مقاله 39 : تولید آلومینیوم

[قاسم معتمدی]

آلومینیوم (Aluminum)

آلومینیوم فراوان ترین فلز و سومین عنصر ِفلزّی است که به مقدار زیاد ، در پوسته ی زمین یافت می شود . آلومینیوم در طبیعت به صورت «آلومینیوم سیلیکات» پایدارAl(SiO3)3 و آلمینیوم هیدرواکسید Al(OH)3 وجود دارد . در دوران باستان یونانی ها زاج که یکی از فراوان ترین کانی های آلومینیوم است را می شناختند و از آن به عنوان داروی قابض در پزشکی و به عنوان ثابت کننده ی رنگ در رنگرزی استفاده می کردند . با این همه از شناخت آلومینیوم ، یکصد و هفتاد سال (1827)نمی گذرد .
آلومینیوم هیدرواکسید (Bauxite) یک نوع خاک اوره است که در آن عنصر های آلومینیوم بسیار غنی ای وجود دارد . (حدود 50درصد این فلز تشکیل شده است .) البته در این خاک ناخالصی هایی مانند : سیلیس (SiO2) ، اکسید های آهن و اکسید تیتانیوم(TiO2) وجود دارد .
آلومینیوم کشف شده «آلومین» نامیده می شود . آلومین یک ماده ی سخت ، شامل آلومینیوم و اکسیژن است . چون دمای ذوب آلومین زیاد است ، (در حدود 2050 درجه سلسیوس) الکترولیز آن در حالت مذاب بسیار دشوار است ؛ به این دلیل آن را در کریولیت (Na3AlF6) نمکِ مذاب حل می کنند و به این ترتیب مخلوطی به دست می آید که دمای ذوب (بین 960 تا 980 ) پایین تری دارد . سپس آن را از یک جریان الکتریکی قوی عبور می دهند تا اکسیژن آن کاملاً جدا شود . البته لازم به ذکر است که کریولیت در الکترولیز شرکت نمی کند و فقط دمای ذوب را پایین می آورد .
همچنین در این مرحله انرژی زیادی صرف می شود .
برای تولید Kg1 آلومینیوم ، Kg6 بوکسیت (Bauxite) ، Kg 4 محصولات شیمیایی و KW 14 برق نیاز است . در حالی که برای بازیافت آن 5% انرژی لازم است و فقط 5% دی اکسید کربن تولید می کند . جالب است اگر بدانید که مقدار انرژی که از بازیافت یک قوطی کنسرو ذخیره سازی می شود ، می تواند یک تلویزیون را به مدت سه ساعت روشن نگه دارد .
محصولات اپتدایی آلومینیوم در دنیا سالانه برا بر با 24000000 تن می باشد . کشوری که در جهان بیشترین مقدار آلومینیوم را تولید می کند ، استرالیا است . البته کشور هایی مانند : جامایکا ، برزیل ، گینه ، چین و قسمت هایی از اروپا در تولید این محصول نقش مهمی را ایفا می کنند .
شرکت های بازیافتی اغلب آلومینیوم را از شرکت های صنعتی ، مسقیم خریداری می کنند . بسیاری از کارخانه ها این فلزّات را ذوب می کنند و نا خالصی های آن را جدا کرده و در قالب های مختلف ریخته گری می کنند .
حجم بیشتری از این قطعات ریخته گری شده توسط کارخانه های خودرو سازی و هواپیما سازی مصرف می شود وبرای ساخت سر سیلند و مواردی از این قبیل کاربرد دارد .
در ایالات متحده ی آمریکا بازیافت آلومینیوم از قطعات خریداری شده در مقایسه سال 2001 با2000 تا 14% کاهش پیدا کرده است . 98/2 تن از فلزات بازیافتی را ، 60% از قطعات کارخانه ای و 40% از محصولات آلومینیومی کم ارزش تشکیل می دهد . این موضوع نشان دهنده این است که در سال های اخیر به بازیافت زباله های خانگی توجه بیشتری شده است .
بسیاری دیگر از شرکت ها ، بازیافت قوطی ها را انجام می دهند . بسیاری از این قوطی ها به صورت ورقه های آلومینیومی بازیافت می شوند و دوباره به صورت قوطی های نوشابه در می آیند . گزارشات نشان می دهد که آمریکا حدود 55600000 تن ، قوطی آلومینیومی را بازیابی کرده است و این مقدار باعث صرفه جویی های بسیاری در هزینه ها شده است .
آلومینیوم دارای خواصّی است که موجب شده ، بیش از اندازه مورد توجه قرار گیرد . این خواصّ عبارت اند از:
1- کاهندگی آلومینیوم
2- چگالی کم
3- رسانش گرمایی بالا و مقاومت حرارتی بالا
4- سازش پذیری با مواد غذایی

