آلومینیم ( خواص ، کاربرد ، معرفی آلیاژها )

معرفی

نام آلومینیوم از نام باستانی آلوم (سولفات آلومینیوم پتاسیم) که آلومن (در لاتین به معنی نمک تلخ) می باشد، گرفته می شود. آلومینیوم فلزی نرم و سبک است که دارای ظاهر نقره ای کدر می باشد زیرا وقتی در معرض هوا قرار میگیرد، یک لایه نازک از اکسید آلومینیوم سریعا بر روی سطح آن تشکیل می*شود. آلومینیوم غیر سمی،غیر مغناطیسی و غیر قابل اشتعال است و رادیو اکتیو نیز نمی باشد.

خواص فیزیکی

خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی آلومینیوم
13	عدد اتمی
26.98 g.mol -1	وزن اتمی یا عدد جرمی
143 pm	شعاع اتمی
2.7 g.cm -3	چگالی در 20°C
660.4 °C	نقطه ذوب
2467 °C	نقطه جوش
184 pm	شعاع وان دروالس
121 pm	شعاع کوالانسی
0.05 nm	شعاع یونی
3	ایزوتوپ
16	ایزوتوپ مصنوعی
1s2 2s2 2p6 3s2 3p1	پوسته الکترونی
577.4 kJ.mol -1	انرژی اولین یونیزاسیون
1816.1 kJ.mol -1	انرژی دومین یونیزاسیون
kJ.mol -1 2744.1	انرژی سومین یونیزاسیون
3	ظرفیت
1.5	الکترونگاتیویته
-1.67 V	پتانسیل استاندارد
68.3 GPa	مدول الاستیسیته
70 GPa	مدول یانگ
0.34	نسبت پواسون
2.75	سختی موس
245 MPa	سختی برینل
167 MPa

1. چگالی آلومینیوم آلومینیوم در حدود یک سوم وزن مس، فولاد یا برنج با حجم مساوی را دارد.

2. خواص شیمیایی آلومینیوم آلومینیوم دارای خواص بسیار مفید و جالبی می باشد . در هوای مرطوب به آرامی با اکسیژن ترکیب شده و اکسید آلومینیوم تشکیل می شود. اکسید آلومینیوم یکلایه بسیار نازک نسبتا سفید است که بر روی سطح فلز، تشکیل می*دهد. این پوشش از واکنش بیشتر با اکسیژن جلوگیری کرده و فلز را از خوردگی بیشتر محافظت می کند.آلومینیوم فلز نسبتا فعالی است که با اسیدهای خیلی گرم و همچنین با قلیایی ها، واکنش می*دهد. قلیا یک ماده شیمیایی با خواص مخالف اسید است. هیدروکسید سدیم و آب لیمو مثال هایی از قلیاها هستند. اینکه یک عنصر هم با اسید و هم با باز واکنش دهد یک امر غیر عادی است. به چنین عناصری آمفوتر گفته می شود. آلومینیوم همچنین به سرعت با آب گرم واکنش می دهد. در حالت پودری شکل، هنگامی که در معرض شعله قرار گیرد، به سرعت مشتعل می شود.

3. مقاومت به خوردگی آلومینیوم آلیاژهای آلومینیوم دارای مقاومت به خوردگی بالایی هستند که در نتیجه لایه اکسیدی تشکیل شده در اثر واکنش با اتمسفر می باشد. این لایه مقاوم، آلومینیوم را از بیشتر مواد شیمیایی، شرایط هوا زدگی و حتی بیشتر اسیدها محافظت می کند، اما مواد آلکالین بعنوان مواد نفوذ کننده به پوسته شناخته می شوند و سبب خوردگی فلز می شوند.


خواص حرارتی آلومینیم

خواص حرارتی و الکتریکی آلومینیوم
24.200 J.mol-1.K-1	ظرفیت گرمایی مولی
10.71 kJ/mol	گرمای ذوب
294.0 kJ/mol	گرمای تبخیر
0.57 (cal/cms. °C)	هدایت حرارتی
0.219 (cal/g.°C)	ضریب انبساط خطی (0-100°C)
(µΩcm) 2.69	مقاومت الکتریکی در 20°C

خواص مکانیکی آلومینیم


1. استحکام


آلومینیوم می تواند تحت بارها و فشارهای زیاد ایستادگی کند، هنگامی که آلیاژ می شود می تواند استحکامی تقریبا معادل فولاد داشته باشد. در دماهای نسبتا بالا (200-250 درجه سانتی گراد) آلیاژهای آلومینیوم تمایل به از دست دادن استحکام خود را دارند. اما در دماهای زیر صفر، تا زمانی که داکتیلیته آنها حفظ شود، استحکامشان افزایش می یابد که این موضوع آلومینیوم را بعنوان آلیاژهای دما پایین مناسب می*سازد.

