اطلاعاتی درمورد آلومینیوم
آلومینیم یکی از فلزهای بسیار مهم و پرکاربرد در صنعت است که به دلیل وزن کم، شکل‌پذیری بالا و مقاومت مناسب در برابر خوردگی شناخته می‌شود. این عنصر شیمیایی در گروه بورون قرار دارد، عدد اتمی آن ۱۳ است و با نماد Al شناخته می‌شود. آلومینیوم خالص به علت واکنش‌پذیری زیاد، به‌ندرت به‌صورت آزاد در طبیعت دیده می‌شود و بیشتر درون سنگ‌های معدنی مختلف وجود دارد. منبع اصلی تولید این فلز در جهان نیز سنگ بوکسیت است.
نامگذاری
واژه Aluminium که در آمریکای شمالی گاهی Aluminum نوشته می‌شود، از واژه لاتین Lumen به معنای «نور» گرفته شده‌است. پیش از آنکه فلز آلومینیوم از ترکیب‌هایش جدا شود، اکسید آن را آلومین می‌نامیدند. هامفری دیوی که موفق نشد از آلومین، آلومینیوم خالص به دست آورد، ابتدا قصد داشت نام این فلز را «آلومیم» انتخاب کند، اما بعداً آن را به «آلومینم» تغییر داد تا با آلومین هماهنگ باشد. با این حال، شکل «آلومینیم» رواج بیشتری پیدا کرد، چون نام بسیاری از فلزها به «یُم» ختم می‌شود.
آلومینیم با علامت شیمیایی AL و شبکه کریستالی FCC می‌تواند اتم‌های عناصری مانند کربن، نیتروژن، بر، هیدروژن و اکسیژن را به علت شعاع اتمی کوچک خود در ساختار محلول جامد بین‌نشین جای دهد. نقطه ذوب این فلز ۶۶۰ درجه سانتیگراد و نقطه جوش آن ۲۴۷۰ درجه است. در دماهای ۱۰۰۰ درجه و بالاتر معمولاً از آلومینیم استفاده نمی‌کنند، زیرا به شدت اکسید می‌شود و ضایعات آن افزایش می‌یابد؛ با این حال، منیزیم و روی مقدار بیشتری از آلومینیم ضایعات دارند.
وزن مخصوص آلومینیم ۷/۲ است و در حالت مذاب به ۳/۲ می‌رسد، بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که در حالت مایع انبساط آن بیشتر است. درصد انقباض این فلز در فاز مایع ۱۰٪ و هنگام انجماد ۸/۶٪ است؛ به همین دلیل در قطعات آلومینیومی وجود تغذیه ضروری می‌شود. مهم‌ترین آلیاژهای آلومینیم شامل آلیاژهای این فلز با منیزیم، مس و سیلیسیم یا ترکیبی از این سه عنصر هستند. آلیاژسازی باعث می‌شود خواص مکانیکی، مقاومت به خوردگی و ماشین‌کاری آلومینیم بهبود پیدا کند.
از سوی دیگر، آلومینیم و آلیاژهای آن به خاطر نقطه ذوب پایین، سیالیت مناسب، افزایش خواص مکانیکی در نتیجه آلیاژسازی و همچنین قابلیت عملیات حرارتی، در بسیاری از فرآیندهای صنعتی جایگاه ویژه‌ای دارند. در انجماد فلزات خالص و آلیاژها نیز تفاوت مهمی دیده می‌شود؛ یک فلز خالص در دمای مشخصی منجمد می‌شود، اما یک آلیاژ معمولاً در یک بازه دمایی انجماد می‌یابد.
در عملیات گاززدایی، از گازهای فعالی مانند کلر استفاده می‌شود. اگر دما به ۱۸۰ درجه برسد، ترکیب مورد نظر به شکل حباب در می‌آید و فرار می‌شود و هیدروژن به داخل آن نفوذ می‌کند. هرچه عمق مذاب بیشتر باشد، بازده گاززدایی نیز بیشتر خواهد بود. در عمل باید ۶/۰٪ گاز کلر مصرف شود و این مقدار به نوع آلیاژ، نوع کوره، شرایط وارد کردن گاز، روش تهیه قالب و رطوبت هوا بستگی دارد. گاززدایی با کلر نسبت به ازت برتری دارد، زیرا کلر حباب‌های ریزتر و بیشتری از کلرید آلومینیم تولید می‌کند.