فرآیند بایر به وسیله کارل جوزف در اتریش در سال 1888 توسعه یافت و ثبت گردید.در این فرآیند باکسیت خرد شده در محلول قوی هیدروکسید سدیم در دماهای تا Ċ240 حل می گردد.بیشتر آلومینا طی این فرآیند حل شده و رسوب قرمز رنگی که عمدتاً از اکسیدهای آهن و سیلیس تشکیل شده است باقی می ماند که به وسیله ***** کردن جدا می شود.​

غلظت هیدروکسید سدیم مورد استفاده و همچنین دما و فشار عملیات بر حسب طبیعت کانه باکست،مخصوصاً درصد شکلهای مختلف آلومینای (α،β،γ) موجود در کانه بهینه می شود.​

AL2O3XH2O+2NaOH→NaAlO2+(x+1)H2O​

متعاقباً در مرحله دوم به مرحله تجزیه موسوم است شرایط به گونه ای تنظیم می گردد که واکنش در جهت عکس به پیش برود.​

2NaALO2+2H2O→2NaOH+Al2O3.3H2O​

واکنش مزبور به وسیله سرد کردن و رقیق نمودن محلول و تلقیح با کریستالهای آبدار Al2O3.3H2O حاصل خواهد شد.که طی آن رسوب پودری شکل این ترکیب به جای شکل ژلاتینی آن به دست می اید.​

واکنش تجزیه معمولاً در دمای حدودĊ50 در مخازنی که به آهستگی هم زده می شود انجام می گیرد و کامل شدن واکنش تا حدود 30 ساعت ممکن است به طول بکشد. اکسید آلومینیم حاصل از واکنش تجزیه را جدا کرده و شستشو می دهند در حالی که هیدروکسید سدیم حاصله بازیافت شده و به راکتور انحلال(مرحله اول) برگردانده خواهد شد.سپس اکسید آلومینیم آبدار در کوره های تونلی و یا اخیراً در بسترهای روان مورد عمل تکلیس قرار گرفته و آلومینا به دست خواهد آمد.عمل تکلیس در دو مرحله اتفاق افتد که طی آن اکثر آب تبلور اکسید آلومینیم ، در محدوده دمایی Ċ600-400 حذف می شود. آلومینای به دست آمده در این مرحله به شکل فعال می باشد که با حرارت دادن بیشتر در دمای Ċ1200 به آلومینای نسبتاً خنثی تبدیل می شود.شکل های مختلف آلومینا دارای مشخصات فیزیکی متفاوت می باشند که در واحدهای آلومینیم سازی کنترل و مشخص می گردد.​

 

[قاسم معتمدی]

آلومینا

آلومینا

آلومینا دارای دمای گداز بالا(Ċ2040) و هدایت الکتریکی ضعیفی می باشد.روش موفق تولید آلومینیم مبتنی بر حل کردن اکسید آلومینیم در کریولیت مذاب می باشد که نمونه ای ازاین الکترولیت شامل(90-80) درصد کریولیت و (8-2) درصد آلومینا بوده و افزودنی های دیگری از قبیل ALF3 و CAF2 به آن اضافه می شوند. کریولیت ابتدا از منابع نسبتاً کمیاب در گرینلند به دست می آمد و لیکن در حال حاضر به صورت مصنوعی تهیه می شود.یک سلول الکترولیز الومینیم از آندهای کربنی پخته شده مصرف شونده ،الکترولیت مذاب کریولیت – آلومینا،حمامی از آلومینیم مذاب،محفظه ای با آستر کربن برای نگهداری فلز مذاب و الکترولیت و یک سیستم جمع آوری گازها تولید شده ، تشکیل شده است.تغذیه آلومینا به داخل سلول به صورت متناوب و خودکار انجام می گیرد.یک نمونه سلول جدید در دمای حدودĊ950 و جریان 250 کیلوآمپر با چگالی جریان حدود7/0 آمپر بر سانتی متر مربع کار می کند.فاصله بین آند و کاتد 5 – 4 سانتی متر بوده و اختلاف پتانسیل در هر سلول 5/4 ولت می باشد. سلول الکترولیز به گونه ای عمل می کند که آستر کربن اطراف سلول با لایه ای از کریولیت جامد شده محافظت می شودو سطح بالایی حمام با قشری از آلومینا پوشیده می شود.روزانه حدود 1800 کیلوگرم آلومینیم در هر سلول تولید می شود که آلومینیم مذاب بطور منظم تخلیه شده و به صورت شمش ریخته گری می گردد.آلومینا بر حسب نیاز به داخل سلول شارژ می شود.



