آلومینیوم و خواص آن

آلومینیوم، خواص آن، آلیاژها و تمام­کاری 

تاریخچه، خواص و آلیاژها

تاریخچه صنعت فلزات سبک همانند دیگر صنایع در این قرن, یکی از توسعه­های صنعتی و گسترش­های قابل توجه و سریع می­باشد. امروزه مردم کمی وجود دارند که حداقل با تعدادی از کاربرد­های پیشرفته و مدرن آلومینیوم و آلیاژهای آن آشنا نباشند. فلزات سبک در زندگی روزمره ما به گونه­ای بازی می­کنند که درک اینکه یک قرن پیش وجود آنها  نادر بوده اند، مشکل است.

مقاومت به خوردگی عالی آلومینیومِ خالص به علت تمایل آن به جذب اکسیژن می­باشد. این تمایل باعث تولید یک فیلم اکسیدی خیلی نازک اما مستحکم و چسپنده می­شود که به محض اینکه یک قسمت تازه برش خورده از فلز در معرض اتمسفر قرار گیرد, سطح را پوشش می­دهد. این پوشش اکسیدی اهمیت زیادی در تولید هر نوع تمام کاری سطحی فلزات دارد. و همچنین این پوشش اکسیدی اساس این مطلب است که چگونه روش تمام کاری  بیشترین مقامت به خوردگی را ایجاد خواهد کرد، منظور آن گروهی از تمام کاری هاست که شامل پروسه های مختلف اکسیداسیون اندی می باشند. در اینجا، فیلم اکسیدی برای اثر بخشی توسط وسایل الکتروشیمیایی به شدت ضخیم و مستحکم می­شود.

• تاریخچه آلومینیوم

آلومینیوم یک فلز به شدت الکترونگاتیو است و تمایل زیادی به جذب اکسیژن دارد, این تمایل جدا از حرارت بالای تشکیل اکسید آن است. به همین دلیل، اگرچه آلومینیوم جزئ شش فلز دارای بیشترین توزیع فراوانی در پوسته زمین است، اما تا قبل از قرن نوزدهم ایزوله (به شکل خالص) نبود. اما، آلومینا در قرن هجدهم شناخته شده بود و نخستین تلاش ناموفق برای ایزوله کردن فلزات توسط Sir Humphry Davy در سال 1807 میلادی انجام شد. تا قبل از سال 1825 میلادی که کارگر دانمارکی، H. C. Oersted در تهیه پودر آلومینیوم به وسیله احیا کلرید آلومینیوم بدون آب با سدیم آمالگام موفق شد, آلومینیوم وجود نداشت. دو سال بعد, F. Wohler آمالگام را با پتاسیم جایگزین کرد و در بین سال­های 1827 تا 1847 میلادی تعدادی از خواص فیزیکی و شیمیایی آن را کشف و طبقه بندی کرد. اما، برای تولید تجاری فلزات زمان زیادی گذشت.

پدر صنعت فلزات سبک, احتمالا دانشمند فرانسوی، Henri Sainte-Claire Deville بود, کسی که در سال 1850 میلادی روش ووهلر برای آماده سازی را به وسیله جایگزین کردن پتاسیم با سدیم و با استفاده از کلرید سدیم و آلومینیوم دوگانه به عنوان منبع فلزی بهبود بخشید؛ بنابراین تولید آلومینیوم را به صورت یک طرح تجاری درآورد اما، قیمت فلزات همچنان با قیمت طلا قابل مقایسه بود.

زمانی که Robert Bunsen و بعد از او, Deville نشان دادند که چگونه فلز به صورت الکترولیتی از سنگ معدن آن قابل تولید است,  تولید آلومینیوم انگیزه و توجه بیشتری را به خود جلب کرد.

در سال 1885 میلادی برادران Cowle نخستین آلیاژ آلومینیوم حاوی آهن و مس را تولید کردند. در سال 1886 میلادی، الگوهای مستقل فرانسوی و آمریکایی Heroult و Hall برای تولید الکترولیتی آلومینیوم از آلومینا و کریولیت مذاب (AlF₃NaF) نتیجه داد. از آن پس، تولید آلومینیوم در اروپا با محوریت نخستین کارخانه در Neuhausen انجام شد در حالی که، فرآیند هال در ایالات متحده آمریکا و در Pitsburg به کار گرفته شده بود. تولید پیشرفته آلومینیوم از سنگ معدنی بوکسیت که حاوی 25% آلومینیوم بود, آغاز شد. بوکسیت به وسیله هضم با محلول هیدروکسید سدیم تحت فشار (فرآیند بایر) به آلومینا تبدیل می­شد و آلومینای تصفیه شده تولیدی به مخلوط مذاب کریولیت و فلوریت اضافه می­شد. این مخلوط در یک سلول با آندهای کربنی الکترولیز می­شد (شکل 1) و مخلوط مذاب از پایین سلول جاری می­شد.

