آلومینیوم چیست؛ کاربردها، خواص و فرآیند تولید
آلومینیوم یکی از پرکاربردترین و مهمترین فلزات است که بهدلیل ویژگیهای منحصربهفرد خود، نقش بسیار مهمی در صنایع مختلف ایفا میکند. این فلز سبک، دربرابر خوردگی مقاوم است و از قابلیت بازیافت نیز برخوردار است؛ ازاینرو بهطور گسترده در حوزههایی مانند ساختمانسازی، خودروسازی، هوافضا، بستهبندی و حتی صنایع الکترونیک مورد استفاده قرار میگیرد. شناخت دقیق اینکه آلومینیوم چیست و چه ویژگیهایی دارد، به درک بهتر دلیل استفاده گسترده از آن در صنایع مختلف کمک میکند.
این فلز پس از اکسیژن و سیلیسیم، یکی از فراوانترین عناصر موجود در پوسته زمین است، اما بهدلیل فرآیندهای پیچیده استخراج و تولید، به صورت خالص در طبیعت یافت نمیشود.در این مقاله بهطور کامل بررسی میکنیم که آلومینیوم چیست، چه خواص فیزیکی و شیمیایی دارد، در چه حوزههایی کاربرد پیدا میکند و فرآیند تولید آن چگونه انجام میشود. اگر به دنبال شناخت دقیقتر این فلز هستید، تا انتهای این مطلب همراه ما باشید.
آلومینیوم چیست؟
آلومینیوم یک فلز نقرهای رنگ با نماد "Al"، عدد اتمی 13 و چگالی 2.70 گرم بر سانتیمتر مکعب است. این فلز، دومین عنصر متداول در پوسته زمین بوده و بعد از آهن پرمصرفترین است. همچنین، آلومینیوم سومین جزء پوسته زمین (28%)، پس از اکسیژن (47%) و سیلیکون (47%) محسوب میشود؛ اما تنها 8% جرمی را تشکیل میدهد. اگرچه این فلز یک ماده شیمیایی فعال است؛ اما لایه اکسیدی سخت و محکمی که بر روی سطح آن در محیط هوا ایجاد میشود، از اکسید شدن بیشتر آلومینیوم جلوگیری کرده و مقاومت آن را در برابر خوردگی بهبود بخشیده است.
آلومینیوم، فلزی سبک، قابل بازیافت و سازگار با محیط زیست است که به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی و پوشش اکسیدی طبیعی، در صنایع مختلف کاربرد گستردهای دارد. این فلز پس از آهن، پرکاربردترین فلز در جهان محسوب میشود و به شکل آلیاژهایی با قابلیت جوشکاری، ماشینکاری و پرسکاری عرضه میشود. محصولات آلومینیومی مانند پروفیل، انواع ورق و فویل با روشهایی چون اکستروژن، ریختهگری و کار سرد یا گرم تولید میشوند. برخی از آلیاژهای آن قابلیت جوشکاری ندارند، اما تنوع کاربردهای آن در صنایع مختلف از خودروسازی تا ساختمانسازی بینظیر است.
تاریخچه آلومینیوم
قدمت آلومینیوم نیز به هزاران سال پیش بازمیگردد. بیش از 5000 سال قبل از میلاد، مردم بین النهرین نوعی سفال با خاک رس میساختند که از ترکیب آلومینیوم بود. مصریها و بابلیها نیز 4000 سال پیش از ترکیبات آلومینیوم به عنوان ماده دارویی و شیمیایی استفاده میکردند. از هزاران سال پیش تا به امروز، فیزیکدانها و شیمیدانهای معروفی نظیر همفری دیوی، آلمانیفریدریش ویلر، چارلز مارتین هال و... تحقیقات گستردهای را بر روی این فلز کاربردی انجام دادند و موفق به ارتقاء جایگاه آن در تولید جهانی شدند.