آلومینا دارای دمای گداز بالا(Ċ2040) و هدایت الکتریکی ضعیفی می باشد.روش موفق تولید آلومینیم مبتنی بر حل کردن اکسید آلومینیم در کریولیت مذاب می باشد که نمونه ای ازاین الکترولیت شامل(90-80) درصد کریولیت و (8-2) درصد آلومینا بوده و افزودنی های دیگری از قبیل ALF3 و CAF2 به آن اضافه می شوند. کریولیت ابتدا از منابع نسبتاً کمیاب در گرینلند به دست می آمد و لیکن در حال حاضر به صورت مصنوعی تهیه می شود.یک سلول الکترولیز الومینیم از آندهای کربنی پخته شده مصرف شونده ،الکترولیت مذاب کریولیت – آلومینا،حمامی از آلومینیم مذاب،محفظه ای با آستر کربن برای نگهداری فلز مذاب و الکترولیت و یک سیستم جمع آوری گازها تولید شده ، تشکیل شده است.تغذیه آلومینا به داخل سلول به صورت متناوب و خودکار انجام می گیرد.یک نمونه سلول جدید در دمای حدودĊ950 و جریان 250 کیلوآمپر با چگالی جریان حدود7/0 آمپر بر سانتی متر مربع کار می کند.فاصله بین آند و کاتد 5 – 4 سانتی متر بوده و اختلاف پتانسیل در هر سلول 5/4 ولت می باشد. سلول الکترولیز به گونه ای عمل می کند که آستر کربن اطراف سلول با لایه ای از کریولیت جامد شده محافظت می شودو سطح بالایی حمام با قشری از آلومینا پوشیده می شود.روزانه حدود 1800 کیلوگرم آلومینیم در هر سلول تولید می شود که آلومینیم مذاب بطور منظم تخلیه شده و به صورت شمش ریخته گری می گردد.آلومینا بر حسب نیاز به داخل سلول شارژ می شود. مکانیزم دقیق واکنش الکترولیت در سلول مشخص نبوده ولیکن محتمل است که یونهای Na‡ ،AlF4‡ و ALF6‡ و یونهای کمپلکسی مانند ALOF3² در سیستم جریان داشته و در کاتد آنیون ها و فلوئور و آلومینات از طریق انتقال بار به سطح کاتد جهت تولید فلز آلومینیم و یونهای ֿf تخلیه گردند در حالیکه در آند یونهای اکسی فلوئور و آلومینات تجزیه شده و اکسیژن آزاد نموده و CO2 تشکیل شود روی هم رفته واکنش انجام شده را می توان مطابق زیر نوشت. 2AL2O3+3C→4AL+3CO2 معمولاً 5/3 الی 4 تن باکسیت جهت استخراج 2 تن آلومینا مورد نیاز است که 2 تن آلومینا یک تن آلومینیم را به دست خواهد داد.مقادیر قابل ملاحظه ای از سایر مواد از قبیل حدود4/0 تن کربن نیز مصرف می گردد به هر حال حساس ترین عامل تولید،مصرف برق است که علیرغم بهینه سازی فرآیند از این نظر،هنوز مقدار 13000 تا 15000 کیلو وات ساعت برق جهت تولید یک تن آلومینیم از آلومینا مورد نیاز می باشد. این مقادیر با میزان 28000 کیلو وات ساعت مصرف انرژی بر تن آلومینیم در اوایل قرن بیستم و مقدار انرژی تئوریک لازم که تقریباً 6500 کیلو وات ساعت بر تن می باشد،قابل مقایسه است.از کل اختلاف پتانسل 5/4 ولت در درون یک سلول جدید،فقط 2/1 ولت آن مربوط به پتانسیل تجزیه و یا انرژی آزاد واکنش تشکیل آلومینیم مذاب در کاتد می باشد.قسمت اعظم افت ولتاژ مربوط به مقاومت الکترولیت در فضای بین الکترودها می باشد که بالغ بر حدود 7/1 ولت است و 40 – 30 درصد کل افت پتانسیل را تشکیل می دهد.راندمان را می توان با کاهش فاصلۀ بین آند و کاتد افزایش داد و این جنبه در طراحی سلولهای جدید مدنظر قرار گرفته است.یکی دیگر از اصلاحاتی که امیدوار کننده بوده ،پوشش دادن کاتد با دی براید تیتانیوم می باشد که باعث بهتر شدن خاصیت تر شوندگی سطح به وسیله آلومینیم مذاب می گردد. این امر باعث تشکیل یک فیلم نازک تر و پایدارتر آلومینیم شده که به راحتی با استفاده از کاتد شیبدار به داخل مخزن اصلی هدایت خواهد شد. کاهش فاصلۀ بین آند و کاتد از حد متداول 6 – 4 سانتی متر به 2 – 1 سانتی متر،کاهش افت ولتاژی حدود 5/1 – 1 ولت در سلول را به همراه خواهد داشت.پیش بینی کلی در مورد افزایش کارآئی سلول الکترولیز تا سال2000 حاکی از این است که مصرف الکتریسیته به طور متوسط تا 12500 کیلو وات ساعت به ازای تولید یک تن آلومینیم کاهش خواهد یافت .در مجموع کل انرژی لازم برای تولید یک تن آلومینیم از باکسیت موجود در زمین بین 70000 تا 75000 کیلو وات ساعت حرارتی برآورد می شود که یک کیلو وات ساعت الکتریکی معادل 3 کیلووات ساعت حرارتی می باشد.بر اساس این تبدیل ، مجموعاً 30000 کیلو وات ساعت حرارتی به ازای واحد حجم آلومینیم (M³) مورد نیاز است که در مقایسه با انرژی لازم برای تولید یک تن فولاد از کانه آهن موجود در زمین که 13000 الی 16000 کیلو وات ساعت حرارتی برآورد می شود بسیار بیشتر است.