2. انعطاف پذیری

در کاربردهایی که علاوه بر استحکام نیاز به انعطاف پذیری می باشد می توان از آلومینیوم استفاده کرد.


آلیاژهای آلومینیم

آلیاژهای آلومینیوم می تواند به 9 گروه تقسیم شوند.

سری 1xxx. این گروه با مقاومت به خوردگی عالی، هدایت حرارتی و الکتریکی بالا، خواص مکانیکی پایین و کارپذیری عالی خود شناخته می*شوند. افزایش متوسط استحکام ممکن است با سختکاری در اثر تغییر شکل نسبی بدست آید. آهن و سیلیسیوم ناخالصی*های اصلی در این گروه هستند.

سری 2xxx. این آلیاژها نیاز به عملیات حرارتی محلول سازی برای دستیابی به خواص اپتیمم دارند. در شرایط عملیات حرارتی انحلالی، خواص مکانیکی مشابه و گاهی بیشتر از فولاد کم کربن بدست می*آید. در برخی موارد عملیات رسوب سختی (پیرسازی) برای افزایش خواص مکانیکی بکار گرفته می*شود. این عملیات استحکام تسلیم را افزایش داده و با مقداری کاهش در میزان ازدیاد طول همراه است. اثر این عملیات بر روی استحکام کششی قابل ملاحظه نمی باشد.آلیاژهای سری 2xxx مانند بیشتر آلیاژهای آلومینیوم، دارای مقاومت به خوردگی خوبی نیستند و تحت شرایط خاص ممکن است دچار خوردگی بین دانه ای شوند. این آلیاژها برای قسمت هایی که نیاز به استحکام خوب در دماهای بالای 150 درجه سانتی گراد می باشد، مناسب هستند. بجز آلیاژ 2219، این آلیاژها دارای جوش پذیری محدودی هستند اما برخی آلیاژهای این سری دارای خاصیت ماشینکاری عالی هستند.

سری 3xxx. این آلیاژها عموما غیر قابل عملیات حرارتی هستند اما استحکام آنها حدود 20% بیشتر از آلیاژهای سری 1xxx می باشد. تنها درصد محدودی منگنز (بیش از حدود 1.5%) می تواند بطور موثر به آلومینیوم افزوده شود.

سری 4xxx. عناصر آلیاژی اصلی در این گروه سیلیسیوم است که می تواند در مقادیر کافی و مناسب (بیش از 12%) برای کاهش قابل توجه محدوده ذوب، افزوده شود. به همین دلیل آلیاژهای آلومینیوم – سیلیسیوم در سیم جوش و بعنوان آلیاژهای لحیم کاری برای اتصال آلومینیوم، در جایی که محدوده ذوب پایین تر از فلز پایه مورد نیاز است، استفاده می*شوند. این آلیاژها که دارای مقادیر زیاد سیلیسیوم هستند، برای کاربردهای معماری استفاده می*شوند.

سری 5xxx. عنصر آلیاژی اصلی منیزیم است که هنگامی که به تنهایی یا همراه با منگنز بعنوان عناصر آلیاژی استفاده می*شوند آلیاژ قابل سخت کاری با استحکام متوسط به بالا بدست می*آید. منیزیم بعنوان سخت کننده بطور قابل توجهی موثرتر از منگنز می*باشد. حدود 0.8% Mg برابر با 1.25% Mn می باشد و می تواند در مقادیر خیلی بیشتر افزوده شود. آلیاژهای این گروه دارای خواص جوشکاری خوب، و مقاومت نسبتا خوب در برابر خوردگی در اتمسفرهای دریایی می باشند. اگرچه محدودیت هایی در مقدار کارسرد و دماهای کاری مجاز 150 درجه فارنهایت برای آلیاژهای حاوی منیزیم بالا، برای اجتناب از ترک تنش-خوردگی باید اعمال شود.