با وجود اینکه یکی از فراوانترین فلزات پوسته زمین است، اما به شکل خالص یافت نمیشود و آن را از سنگهای معدنی به دست میآورند. درصد بالایی از آلومینیوم موجود در دنیا از سنگ بوکسیت حاصل شده است. از مشخصات بارز آلومینیوم نیز میتوان به مقاومت بالا و شکلپذیری مطلوب آن اشاره کرد. این عنصر یکی از مواد اصلی مورد استفاده در صنایع است که از آن، جهت دوام بیشتر محصولات استفاده میکنند. این میزان مقاومت و پایداری آلومینیوم باعث شده است که به یک فلز عالی و پرمصرف تبدیل شود.
استخراج، فرایند تولید و خالصسازی آلومینیوم
آلومینیوم یکی از فراوانترین فلزات موجود در پوسته زمین است که بهصورت خالص در طبیعت یافت نمیشود و عمدتاً در ترکیب با عناصر دیگر در سنگهای معدنی مختلف وجود دارد. مهمترین منبع استخراج این فلز، سنگ معدن بوکسیت است که بهصورت رسهای قرمز یا قهوهای رنگ در مناطق گرمسیری و نیمهگرمسیری یافت میشود. این سنگها علاوه بر آلومینیوم، حاوی ترکیباتی مانند آهن، سیلیس و سایر ناخالصیها نیز هستند و در برخی موارد بهصورت آلومینوسیلیکاتها یا کربناتها دیده میشوند.
بهطور کلی آلومینیوم به شکل ترکیباتی مانند آلومینیوم هیدروکسید و آلومینیوم سیلیکات در طبیعت وجود دارد. از برخی ترکیبات آن نیز در صنایع مختلف، بهعنوان مثال در پزشکی بهعنوان قابض و در صنعت رنگرزی بهعنوان تثبیتکننده رنگ استفاده میشود.
فرآیند تولید آلومینیوم خالص بهصورت صنعتی در دو مرحله اصلی انجام میشود:
- در مرحله اول، طی فرآیندهای شیمیایی، سنگ معدن بوکسیت به اکسید آلومینیوم (آلومینا) تبدیل میشود.
- در مرحله دوم، آلومینا طی فرآیند احیای الکترولیتی به آلومینیوم خالص تبدیل میگردد. در این مرحله از روش هال–هرولت استفاده میشود که در آن آلومینا در مذاب کریولیت حل شده و با عبور جریان الکتریکی قوی، اکسیژن از ترکیب جدا شده و فلز آلومینیوم به دست میآید.
نکته مهم این است که اکسید آلومینیوم (آلومینا) دارای نقطه ذوب بسیار بالایی در حدود 2050 درجه سانتیگراد است و همین موضوع فرآیند الکترولیز مستقیم آن را دشوار میکند. بههمیندلیل، از کریولیت برای کاهش دمای ذوب مخلوط استفاده میشود که این دما را به حدود 960 تا 980 درجه سانتیگراد کاهش میدهد و فرآیند تولید را امکانپذیر میسازد.
در نگاه صنعتی، تولید آلومینیوم از بوکسیت شامل سه مرحله اصلی است:
- استخراج و آمادهسازی سنگ معدن
- فرآیند تولید آلومینا و درنهایت
- احیای الکترولیتی برای تولید فلز آلومینیوم.
بهطور میانگین برای تولید هر یک تن آلومینیوم، حدود چهار تن بوکسیت و دو تن آلومینا مورد نیاز است. در کنار این روش، بازیافت آلومینیوم نیز نقش مهمی در تولید این فلز دارد. بازیافت آلومینیوم بهدلیل مصرف انرژی کمتر و حفظ منابع طبیعی، یکی از روشهای مهم و اقتصادی در صنعت امروز محسوب میشود و سهم قابل توجهی از تولید جهانی آلومینیوم را به خود اختصاص داده است.