 

[قاسم معتمدی]

خصوصیات آلومینیم

خصوصیات آلومینیم

خصوصیات آلومینیم: آلومینیم دارای هدایت قابلیت هدایت حرارتی بالایی می باشد که بعد از نقره و مس بهترین هادی حرارتی شناخته می شود و دارای دانسیته ای در حدود2.7 سانتی متر مکعب است . که به همین دلیل جزو آلیاژ های سبک محسوب می شود . این آلیاژ دارای مقاومت به خوردگی زیاد است که به علت ایجاد لایه پایدار اکسیدی متخلخل می باشد . دارای نقطه ذوب پایین در حدود 670 درجه سانتیگراد است و قابلیت انجام عملیات حرارتی دارد اما عملیات حرارتی آن اج هاردینگ یا پیر سازی می باشد و دارای قابلیت انجام کار مکانیکی و تغییر فرم سرد و گرم می باشد . و این الیاژ را می توان در قالب های دائمی و یا فورج نیز استفاده کرد . کاربرد آلومینیم : این آلیاژ به علت ویژگی های خاصی که دارد در بیشتر صنایع از جمله اتومبیل سازی غذاسازی ساختمان سازی بلوکه های سیلندر خودرو اسکلت سازی صنایع پتروشیمی و صنابع هوایی به کار می رود . آلیاژ های آلومینیم : به طور کلی آلیاژ های آلومینیم به دو دسته کلی تقسیم می شود : 1- آلیاژ های نوردی 2- آلیاژ های ریخته گی نکته : آلومینیم به علت داشتن ساختار FCC و تراکم زیاد در ساختار شبکه بلوری اش فرم کاری خوبی در درجه حرارت محیط دارد . 1- آلیاژ های نوردی : در آلیاژ های نوردی ابتدا آلیاژ به شکل شمش ریخته شده سپس با توجه به شرایط تولید هر یک از فرآیند های کار سرد شامل : نورد ، فورج ، سوراخ کاری برش و .... روی قطعه انجام می شود . روش های تولید شمش های نوردی : معمولا دو روش برای تهیه شمش نوردی استفاده می شود : 1-روش مداوم (countinus) 2- روش نیمه مداوم و یا تکباری ( non countinus) 1- روش مداوم : این روش که از سرعت تولید بالایی برخوردار است که به این صورت می باشد که ذوب ریزی به صورت مداوم ادامه پیدا می کند . به این صورت که محفظه ای از فولاد گرم که در زیر پاتیل مذاب قرار دارد مذاب را به صورت دائم دریافت می نماید ، مذاب پس از رها شدن از پاتیل وارد محفظه شده و در مرحله اول آب گرد هایی که در قسمت بالای محفظه قرار دارند مذاب را به مرحله خمیری می رساند در مرحله بعد مذاب به مرحله آب فشان رسیده و به طور کامل منجمد می شود و در پایان تیغه ای که در انتهای محفظه قرار دارد فلز را برش زده و بر روی صفحه نقاله می اندازد . 2- روش تکباری : این روش که در کارخانه ها و به وسیله قالب های ماسه ای انجام می شود به این صورت است که ابتدا کوره را به مقدار معینی شارژ کرده سپس شارژ آماده شده را در قالب های مورد نظر می ریزند . 2- تهیه آلیاژ های ریخته گی ( فرآیند شکل ریزی) هدف تولید : تولید شکل نهایی قطعه به صورت مذاب ریزی مستقیم انواع مواد شارژ جهت ریخته گری آلیاژ های آلومینیم 1- شمش اولیه : این شمش معمولا در کارخانه های ریخته گری تولید می شود و از درصد خلوص بالایی درحدود 99.9% برخوردار است که معمولا به صورت پوکه های مستطیل شکل با وزن 15 الی 20 کیلو گرم تهیه می شوند . که جهت آلیاژ سازی آن ها از شمش های منیزیم ، روی ، سیلیسیم استفاده می شود که معمولا از شمش های منیزیم و سیلیسیم درمواقعی استفاده می شود که بخواهیم درصد کمی منیزیم و سیلیسیم به مذاب اضافه کنیم در غیر این صورت از آلیاژ ساز ها یا هاردنر ها (hardner) استفاده می کنیم 2- شمش های ثانویه: این شمش ها معمولا از ذوب مجدد قراضه های و برگشتی ها تولیدمی شود و با توجه به اینکه عملیات تصفیه و تمیز کاری روی این شمش ها انجام می شود از لحاظ قیمت گرانتر از شمش های اولیه می باشد اما دارای درصد خلوص و کیفیت بالاتری نسبت به شمش های اولیه می باشد . 3-قراضه ها : که قیمت مناسبی داشته ولی قبل از استفاده باید عملیات تمیز کاری بر روی آن ها انجام شود . 4- برگشتی ها : این شمش ها انواع قطعات معیوب سیستم راهگاهی را شامل می شود که به جهت شارژ مجدد در ریخته گری استفاده می شود . 