سری 6xxx. آلیاژهای این سری حاوی سیلیسیوم و منیزیم تقریبا در نسبت مورد نیاز برای تشکیل سیلیسید منیزیم (Mg₂Si) می باشند. بنابراین این گروه را قابل عملیات حرارتی می سازد. اگر چه استحکام آنها به اندازه آلیاژهای گروه 2xxx و 7xxx و 6xxx نمی باشد ولی دارای شکل پذیری، جوش پذیری و ماشین کاری خوب و مقاومت به خوردگی نسبتا خوب و استحکام متوسط می*باشد. آلیاژها در این گروه قابل عملیات حرارتی ممکن است در حالت T₄ (عملیات حرارتی محلول سازی بدون رسوب سختی) تشکیل شوند و پس از تشکیل، با عملیات T₆ کامل بوسیله عملیات حرارتی رسوب سختی، استحکام یابند.

سری7xxx. روی در مقادیر 1 تا 8% بعنوان عنصر آلیاژی اصلی در آلیاژهای سری 7xxx وجود دارد و هنگامی که با درصدکمتر منیزیم همراه می شود آلیاژهای قابل عملیات حرارتی با استحکام متوسط به بالا بدست می*آید. معمولا عناصر دیگر شامل مس و کرم در مقادیر اندک به این آلیاژها افزوده می شوند. آلیاژهای این گروه در ساختارهای هواپیما، تجهیزات موبایل، و سایر بخش های پر تنش استفاده می*شوند. آلیاژهای 7xxx با استحکام بیشتر، در برابر ترک های خوردگی تنشی،کاهش مقاومت از خود نشان می*دهند و برای فراهم کردن ترکیب بهتری از استحکام، مقاومت به خوردگی و تافنس شکست،اغلب در حالت فوق پیری (overage) استفاده می شوند.

استخراج آلومینیم

اولین مرحله در استخراج آلومینیوم خارج کردن آن از زمین در معدن است. اگرچه آلومینیوم هرگز به تنهایی در پوسته زمین (به دلیل واکنش پذیری بالای آن) یافت نمی شود، اما در عوض در ترکیباتی در پیوند با عناصر دیگر به خصوص اکسیژن و سیلیکون، یافت می_*شود.

سپس بوکسیت با استفاده از فرایند بایر، خالص می شود. این فرایند طی دو مرحله اتفاق می افتد. ابتدا سنگ معدن آلومینیوم با هیدروکسید سدیم مخلوط میشود تا اکسیدهای آلومینیوم و سیلیکون حل شوند، اما سایر ناخالصی ها در این مرحله حل نمی شوند. این ناخالصی ها سپس از طریق فیلتر سازی از بین می روند. سپس گاز دی اکسید کربن از درون محلول باقی مانده می*جوشد و اسید کربنیک ضعیف تشکیل می*شود، که محلول را خنثی کرده و سبب رسوب اکسید آلومینیوم می شود، اما ناخالصی های سیلیکون در محلول از بین می*روند. پس از فیلترسازی و جوشیدن تا از بین رفتن آب، اکسید آلومینیوم خالص بدست می*آید.

فرایند بایر در مقیاس صنعتی

هنگامی که اکسید آلومینیوم خالص تولید می شود، آلومینیوم از طریق روش Hall-Heroult بدست می آید. در این روش اکسید آلومینیوم با کریولیت (ساخته شده از فلورید سدیم و فلورید آلومینیوم) مخلوط شده و سپس تا حدود 980 درجه سانتی گراد گرم می شود تا جامدات ذوب شوند. این دما بسیار پایین تر از دمای مورد نیاز برای ذوب اکسید آلومینیوم خالص است که سبب ذخیره انرژی می شود. سپس این مخلوط مذاب با جریان خیلی زیاد، الکترولیز شده و یون های آلومینیوم برای تشکیل فلز آلومینیوم (در کاتد) کاهش می یابند و گاز اکسیژن در آند که از جنس کربن است، آزاد می شود تا با آن واکنش داده و گاز دی اکسیدکربن تشکیل شود. از آنجا که این فرایند به طول می انجامد و نیاز به صرف انرژی (برق) زیاد دارد، فلز آلومینیوم بدست آمده بسیار گران قیمت است اما هنوز از نظر قمیت، قابل رقابت با سایر فلزات می باشد.

روش Hall-Heroult