کاربردهای آلومینیوم
آلومینیوم خالص به دلیل خاصیت غیرفعال شدن به طور طبیعی در طبیعت وجود ندارد. این پدیده شامل اکسید شدن فلز در حضور هوا و تشکیل یک لایه محافظ غیرفعال بر روی سطح آن میشود. در خصوص آلومینیوم، ابتدا با لایهای از اکسید آلومینیوم به ضخامت چند نانومتر پوشانده میشود و سپس، با رطوبت لایه بیرونی تحت هیدرولیز جزئی قرار میگیرد. تولید هیدروژن از آب الکترولیز شده، فرآیند الکترولیز نامیده میشود.
همچنین، با کمک جریان مستقیم، الکترولیت محلول در آب به مواد جدیدی تجزیه خواهد شد. برهمکنشی که پودر نانو مواد آلومینیوم الکتروانفجاری با آب انجام میدهد، موجب تولید هیدروژن میشود. راندمان این نوع فرآیند تولید هیدروژن نسبت به الکترولیز بیشتر است.
همانطور که اشاره شد، آلومینیوم در صنایع مختلفی با اهداف مشخص، مورد استفاده قرار میگیرد. از کاربرد آلومینیوم میتوان به استفاده در بدنه قوطیهای کنسروی و برخی وسایل آرایشی، اجزای چرخشی قطارها، واگنهای قطار و مترو، یخچال و فریزر، ماشین لباسشویی و... اشاره کرد. بنابراین، این فلز در بسیاری از وسایل زندگی ما به کار رفته است. علاوه بر این، آلومینیوم به صورت گستردهای در صنایع برق، ساختمانسازی، کشاورزی، هوانوردی و... نیز مورد استفاده تولیدکنندگان قرار میگیرد. درواقع، ارزش و کیفیت بالای آلومینیوم و در عین حال، قیمت مناسب آن باعث محبوبیتش نزد صنعتگران شده است.
ویژگی ها و خواص آلومینیوم
این فلز سبک که در برابر حرارت بسیار مقاوم است در دمای 660 درجه به مایع تبدیل میشود؛ بنابراین، ذوب آلومینیوم نیاز به نیروی الکتریکی زیادی دارد. ازاینرو، تولیدکنندگان بزرگ آلومینیوم نظیر چین، روسیه، کانادا و امارات تاسیسات خود را در مکانهایی ایجاد میکنند که به انرژی الکتریکی بالا دسترسی داشته باشند. ضمنا، ذوب آلومینیوم کار دشواری است؛ اما به راحتی قابل پردازش و شکلدهی بوده و پس از طلا به عنوان بهترین ماده رسانا شناخته میشود.
ضد زنگ بودن یکی دیگر از ویژگیهای آلومینیوم است. این فلز، مقاومت مطلوبی در برابر خوردگی و زنگزدگی دارد و بسیاری از گازها و مواد شیمیایی نمیتوانند خواص آلومینیوم را تغییر دهند. این ویژگی ارزنده آلومینیوم منجر به استفاده گسترده از آن در بستهبندی مواد غذایی شده است. درواقع، آلومینیوم به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی خود نظیر نرم و در عین حال مقاوم بودن، در بسیاری از صنایع مانند صنعت خودروسازی و هوافضا استفاده میشود. همچنین، قیمت آلومینیوم مناسب است و استفاده از آن برای تولیدکنندگان مقرون به صرفه است.
این عنصر فلزی سبک و نرم است. رنگ آن خاکسترهای – نقرهای مات است. مانع زنگزدگی میشود. وزن آن بسیار کم است به طور تقریبی یک سوم وزن مس و فولاد را دارد. به راحتی خم میشود. انعطافپذیر و چکشخوار نیز میباشد. با وجود اینکه خیلی راحت خم میشود اما دوام زیادی نیز دارد. در قسمت زیر به بررسی برخی ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی میپردازیم. آلومینیوم به دلیل دارا بودن برخی خواص در میان سازندگان و مصرفکنندگان مورد توجه قرار گرفته است. برخی آلیاژ های این عنصر که هر کدام به اختصار شرح داده میشود.
