ساخت هواپیما وماهواره امکان پذیر نبود . وسایل نقلیه موتوری سوخت بیشتری مصرف می کردند. امکان حفظ مواد غذایی برای مدت طولانی وجود نداشت. صرفه جویی در انرژی و روشهای اقتصادی تولید سازه ها، در بسیاری از زمینه ها، تنها به خاطر وجود آلومینیوم میسر شده است. آلومینیوم ماده ضروری صنایع بسته بندی است و پوشش و حفاظتی قابل اطمینانی برای مواد غذایی و دارویی محسوب می شود. در مقابل بو و رطوبت نفوذ ناپذیر است .از تأثیر نور وحرارت برمواد بسته بندی شده جلوگیری می کند. غیر سمی و سبک وزن است وهمین نکته باعث کاهش هزینه های حمل ونقل می شود . در صنایع خودروسازی، استفاده از آلومینیوم توانسته است وزن خودرو را تاحد بسیاز زیادی کاهش دهد. در نتیجه میزان مصرف سوخت کاهش یافته و راهی جهت حفظ محیط زیست گشوده شده است .

 

مهندس برق در عصر ما بدون وجود آلومینیوم نمی توانست آن چیزی باشد که اکنون هست. امروزه، هادی ها وکابلهای برق آلومینیومی ،الکتریسته را به منزل منتقل می کنند. استفاده از آلومینیوم در سازه ها ،عمر کاری آنها را تقریبا نامحدود می کند وشکل ها ورنگ های متفاوت ونیز مزایای صنعتی زیادی به آنها می بخشد. در عایق بندی حرارتی که معیار اصلی در ارزشیابی مواد ساختمانی محسوب می شود، ساخت وتهیه پروفیل ها و ورق های آلومینیومی عایق شده بسیار رواج دارد. ساخت پنجره ، نما، در و سقف ساختمان های اداری، بیمارستان ها، کارخانه ها ومنازل نمونه هایی از موارد مصرف آلومینیوم در خودروهای سواری باعث شده تا میلیون ها لیتر سوخت در سال صرفه جویی شود. نمونه های بسیار دیگری از مصرف این فلز در صنایع مختلف وجود دارد. لذا می توان آلومینیوم را فلز مهمی خواند که بدون آن دنیای صنعتی امروز غیر قابل تصور است. 

 

آلومینیوم عنصری سبک محسوب می شود که حجم تولید آن از حجم تولید کلیه فلزات غیر آهنی بیشتر است. ویژگی ها وخواص این فلز چنان است که لقب فلز جادویی را به آن داده اند. مجموعه این خواص که در یک فلز جمع شده اند؛ راه تازه ای فرا روی صنایع مختلف باز کرده است تا بتوانند تکنولوژی را هر چه بیشتر بارورسازند.

خواص شگفت انگیز آلومینیوم

وزن مخصوص کم :چگالی سنگین ترین آلیاژ آلومینیوم g/cm3 95 / 2 است.

هدایت الکتریکی زیاد : آلومنیوم پس از نقره ،مس وطلا در مرتبه چهارم مواد هادی قرارداردهدایت الکتریکی آلومنیوم خالص در دمای 20 درجه سانتی گراد برابر%8/63IACS  بر اساس واحد حجم می باشد.

 

هدایت حرارتی زیاد: هدایت حرارتی آلومنیوم خالص (99/99%) در دمای 100-0 درجه سانتی گراد w/mk 244 وبرابربا 9/61% استاندارد IACS می باشد.

 

قابلیت های انعکاس: ورق آلومینیوم حدود 75 درصد نور و90 درصد حرارت تشعشع شده به آن را بازتاب می کند.

 

خاصیت جرقه نزدن وغیرمغناطیسی بودن: از این خاصیت آلومینیوم در صنایع نظامی والکترونیکی بهره زیادی گرفته می شود.

 

مقاومت زیاد در مقابل خوردگی : آلومنیوم خالص وقتی در هوا قرار می گیرد بلافاصله بایک لایه اکسیدی باضخامت حدود 25% میکرون پوشیده شده که با وجود ضخامت بسیار پائین ولی مانع موثری در مقابل اغلب مواد خورنده است.

 

تاریخچه وروش استخراج آلومینیوم

با وجود آنکه امروزه آلومینیوم پس از فولاد پر مصرف ترین فلز جهان محسوب می شود، اما پیشینه وسابقه تولید این فلز حتی به دوقرن هم نمی رسد ودر مقایسه با فولاد ومس که از فلزات دیر آشنای صنعت هستند فلزی جوان محسوب می شود که توانسته است با عمری کوتاه، جایگاه مصرفی وارزشی بالایی را در صنایع مختلف به خود اختصاص دهد. دلیل این عمرکوتاه و عدم استفاده از این فلز در سالهای پیشین، نوع سنگ معدن این فلز ونحوه استخراج آلومینیوم از آن می باشد. مشکل وهزینه بر بودن استخراج آلومینیوم از سنگ معدن اکسیدی آن (روش الکترولیز) باعث تاخیر حضور این فلز در توسعه صنعتی تا سالهای پس از آغاز قرن نوزدهم شد.