5-آلیاژ ساز ها و یا هاردنر ها ( آمیژن ها):این گروه از آلیاژ ساز ها هنگامی استفاده می شود که قرار باشد عناصری را با نقطه ذوب بالاتر یا نقطه ذوب پایین تر به مذاب اضافه کنیم به عنوان مثال اضافه کردن مس با نقطه ذوب 1080 درجه سانتیگراد به مذاب آلومینیم که این عمل باید به صورت آمیژن انجام شود . یا اضافه کردن روی با نقطه ذوب 420 درجه سانتیگراد به مذاب آلومینیم که باید به صورت آمیژن انجام شود . نكته به آمیژن آلومینیم سیلیسیم ( سیلومین)گفته مي شود نکته : آمیژن در اين بخش به معنی عنصری است که با آلومینیم آلیاژ سازی شده است . مانند آمیژن مس نکته : فلزاتی که دارای نقطه ذوب پایین هستند به علت فشار بخار زیاد در ریخته گری آلومینیم اگر به صورت خالص به مذاب اضافه شوند باعث پاشش مذاب می شوند . انواع روش های تولید هاردنر ها : روش اول : در این روش ابتدا مذاب آلومینیم را تهیه نموده سپس فلز مورد نظر را به صورت قطعات ریز و کوچک در داخل فویل های آلومینیمی قرار می دهیم و آرام و آرام به مذاب آلومینیم اضافه می کنیم روش دوم : آلومینیم و فلز مورد نظر را به صورت جداگانه ذوب کرده و سپس فلز با نقطه ذوب بالا را به صورت باریکه مذاب به مذاب آلومینیم اضافه کرده و هم می زنیم . مثال : اگر بخواهیم آلیاژی از آلومینیم بسازیم که دارای ترکیب 5% سیلیسیم 0.4 % منیزیم 1/2 % مس و بقیه نیز آلومینیم باشد . و مواد مورد استفاده نیز شامل شمش اولیه با خلوص 99/99 درصد 1- آمیژن سیلومین با 13 درصد سیلیسیم 2- آمیژن منیزیم با 10 درصد منیزیم 3- آمیژن مس با 50 درصد مس جهت تهیه 100 کیلوگرم از مذاب چه مقادیری از این مواد باید مصرف شود . تلفات استاندارد : سیلیسم 1% منیزیم 3% مس 1% آلومینیم 1% جواب سوال انواع کوره های ذوب آلومینیم : 1- کوره های زمینی 2- کوره های شعله ای و یا روربر 3- کوره الکتریکی که این کوره ها خود به دو دسته کوره های مقاومتی وکوره های القایی تقسیم می شوند مزیت های کوره های مقاومتی این کوره های از نظر اقتصادی هزینه سرمایه گذاری کمتری نسبت به کوره القایی می خواهد و باعث ایجاد مذابی یکنواخت می گردد 1- کوره های زمینی : در کوره های زمینی بوته به شکل ثابت و یا متحرک استفاده می شود و معمولا جنس بوته در این کوره ها از گرافیت و یا کاربید سیلیسیم می باشد 2- کوره های شعله ای : در این کوره ها شعله به صورت مستقیم با مواد شارژ برخورد می نماید این کوره ها معمولا به شکل اتاقک های مکعب مستطیل می باشد و معمولا در این کوره ها از سوخت های گازوئیل ، مازوت و یا گاز استفاده می شود . راندمان این کوره ها پایین بوده و ذوب فلز به صورت تششع شعله انجام می شود تناژ این کوره ها بسیار بالا می باشد و معمولا ظرفیت شارژ این کوره ها حداکثر تا 20 تن می باشد این کوره ها معمولا به دو صورت دیده می شود الف: نوع اول آن که بدون پیش گرم بوده و مواد شارژ به صورت مستقیم و سرد وارد کوره می شود . ب: نوع دوم آن کوره هایی با پیش گرم شارژ بوده که در این روش مواد شارژ در قسمت بالای کوره قرار می گیرند و تحت تاثیر دمای کوره پیش گرم می شوند در این کوره های معمولا راندمان بیشتر بوده و تلفات حرارتی کمتر می باشد 3- کوره های الکتریکی : این کوره ها معمولا در دو نوع مقاومتی و القایی می باشد الف : کوره های مقاومتی : این کوره ها از المنت های فنری تشکیل شده است که در جداره کوره قرار دارند و که برای گرم کردن جداره کوره استفاده می شود که حداکثر دمای این المنت ها 1200 درجه می باشد که با توجه به دمای ذوب آلومینیم که حداکثر 820 درجه سانتیگراد است لذا عملا نیازی به درجه حرارت های بالا و زیاد در ذوب نیست ب: کوره های القایی : معمولا این کوره ها از نظر کیفیت ذوب به علت تماس نداشتن مذاب با عوامل احتراق مناسب می باشند و برای آلیاژ سازی مناسب هستند . در این کوره ها ترکیب شیمیایی مذاب یکنواخت تر بوده و سطح سرباره خوبی در ذوب ریزی ندارند . کنترل درجه حرارت ، کنترل ترکیب شیمیایی مذاب ، یکنواختی ترکیب شیمیایی و انحلال گاز کمتر همگی باعث افزایش کفیت مذاب در این کوره ها شده است .