تاریخچه کشف آلومینیوم
فردریک وهلر بعدها بر وجود آلومینیوم خالص تأکید کرد، اما پیش از او این فلز در سال‌های قبل‌تر به‌وسیله هانس کریستین ارستد، شیمیدان و فیزیکدان دانمارکی، به دست آمده بود. در روم و یونان باستان از این فلز هم برای ثابت کردن رنگ در رنگرزی و هم برای بند آوردن خون در زخم‌ها استفاده می‌کردند و هنوز هم در برخی موارد به‌عنوان داروی بندآورنده خون به کار می‌رود. در سال ۱۷۶۱، گویتون دموروو پیشنهاد کرد که alum را آلومین (alumin) بنامند.
پیدایش و منابع
با اینکه Al یکی از عناصر فراوان پوسته زمین است و حدود ۱۸٪ از آن را تشکیل می‌دهد، اما در حالت آزاد بسیار کمیاب است. زمانی این فلز چنان ارزشمند بود که حتی از طلا گران‌تر به شمار می‌رفت. به همین دلیل، آلومینیم نسبتاً دیر وارد صنعت شد و در مقیاس تجاری فقط بیش از ۱۰۰ سال است که مورد استفاده قرار می‌گیرد. در روزهای نخست کشف، جدا کردن این فلز از سنگ‌ها بسیار دشوار بود و از آنجا که آلومینیوم زمین تقریباً همیشه به صورت ترکیب وجود دارد، تهیه آن از نظر فنی یکی از سخت‌ترین کارها محسوب می‌شد.
آلومینیوم برای مدتی از طلا هم ارزشمندتر بود، اما پس از ابداع یک روش آسان‌تر برای استخراج آن در سال ۱۸۸۹، قیمتش کاهش پیدا کرد و به‌تدریج افت کرد. در ادامه، بازیافت قطعات اسقاط به بخشی مهم از صنعت آلومینیوم تبدیل شد. بازیافت این فلز موضوع تازه‌ای نیست و از قرن نوزدهم به‌عنوان یک روش رایج شناخته می‌شد، هرچند تا اواخر دهه ۶۰ از نظر اقتصادی چندان سودآور نبود. با افزایش بازیافت قوطی‌های آلومینیومی نوشیدنی‌ها، توجه دوباره‌ای به این فلز جلب شد.
منابع بازیافت آلومینیوم بسیار متنوع‌اند و شامل اتومبیل‌ها، پنجره‌ها، درها، لوازم منزل، کانتینرها و سایر محصولات می‌شوند. یکی از ویژگی‌های مهم آلومنییوم که بازیافت آن را ارزشمند می‌کند این است که میان آلومینیوم بازیافتی و آلومینیوم تازه تولیدشده هیچ تفاوتی در کیفیت وجود ندارد. همین ویژگی باعث شده چرخه بازیافت آن در صنعت جایگاه ثابت و مهمی داشته باشد.
ویژگی‌های قابل توجه
آلومینیوم فلزی سبک، نرم و در عین حال مقاوم است که ظاهری نقره‌ای-خاکستری و نسبتاً مات دارد. وقتی در معرض هوا قرار می‌گیرد، لایه‌ای نازک از اکسید روی سطح آن شکل می‌گیرد که از فلز در برابر خوردگی محافظت می‌کند. این عنصر چکش‌خوار و انعطاف‌پذیر است و به‌راحتی خم می‌شود. همچنین دوام بالایی دارد، در برابر زنگ‌زدگی مقاوم است، خاصیت مغناطیسی ندارد و بدون جرقه است. از نظر شکل‌پذیری هم دومین فلز چکش‌خوار و ششمین فلز انعطاف‌پذیر به شمار می‌آید.
کاربردها
آلومینیوم از نظر ارزش و کاربرد، پس از آهن یکی از مهم‌ترین فلزات صنعتی محسوب می‌شود و تقریباً در تمام حوزه‌های تولید و ساخت‌وساز حضور دارد. آلومینیوم خالص اگرچه نرم و نسبتاً ضعیف است، اما با افزودن مقدار کمی از مس، منیزیوم، منگنز، سیلیکون و برخی عناصر دیگر می‌توان آلیاژهایی ساخت که ویژگی‌های بسیار مفیدی دارند. همین آلیاژها بخش مهمی از قطعات هواپیماها و راکت‌ها را تشکیل می‌دهند.