- مقاومت زیاد در مقابل خوردگی: آلومینیوم خالص وقتی در مجاورت هوا قرار میگیرد سریع با اکسیژن هوا واکنش نشان داده و بلافاصله با یک لایه اکسید آلومینیومی پوشیده میشود که این لایه پوششی مانع از خوردگی میگردد . اگر در اثر سائیدگی این لایه کنده شود مجدد تشکیل میشود .بنابراین توصیه میشود سطح آلومینیوم را در محیطهای گوناگون مانند آب دریا و هوای مرطوب اکسید نمایند.
- نسبت استحکام به وزن: مهندسین سازه در ساخت هر وسیله پروازی در صنایع هوا فضا با مسئله کاهش وزن بدون کاهش استحکام وسختی سازه مواجه هستند به این معنی که سازه بسیار سبک اما با استحکام بسیار بالا باشد. این موضوع مهم از دو طریق انجام پذیر میشود. ۱-بکارگیری فلزات یا موادی با نسبت استحکام به وزن بالا ۲-طراحی ساختارهای سازهای با نسبت استحکام به وزن بالا. به طور مثال مهندسان برای ساخت هواپیما نمیتوانند در همه اجزا از فلزات سنگینی مثل فولاد استفاده کنند.
- اگرچه استحکام فولاد خیلی بالا است ولی اگر یک هواپیمای مسافربری به طور کامل از فلزی مثل فولاد ساخته شود، شاید بجای ۲۰۰ نفر مسافر بیشتر از ۲۰ نفر رو نتواند حمل کند. برای همین آلیاژهای آلومینیوم و مواد مرکب انتخاب مناسبتری برای سازه بعضی از قسمتهای هواپیما هستند، یعنی موادی با وزن کم ولی استحکام بالا. این مزیت سبب شده است تا آلومینیوم در صنایع خودروسازی، دفاعی و نظامی، هوا- فضا، ساختمانی ، حملونقل و بستهبندی کاربردهای گوناگونی را پیدا کند.
- هدایت الکتریکی زیاد: بعد از نقره،مس و طلا بالاترین هدایت الکتریکی را دارد، پس چنین به نظر میرسد که مس برای هادیهای الکترکی بر این ماده ترجیح داده شود ولی در یک حجم مساوی، آلومینیوم پرعیار حدود ۶۲ درصد الکتریسته را از خود عبور میدهد.
- هدایت حرارتی زیاد: به غیر از هدایت الکتریکی، این ماده هدایت حرارتی ( رسانندگی گرمایی ) بالایی دارد و به خوبی میتواند حرارت را انتقال دهد. ساخت ظروف آشپزخانه آلومینیومی و مبدلهای حرارتی آبی و روغنی مهمترین مورد استفاده هدایت حرارتی بالای این ماده است .
- قابلیت انعکاس نور و حرارت: قابلیت انعکاس نور فلزات بیشتر به شرایط سطح فلز و صیقلی بودن آن بستگی دارد . آلیاژهای سخت این ماده را میتوان با درجه بالایی پرداخت نمود بهطوریکه تا ۹۰ درصد نور تابشی را منعکس نماید که این نوع انعکاس را آینهای مینامند. برخلاف انعکاس نور، انعکاس حرارت در فلزات یک خاصیت ذاتی است و به سطح فلز بستگی ندارد. این ماده از جمله فلزاتی است که این انعکاس را به دلیل ماهیت ذاتی خود به خوبی انجام میدهد و دلیل استفاده ورقهای آلومینیومی در شیروانیها و عایقها است. قیمت ورق آلومینیوم، با توجه به ویژگیهایش در برندهای مختلف، متفاوت است.
- خاصیت غیر مغناطیس بودن: به منظور ساخت آلیاژ آلومینیومی برای استفادههای الکترونیکی و الکتریکی مانند: سختافزارهایی با فشار زیاد، تجهیزات به کار رفته در قطبنماهای مغناطیسی و وسایل حساس به مغناطیس.