 

[قاسم معتمدی]

آلومینیم​

آلومینیم با علامت شیمیایی AL و شبکه کریستالی FCC می تواند اتم های عناصری مثل کربن ،نیتروژن،بر ، هیدروژن و اکسیژن را به دلیل شعاع اتمی کوچک که دارد در خود به شکل محلول جامد بین نشین حل نماید. نقطه ذوب 660 درجه سانتیگراد و نقطه جوش آن 2750 درجه می باشد. آلومینیم را در دماهای 1000 درجه و بالاتر از آن استفاده نمی کنند به دلیل اینکه شدیدا اکسید شده و تلفات آن زیاد می باشد. ولی منیزیم و روی این مقدار بیشتری از آلومینیم تلفات دارند. وزن مخصوص 7/2 می باشد و در حالت مذاب 3/2 بنابراین می توان نتیجه گرفت در حالت مذاب انبساط آن زیاد می باشد.در صد انقباض آن در فاز مایع 10% و در حین انجماد 8/6% است و به دلیل انقباض های زیاد به تغذیه در قعات آلومینیم ضرورت می یابد.مهمترین آیاژهای آلومینیم عبارتند از : آلیاژ آلومینیم با منیزیم – مس و سیلیسیم و یا آلیاژهای با ترکیب این سه عنصر لذا در اثر آلیاژ نمودن خواص مکانیکی مقاومت به خوردگی و ماشین کاری آلومینیم افزایش می یابد . به هر حال آلومینیم و آلیاژهای آن به دلیل نقطه ذوب پایین ، سیالیت زیادی که دارد افزایش خواص مکانیکی در اثر آلیاژ سازی و همچنین قابلیت عملیات حرارتی را دارد. منحنی سرد شدن تعادلی مواد فلزی با یکدیگر متفاوت است مثلا یک آلومینیم خاص را با یک آلیاژ دیگر در نظر بگیرید در فلز خاص در یک دمای خاص انجماد صورت می گیرد . در صورتی که در یک آلیاژ انجماد در یک فاصله در جه حرارتی صورت می گیرد. عملیات گاز زدایی با استفاده از گازهای فعال مثل کلر : اگر درجه حرارت 180 درجه برسد ترکیب فوق به شکل حباب در آمده ( فرار می باشد ) و هید روژن به داخل آن نفوذ می کند هر چه عمق مذاب بیشتر باشد گاز زدایی یا بازده ی آن بیشتر می شود. عملا باید 6/0 % گاز کلر مصرف شود که بستگی به نوع آلیاژ نوع کوره و شرایط وارد کردن گاز و روش تهیه قالب و رطوبت هوا دارد. گاز زدایی باکلر نسبت با ازت برتری دارد چون گاز کلر حباب کارید آلومینیم ریز و بیشتری تولید می کند .
کلر معایبی هم دارد که عبارتست از :
1- سمی بودن کلر 2- تلفات آلومینیم
عملیات با کلرید ها قدیمی ترین روش گاز زدایی می باشد و بر اساس واکنش کلر با فلز است . در این روش تر کیبات کلرید تجزیه شده و در انتخاب کلرید بایستی دقت شود تا ناخالصی وارد مذاب نشود.آلیاژ های Mg-Al که تا 2%Mg خالص به مذاب AL تولید می شود. بدیهی است که تلفات این عنصر زیاد می باشد و از این رو اغلب از آمیژن این عنصر با 10 % Mg استفاده می شود.سیالیت آلیاژهای Mg کم بوده و از این سیستم های راهگاهی معمولا از اندازه عادی بزرگتر انتخاب می گردد.
آلیاژهای Si-Al-Mg
دو عنصر آلیاژی Si و Mg قادر به ترکیب بوده و ترکیب بین فلزی را بوجود می آورند این عناصر به عنوان یک سیستم آلیاژی شبه دو تایی عمل می کند. این سیسیتم سه تایی سیستمی است که می توان آن را تحت عملیات حرارتی محلولی و پیر سختی قرار داد . آلیاژهای سه تایی دارای مزیت سیستم شبه دو تایی و همچنین اثرات مفید Si محلول درصد کم Mg تا حدود 3/0 % و درصد های بالای Si یعنی 6-8 %می باشد. افزایش بیشتر Si باعث بهبود خواص ریخته گری این آلیاژ ها می شود . در بعضی از آلیاژها ترکیب سیلیسیم و منیزیم مضر هستند که در نتیجه به عنوان نا خالصی محسوب می شوند . به خاطر این که تمامی آلیاژ Al دارای Si می باشد افزایش سختی در اثر تشکیل می باشد و با افزایش این سختی آلیاژ ترد و شکننده می شود. از خواص قطعات ریخته گری Al می تواند به قابلیت ماشین کاری ، قابلیت پرداخت کاری ، جوش کاری، لحیم کاری و قابلیت عملیات سختی سطحی اشاره کرد . این آلیاژ دارای خواص دیگری مانند استحکام برشی ، استحکام فشاری و مقاومت به خوردگی نیز می باشد.
وزن مخصوص كم:
یك متر مكعب آلومینیوم خالص 8/2827 كیلوگرم وزن دارد و یك متر مكعب از سنگین‌ترین آلیاژهای آلومینیوم (یعنی آلیاژهای حاوی مس و روی) دارای وزنی در حدود 2953 كیلوگرم است. حتی این سنگین‌ترین آلیاژ‌های آلومینیوم نیز حداقل 1978 كیلوگرم در هر متر كعب سبك‌تر از وزن هم حجم سایر فلزات ساختمانی (بجز منیزیم) است.
پوشش سخت دادن Hard Coating
یكی از فرآیندهای آندایزه كردن است كه به تدریج اهمیت پیدا می‌كند و آن را آندایزه كردن سخت یا پوشش سخت دادن می‌نامند. این فرآیند گرچه در اساس مشابه آندایزه كردن معمولی است ولی از چند نقطه نظر با آن تفاوت دارد. در پوشش سخت، محلول مورد استفاده اسید سولفوریك و درجه حرارت عمل پایین‌تر است. فرآیند بقدری ادامه می‌یابد كه لایه اكسیدی به ضخامتی تا حدود 5 برابر ضخامت آندایزه كردن معمولی برسد.
پوشش آلومینیومی دادن Alcladding
بطور كلی آلیاژهای آلومینیوم با استحكام زیاد از نظر خوردگی كم مقاومترین آنها محسوب می‌گردند. این مطلب بخصوص در مورد آلیاژهای حاوی درصدهای زیاد مس یا روی صادق است. از طرف دیگر مقاومت به خوردگی آلومینیوم خالص بسیار زیاد است. پوشش آلومینیومی دادن یكی از روشهای افزایش مقاومت خوردگی به یك آلیاژ با استحكام زیاد است. در این فرآیند یك لایه آلومینیوم خالص به سطح آلیاژ مورد نظر متصل شده و در نتیجه مجموعه حاصل خواص مورد نظر حاصل می‌شود. این روش مخصوصاً در محصولات ورقه‌ای مناسب است.
ریخته گری در قالبهای مختلف
ریخته گری در قالب های فلزی – ریخته گری در قالبهای ماسه در قالبهای فلزی در رابطه با آلیاژهای آلومینیم – سیلیسیم با افزایش درصد سیلیسیم سختی پیوسته افزایش می یابد با افزایش در صد سیلیسیم تا حدود 12% استحکام کششی افزایش و بعد از آن کاهش می یابد و همچنین با افزایش آن تا حدود 6% از دیادطول کاهش می یابد. در رابطه با قالب های ماسه ای با افزایش درصد سیلیسیم تا حدود 22% استحکام افزایش و بعد از آن کاهش می یابد . افزودن سیلیسیم به مذابآلومینیم توسط آلیاژ ساز های آلومینیم-سیلیسیم که دارای 13 تا 23 % سیلیسیم می باشد صورت می گیرد این آلیاژ ساز به دلیل نقطه ذوب پایین یعنی 580 درجه سانتیگراد به راحتی در مذاب آلومینیم قابلیت حل شدن دارند.
روش های مختلف قالبگیری آلیاژهای آلومینیم :
آلیاژهای آلومینیم با کلیه روش های قالبگیری موقت ماسه ای ، گچی پوسته ای ، سرامیکی و قالب های فلزی و قالب های تحت فشار قابلیت ریخته گری دارند. ریخته گری در قالب های ماسه ای از انواع ماسه های سیلیسی ، زیرکنی ، کرومیتی استفاده می شود و در قالب های فلزی جنس قالب های فلزی از چدن خاکستری پر کربن بوده و سطح آن را با گرافیت پوشش می دهند.
نرمی آلومینیم در حالت سرد
اغلب عملیات شکل دادن آلومینیم در حالت سرد انجام می گیرد زیرا وقتی پوفیلی با رویه نازک و روق های نازک حرادت داده می شوند امکان تاب خوردن آنها وجود دارد نیروی لازم برای تغییر شکل آلومینیم کمتر از فولاد است نرمی آلومینیم به خود ماده ( نوع آلیاژ ) و حالت آن بستگی دارد وضعیت آلومینیم مانند هر فلز دیگری در اثر کار سرد تغییر می کند تاثیر کار سرد بر آلومینم از این قرار است ماده مستحکم تر و سخت تر می شود در قطعه تنش تولید می شود اگر تغییر شکل از ظرفیت تغییر شکل پذیری فلز بیشتر شود کار سرد مممکن است باعث ترک خوردن آن شود راحت ترین ماده آلومینیمی از نظر تغییر شکل و نرمی آلویمینم حالص آلومینیم تصفیه شده و آلیاژ Al-Mn در حالت نرم آ« است آلومینیم خالص و آلیاژهای آلومینیم در حالت نیمه سخت و آلیاژهای پیر سختی پذیر در حالت نرم در حال کار پذیر هستند گر چه کارپذیری آن ها کمتر از موادبیشتر شاد شده است آلیاژ های آلومینیم در حالت سخت یا حالات کاملا پیر سهت شده به مقدار کمی کار پذیرند و به طور کلی کارپذیری آنها بسیار مشکل است .