در صورتی که آلومینیوم در خلاء تبخیر شود، لایه‌ای ایجاد می‌کند که هم نور مرئی و هم گرمای تابشی را بازتاب می‌دهد. این پوشش‌ها به‌وسیله لایه محافظ نازک اکسید آلومینیوم پایدار می‌مانند و مانند پوشش‌های نقره به‌سرعت کیفیت خود را از دست نمی‌دهند. به همین دلیل، از آلومینیوم در لایه آینه‌های تلسکوپ‌های نجومی نیز استفاده می‌شود.
سبکی این فلز باعث شده در بسیاری از محصولاتی که کاهش وزن در آن‌ها اهمیت دارد، به‌عنوان یک گزینه اصلی مطرح باشد. در عین حال، مقاومت مناسب آن در برابر خوردگی، نگهداری و دوام قطعات ساخته‌شده از آلومینیوم را آسان‌تر می‌کند و همین موضوع دامنه استفاده از آن را وسیع‌تر کرده است.
فهرست کاربردها
برخی از مهم‌ترین کاربردهای آلومینیوم عبارت‌اند از:
- حمل و نقل (اتومبیل‌ها، هواپیماها، کامیون‌ها، کشتی‌ها، ناوگانهای دریایی، راه آهن و…)
- بسته‌بندی (قوطی‌ها، فویل و…)
- ساختمان (درب، پنجره، دیوار پوشها و…)
- کالاهای با دوام مصرف کننده (وسایل برقی خانگی، وسایل آشپزخانه،…)
- خطوط انتقال الکتریکی (هدایت الکتریکی آلومینیوم از مس بیشتر واز طلا کمتر می‌باشد اما استحکام مکانیکی ان در برابر کشش از مس کمتر می‌باشد و لذا برای ساخت هادی‌های آلومینیوم به منظور استفاده در خطوط انتقال از هسته‌ای فولادی برای تقویت استحکام ان در برابر کشش استفاده می‌کنند معروف‌ترین هادی آلومینیومی با ویژگی‌های بالا که در ۹۰ درصد خطوط انتقال استفاده می‌شود هادی ACSR می‌باشد.
- ماشین آلات اکسید آلومینیوم (آلومینا) بطور طبیعی و بصورت کوراندوم، سنگ سنباده، یاقوت و یاقوت کبود یافت می‌شود که در صنعت شیشه‌سازی کاربرد دارد. یاقوت و یاقوت کبود مصنوعی در لیزر برای تولید نور هم‌نوسان بکار می‌روند. آلومینیوم با انرژی زیادی اکسیده می‌شود و در نتیجه در سوخت موشکهای با سوخت و دمازاها مورد استفاده واقع می‌شود.
آلیاژهای کار شده آلومینیم
1xxx
این سری شامل آلومینیم با خلوص ۹۹٫۰۰ درصد یا بالاتر است.
2xxx
در آلیاژهای سری 2xxx، مس اصلی‌ترین عنصر آلیاژی به شمار می‌رود.
3xxx
منگنز مهم‌ترین عنصر ناخالصی در آلیاژهای سری 3xxx است.
4xxx
در سری 4xxx، سیلیسیم به‌عنوان اصلی‌ترین عنصر ناخالصی شناخته می‌شود.
5xxx
منیزیم عنصر ناخالصی اصلی در آلیاژهای سری 5xxx است.
6xxx
در آلیاژهای سری 6xxx، منیزیم و سیلیسیم مهم‌ترین عناصر ناخالصی هستند.
7xxx
روی با میزان ۱ تا ۸ درصد، عنصر آلیاژی اصلی در سری 7xxx است.
در مجموع، آلومینیوم به دلیل ترکیب کم‌وزنی، مقاومت مناسب، قابلیت آلیاژسازی و امکان بازیافت، یکی از کلیدی‌ترین فلزهای عصر صنعت به شمار می‌آید. از ساخت هواپیما و تجهیزات حمل‌ونقل گرفته تا بسته‌بندی، ساختمان و خطوط انتقال برق، این فلز در بخش‌های گوناگون زندگی روزمره و صنعت نقشی ماندگار دارد.