- شکل پذیری با روش های مختلف: باتوجه به محصول نهایی میتوان برای شکل دادن این عنصر از هر کدام از روش های نورد، اکسترود کردن، کشش و دایکست استفاده کرد. همچنین امکان انجام کلیه کارهای تزئینی و سطحی مثل برس زدن، پرداخت کردن، زنگ زدن بر روی آن وجود دارد . این ماده به سادگی به صورت لوله، میله، صفحه، فویل و قطعات ریختگی با اشکال مختلف در میآید.
- استحکام بالا در دمای منفی: بسیاری از فلزاتی که در درجه حرارت محیط و بالاتر دارای استحکام زیادی هستند در درجه حرارت پایین استحکامشان کاهش یافته و شکننده میشوند در حالی که استحکام این ماده با کاهش دمای آن افزایش مییابد. یکی از موارد مصرف آن استفاده جهت حمل و نقل متان مایع از طریق دریا میباشد که به دلیل استحکام بالای آن در دمای پایین است.
- قیمت بالای ضایعات و قراضه: این قراضه دارای قیمتی در حدود نصف الی ۳/۱ قیمت اولیه خود را دارد در حالی که این کسر در قراضههای فولادی تا ۸/۱ هم میرسد.
- سمی نبودن: در نتیجه این ویژگی از آلومینیوم در صنعت بستهبندی مواد غذایی استفاده میشود همچنین آلومینیوم سطحی صاف و غیر متخلخل دارد که از جذب مواد خارجی و باکتریها جلوگیری میکند. آلومینیوم میتواند در تماس بسیار نزدیک و فشرده با مواد غذایی قرار گیرد بدون اینکه بر روی طعم ، رنگ و بوی آن تاثیر بگذارد.
- اتصال آسان: در واقع تعداد بسیار محدودی روش اتصال وجود دارد که نمیتوان در مورد این ماده به کار برد. آلومینیوم با کلیه روشهایی مانند پیچ و مهره ، لحیم کاری، جوشکاری، پرچ و اتصال چسبی اتصال مییابد.
آلیاژهای بهکارگرفته در آلومینیوم
مقاومت کششی اندک آلومینیوم باعث شده است که عناصر آلیاژی مختلفی در ترکیب آن به کار رود. از این آلیاژهای به کار گرفته شده در آلومینیوم میتوان به مس، منیزیوم، سیلیسیم، سرب، روی، قلع، کروم، نیکل، منگنز، آهن، تیتانیوم، فسفر، استرانسیوم، آنتیموان و سدیم اشاره کرد. با وجود اینکه مس تنها 5 درصد برای آلیاژسازی مورد استفاده قرار میگیرد، اما تاثیر فوقالعادهای بر استحکام کششی آن میگذارد. درواقع، تمام عناصر آلیاژی نام بردهشده، با هدف بهبود مقاومت آلومینیوم به ساختار آن اضافه میشوند.
آلیاژهای آلومینیوم
عناصر آلیاژی ترکیبی از آلومینیوم و یک عنصر دیگر هستند که در ادامه به برخی از آنها به صورت مختصر اشاره کردهایم:
آلیاژهای سری 1xxx آلومینیوم (آلومینیم خالص تجاری)
این گروه از آلیاژهای آلومینیومی دارای خلوص 99 درصد و حتی بالاتر هستند و آنها را با نام آلومینیوم خالص تجاری هم میشناسند. به علاوه، این آلیاژها دارای مقاومت کششی 10 الی 27 ksi و هدایت الکتریکی مناسبی هستند. بهطورکلی، آلیاژهای این سری خواص مکانیکی قابل قبولی ندارند و در محصولات نیازمند مقاومت بالا به کار گرفته نمیشوند.
آلیاژهای قابل عملیات حرارتی
مس، عنصر اصلی این گروه از آلیاژها است که با یک فرآیند حرارتی باعث افزایش مقاومت محصول میشود. منیزیم نیز عنصر ثانویه است. بهطورکلی، این آلیاژها برای داشتن خواص مناسب تحت عملیات حرارتی قرار میگیرند و گاهی اوقات خواص مکانیکی آنهابه مرورزمان بهبود مییابد.