 

تهیه آلومینیوم در مقیاس تجاری برای اولین بار در سال 1855 توسط سن کلردویل انجام شد وبعنوان فلزی کمیاب وبسیار گرانقیمت (در حدود کیلویی 500دلار ) وارد بازار شد .به گونه ای که گفته می شود در قصر ناپلئون سوم از ظروف آلومینیومی به جای ظروف طلا جهت پذیرایی میهمانان ویژه استفاده می شد. اما کشفیات مستقل که در سال 1886 توسط هال در آمریکا وهرولت در فرانسه انجام شد به توسعه یک روش اقتصادی برای استخراج آلومینیوم با خلوص بالا به روش الکترولیزمنجر شد که هم اکنون نیز مبنای تولید صنعتی آلومینیوم محسوب می شود.

 

در سال 1888 بایر دانشمند نامی آلمان فرآیند فوق را کامل نمود وتحول عظیمی در صنعت آلومینیوم بخاطر کاهش هزینه های تولید آن ایجاد کرد. با ابداع این روش ها قیمت آلومینیوم به کمتر از 4 دلارکاهش یافت وهم اکنون قیمت آن به حدود دوتا سه دلار به ازاءهر کیلوگرم کاهش یافته است . می توان گفت قرن بیستم قرن شکوفایی صنعت آلومینیوم بوده است وهم اکنون حضور آن در صنایع حمل ونقل (هواپیما ،خودرو ،کشتی...) به خوبی قابل مشاهده است.

 

بطورکلی برای تولید فلز آلومینیوم پیمودن سه مرحله ضروری است. در مرحله نخست ،از طریق روش استخراج رو باز، مبادرت به استخراج بوکسیت می شود. بوکسیت استخراج شده در محل معدن، خرد وشکسته شده وتحت عمل پر عیار کردن قرارمی گیرد تا برای تصفیه آماده گردد . در مرحله دوم از طریق روش بایر (Bayer) عمل تصفیه صورت می گیرد. این فرآیند یک فرآیند شیمیایی است که تحت آن، آلومینا از ناخالصیها ی موجود در بوکسیت جدا می گردد. در مرحله سوم یا مرحله ذوب، از روش الکترولیز به روش "هال – هرولت" استفاده شده وفلز آلومینیوم از آلومینا بدست می آید.

 

برای تولید هر تن آلومینیوم حدود 2 تن آلومینا (که از حدود 4 تن بوکسیت استخراج شده ) و 500 کیلوگرم کربن به عنوان آند، لازم است. این روش، روش اصلی تولید آلومینیوم به شمار می رود.

 

در این فرآیند آند و کاتد هردو از جنس کربن هستند که آند از بالا وارد سلول الکترولیز می شود وکاتد در کف سلول قرار دارد. با اتصال جریان مستقیم به دلیل مقاومت زیاد الکترولیت، انرژی الکتریکی به حرارت تبدیل شده ودرجه حرارت سلول به بالاتر از 950 درجه سانتیگراد می رسد. در این در جه حرارت الکترولیت ذوب شده واکسید آلومینیوم را در خود حل می کند. این اکسید در میدان الکترولیز تجزیه می شود. یون حاوی آلومینیوم در کاتد به آلومینیوم فلزی تبدیل می گردد. یون اکسیژن نیز به آند رفته ودر تماس با کربن آند، به صورت  CO یا CO2  خارج می شود .

 

پس ازآن آلومینیوم مذاب از طریق ریخته گری پیوسته به اشکال تجاری آن تبدیل وجهت فروش عرضه می شود. 

دیگر خواص شگفت آور آلومینیوم

افزایش استحکام در دماهای پائین: در دمای 196-درجه سانتی گراد استحکام آلومینیوم به میزان 12%نسبت به دمای محیط افزایش می یابد.

 

نقطه ذوب متفاوت آلیاژهای آلومینیوم: آلومینیوم خالص در دمای 660 درجه سانتی گراد ذوب می گردد که این دما برای آلیاژهای مختلف و فشار هوا متغیراست .

 

 

نسبت استحکام به وزن بالا : چنانچه نسبت استحکام به وزن قطعات را مبنای مقایسه قراردهیم آلیاژهای آلومنیوم دارای بالاترین حد استحکام می باشد.

 

مدول الاستیک: مدول الاستیک آلومنیوم حدود یک سوم فولاد ودر حدود 65500 تا 72400 مگا پاسکال برای آلیاژهای آلومینیوم است.

پارامتر سفتی: ازاین خاصیت آلومینیوم در طراحی سازه ها جهت کاهش وزن استفاده فراوان می شود.

 

درصد ازدیاد طول : آلیاژهای آلومینیوم عموما در دمای محیط دارای درصد ازدیاد طولی برابر با 35% در آلیاژآنیل شده وکمتر از 3%برای آلیاژکرنش سخت شده هستند.

استحکام نسبی: برای ایجاد 1/0 درصدکرنش در فولاد حدود200 مگاپاسکال تنش لازم است در حالی که برای آلومینیوم این مقدار تنها 6/66 مگاپاسکال می باشد.

 

استحکام فشاری، پیچشی وسختی در آلیاژهای آلومینیوم

 

ازاین خاصیت آلومینیوم در ساخت قطعاتی که نیاز به یک سطح مقاوم به سایش بالا دارند استفاده می شود.

 

شکل پذیری بالا: از این خاصیت آلومینیوم در شکل دهی اشکال خاص وویژه که از طریق کشش عمیق قابل تولید هستند استفاده می شود.

 

چقرمگی شکست در آلیاژهای آلومینیوم

 

سمی نبودن

 

اتصال آسان

 

زیبایی آلومینیوم

 

جوش پذیری آلیاژهای آلومینیوم

 

قابلیت بازیافت آسان آلومینیوم