2-1-خواص آلومینیوم

سه خاصیت اصلی که کاربرد آلومینیوم بر اساس آنهاست عبارتند از دانسیته کم، 7/2 گرم بر سانتی­متر مکعب، استحکام مکانیکی بالای حاصله به وسیله آلیاژسازی مناسب و عملیات حرارتی و مقاومت به خوردگی نسبتا بالای فلز خالص.

 دیگر خواص ارزشمند آن شامل رسانایی گرمایی و الکتریکی بالا, انعکاس پذیری, ارزش قراضه بالا و

• خط پیشرفته کارخانه ذوب آلکان بریتانیا در Lynemouth

ذات غیر سمی و بدون رنگ بودن محصولات خوردگی آن است که استفاده آن را در صنایع شیمیایی و فرآوری غذایی تسهیل می­کند. همچنین ویژگی­های ارزشمند دیگری نیز به وسیله عملیات­های مختلف قابل دستیابی است.

در حالت خالص، آلومینیوم یک فلز نسبتا نرم با استحکام تسلیم فقط 5/34 مگاپاسکال و استحکام کششی 90 مگاپاسکال است. از طریق توسعه محدوده گسترده­ای از آلیاژها، داکتیلیته و استحکام­های متنوعی قابل دستیابی است و همین عامل منجر به کاربردهای امروزه آن شده است. برای مثال, این محدوده از استفاده ماده فویل خیلی نازک در صنایع بسته بندی, مواد داکتیل برای قوطی­های نوشیدنی, آلیاژهای با رسانایی بالا برای اهداف الکتریکی تا آلیاژهای نسبتا کم استحکام برای صنایع ساختمانی و مواد استحکام بالا برای هواپیما و ماشین آلات نظامی و زرهی می­باشد.

آلومینیوم در حالت خالص آن مقاومت به خوردگی نسبتا بالایی دارد و نسبت به دیگر فلزات نیاز کمتری به حفاظت دارد. از طرف دیگر, فلزات تجاری و آلیاژهای آنها, با وجود مقاوم بودن, به طور مشخص به خوردگی حساس­تر هستند و توسعه آلیاژهای سبک استحکام بالای حاوی عناصر سنگین از قبیل مس,نیکل و روی نیاز برای عملیات­های محافظت سطحی را افزایش می­دهد. ذات افزودنی­های فلزی سنگین به طور قابل توجهی بر مستعد بودن آلیاژها به خوردگی و استحکام مکانیکی بالا تاثیر می_­­گذارد و مقاومت به خوردگی تاکنون بهبود عمدتا ناسازگاری داشته است. توسعه تمام کاری­های حفاظتی راضی کننده برای این فلزات اهمیت خیلی زیادی پیدا کرده است.

3-1-توسعه آلیاژهای آلومینیوم

• کشتی شاهزاده الیزابت 2 که حاوی 1000 تن صفحات اکستروژنی آلیاژ 5083 آلومینیوم می­باشد.

عناصر آلیاژی اصلی اضافه شده به آلومینیوم شامل مس، منیزیم, سیلیکون, منگنز, نیکل و روی می باشد. همه این عناصر برای افزایش استحکام آلومینیوم خالص به آن اضافه می شوند.آلیاژهای آلومینیوم را می توان به دو دسته تقسیم کرد:

گروه اول, آلیاژهای ریختگی هستند که بصورت مستقیم به اشکال مورد نظر  به وسیله یکی از سه روش ریخته گری ماسه ای, در حالیکه گروه دوم آلیاژهای شکل دهی هستند که در ابتدا بصورت شمش ریخته گری شده و سپس بصورت مکانیکی تحت کار گرم یا سرد قرار می گیرند ( اکستروژن، فورج،کشش و نورد). دسته های اصلی آلیاژها, سری 2000 (آلیاژهای Al-Cu), مواد استحکام بالا عمدتا برای استفاده در صنایع هوا فضا, سری 3000 ( آلیاژهای Al-Mn) عمدتا در صنایع کنسرو مورد استفاده قرا می گیرند, سری 5000 ( آلیاژهای Al-Mg) که بصورت محافظت نشده برای کاربردهای معماری و ساختمانی مورد استفاده قرار می گیرند, سری 6000 ( آلیاژهای Al-Mg-Si) که رایج ترین آلیاژهای اکستروژنی هستند که بصورت خاص در صنایع ساخت و ساز مورد استفاده قرار می گیرند و سری 7000 ( آلیاژهای  Al-Mg-Zn) که آلیاژهای استحکام بالا هستند و در صنایع هوافضا و نظامی مورد استفاده قرار می گیرند.

آلیاژهای مورد استفاده در هر کاربرد خاصی به فاکتورهایی از قبیل خواص مکانیکی و فیزیکی مورد نظر قیمت ماده, شرایط محیطی سرویس بستگی خواهد داشت. اگر عملیات تمام کاری به کار برده شود سپس، قابلیت آلیاژ برای تولید تمام کاری مورد نظر یک فاکتور اضافه خواهد بود که باید در نظر گرفته شود. مزیت اصلی آلومینیوم این است که همان طور که محدوده متنوعی از آلیازها با خواص مکانیکی و حفاظتی متفاوت موجود است, محدوده استثنایی از تمام کاری نیز برای آنها قابل استفاده است و این آلومینیوم را ماده ای خیلی تطبیق پذیر می کند.

2- فیلم اکسیدی تشکیل شده

زمانی که یک سطح جدید تشکیل شده از فلز آلومینیوم در معرض اتمسفر قرار می گیرد,  فورا با یک فیلم نازک اکسیدی پوشیده می شود و این فیلم اکسیدی به هنگام آسیب دیدن به سرعت مجددا تشکیل می شود. یک ویژگی مهم و مفید این فیلم اکسیدی این است که حجم مولکولی آن بصورت استوکیومتری 5/1 برابر حجم مولکولی فلز مورد استفاده در اکسیداسیون است. بنابراین این بدین معناست که فیلم اکسیدی تحت تنش فشاری است و فقط فلز را بصورت پیوسته پوشش نمیدهد بلکه با مقدار مشخص از تغییر شکل زیر لایه بدون گسیختگی می تواند از عهده این کار برآید.

• پل باسکول دوقلو در تقاطع هندون، ساندرلند، شرکت دورهام- اولین پل با ساختار تمام آلومینیومی در جهان

گزارش ها در مورد ساختار دمای پایین این فیلم اکسیدی تشکیل شده در هوا خیلی متفاوت است، اگر چه در کل، فرض شده است که دارای ساختار آمورف است که سطح بیرونی آن اکسید آلومینویم هیدراته می باشد. در دماهای بالاتر ( بالای 450 درجه سانتیگراد) فاز  بلورین تشکیل می شود و سپس در حالت مذاب، فاز   می تواند تشکیل شود.

سنیتیک رشد اکسید بر روی آلومینیوم خالص پیچیده است. مکانیزم های جدید پذیرفته شده اخیرا توسط Wefers تشریح شده تند. در دمای محیط، یک فیلم اکسید با صخامت محدود 3-2 نانومتر در طول یک روز تولید خواهد شد. اکسیداسیون حرارتی به وسیله نفوذ یون های آلومینیوم و اکسیژن در دماهای بالای 400 درجه سانتیگراد کنترل شده است و در این محدوده دمایی، قوانین نرخ پوسیدگی و فرسایش مجانبی مشاهده شده است. اما زمانی که دما افزایش یابد و به دمای 450 برسد، نرخ اکسیداسیون نمایی به رابطه خطی بین افزایش وزن و زمان تبدیل می شود. این تغییر، مکانیزم تبلور به   می­باشد که پیوستگی فیلم اکسیدی را مختل خواهد کرد. در دماهای بالای 500 درجه سانتیگراد، گزارش شده است که آماده سازی ورق، برای هم ویژگی های متالورژیکی و هم زبری سطحی، می تواند سینتیک اکسیداسیون را تغییر دهد. 

ادامه مطلب