- آلیاژهای غیرقابل عملیات حرارتی
منگنز، عنصر اصلی آلیاژهای این گروه است که مقادیر کمتری از منیزیم دارد. آلیاژهای این سری، معمولاً تحت عملیات حرارتی قرار نمیگیرند.
- آلومینیم خالص تجاری
سیلیکون عنصر آلیاژی اولیه است که میزان آن میتواند تا 12 درصد افزایش یابد. این آلیاژ به عنوان سیم جوش و آلیاژ لحیمکاری مورد استفاده قرار میگیرد.
روش تولید قطعات آلومینیومی آلومینیوم
آلومینیوم به عنوان یکی از پرمصرفترین فلزات در بازار، با روشها و تکنیکهای مختلفی در صنعت استفاده میشود که در ادامه به معرفی برخی از آنها پرداختهایم:
- ریختهگری ماسهای
در روش ریختهگری در قالب ماسه آلومینیومی، ابتدا به یک مدل چوبی برای تولید قطعه آلومینیومی نیاز است. سپس، آلومینیوم در قالبهای ماسهای تهیهشده با این مدل ریخته میشود. این روش، عموماً برای قطعاتی که نمیتوانند با سایر روشها ریختهگری شوند، ترجیح داده میشود.
- ریختهگری تحت فشار
آلومینیوم فشار بالا، روش ریختهگری تزریقی آلومینیوم بر اساس پر کردن مواد خام آلومینیوم مذاب در قالب ساختهشده از فلز تحت فشار بسیار بالا است. به علت فشار زیاد، مقادیر قابل توجهی آلومینیوم در قالب پر میشود.
- کار سرد (Cold Working)
یکی دیگر از روشهای تولید قطعات آلومینیومی، استفاده از تکنیک نورد سرد است. تکنیک نورد سرد شامل فشارهای فیزیکی به قطعه، بدون استفاده از انرژی گرمایش و حرارت میشود. به عنوان مثال، استفاده از نیروی خمش، فشردن، برش و... از جمله این موارد است. در کارگاهها با استفاده از غلتکهای مخصوص و کنترل میزان فشار به قطعه، شکل مورد نظر را ایجاد میکنند.
- کار گرم (Hot Working)
در روش کار گرم، ابتدا آلومینیوم را در دمای بالا گرم میکنند که این امر باعث میشود، دانههای آلومینیوم به دانههای ریزتری که حالا قابلیت شکلپذیری بسیار زیادی دارند، تبدیل شوند. بعد از حرارتدهی آلومینیوم، آهنگری بر روی قطعه و شکلدهی به آن، بسیار سادهتر میشود.
- اکستروژن
اکستروژن آلومینیوم را اساساً میتوان به فشار دادن یک لوله خمیردندان تشبیه کرد و خمیر حاصل را به شکل سوراخ کلاهک درآورد. در اینجا، پیش گرم کردن تیکتهای آلومینیومی در طول فرآیند اکستروژن باعث میشود تا آلومینیوم به راحتی شکل داده شود و فشار پرس کاهش یابد.
استفاده از آلومینیوم در صنعت خودرو چه مزایایی دارد؟
آلومينيوم و آلياژهاي آلومينيوم پس از فولاد، کاربردیترین فلزات هستند و به طور گستردهای در حمل و نقل، انرژی، برق، الکترونیک، غذا و سایر صنایع استفاده میشوند. دلیل اصلی ترجیح آلومینیوم در صنعت خودرو نیز نسبت مقاومت به وزن آن است. درواقع، آلومینیوم از استحکام بالاتری نسبت به فولاد برخوردار است که این ویژگی، ایمنی و عملکرد خودروها را بهبود میبخشد. علاوه بر این، ویژگی سبک بودن آلومینیوم، مصرف سوخت را نیز بهینه میکند.