 

[قاسم معتمدی]

AL

AL


آلومینیوم و آلیاژهای آن
آلومینیوم با وزن مخصوص پایین، g.cm-3 7/2، مدول پلاستیکی MN.m-2 7، انعطاف پذیری خوب، مقاومت به خوردگی بالا و قابلیت هدایت الکتریکی و حرارتی بالا یکی از فلزاتی است که اهمیت صنعتی فراوانی دارد. این فلز با استحکام ویژه (نسبت استحکام به وزن) عالی خود و همچنین با توجه به قابلیت آن برای پذیرش مکانیزمهای استحکام بخشی، جدول 1 و شکل پذیری گرم وسرد خوب، در صنایع هواپیماسازی و وسایل حمل و نقل اهمیت زیادی یافته است. همچنین با شکل پذیری بالایی که دارد می توان از ان، انواع پروفیلها یا شکلهای توپر و توخالی و پیچیده، ورق تا ضخامتهای بسیار پایین (زورقها یا فویلها)را تولید کرد. با توجه به خواص مکانیکی و فیزیکی ویژه از آن در ساخت مخازن، قطعات و تجهیزات صنایع شیمیایی، مصالح ساختمانیف صنایع بسته بندی مواد غذایی و در صنایع الکتریکی 0به صورت سیمها، کابلها و اتصالات برای انتقال الکتریسیته)، استفاده می شود. با داشتن سطح خارجی براق در کاسه چراغها و نوافکنها به کار می رود.
تقسیم بندی آلیاژهای آلومینیوم
آلیاژهای آلومینیوم به طور کلی به دو گروه تقسیم بندی می شود: آلیاژهای تغییر شکل داده و آلیاژهای ریخته گری شده، که به روش تولید آنها بستگی دارد. آلیاژهای تغییر شکل داده شده از طریق تغییر شکل پلاستیکی (کار گر و سرد) تولید می شوند و ترکیب شیمیایی و ریزساختاری کاملاً متفاوتی از آلیاژهای ریخته گری شده خواهند داشت. هریک از این دو گروه می تواند به دو زیرگروه: آلیاژهای عملیاتی حرارتی پذیر و غیر عملیات حرارتی پذیر تقسیم شوند.
آلیاژهای آلومینیوم با سیستم عددی مشخص شده اند، جدول 2. اولین عدد، تعیین کنندۀ عناصر آلیاژی اصلی است و بقیه اعداد، ترکیب شیمیایی آلیاژ را مشخص می کنند. این سیستم علامت گذاری بین المللی (IADS) توسط کشورهای متعددی پذیرفته شده است.
درجۀ استحکام بخشی با تخصیص حروف T یا H، به نوع عملیات حرارتی و یا عملیات کارسختی و یا سختی کرنشی انجام گرفته روی آن بستگی دارد، جدول 3. حرف O برای موقعی که آلیاژ آنیل شده باشد، W برای عملیات حرارتی حل سازی حالت جامد و F برای شرایط تولید استفاده می شود. اعدادی که به دنبال حروف T یا H می آیند، مقدار سختی کرنشی،نوع دقیق عملیات حرارتی و یا نکات ویژه دیگری از فرآیند آلیاژ را مشخص می کنند. جدول 4 انواعی از آلیاژها ی آلومینیوم و خواص آنرا نشان می دهد.

​

آلیاژهای تغییرشکل یافته: آلیاژهای xxx 1، xxx 3، xxx 5 و اغلب xxx 4 قابل پیرسختی شدن نیستند. آلیاژهای xxx 1و xxx 3،به استثنای حضورمقادیرکمی ناخاصی یا ترکیبات بین فلزی تک فازی هستند. خواص آنها با کنترل میزان سختی کرنشی، استحکام بخشی حل سازی حالت جامد و اندازۀ دانه ها کنترل می شود. به هر حال، به دلیل کم بودن حلالیت عناصر آلیاژی در آلومینیوم در دمای معمولی محیط، میزان استحکام بخشی به صورت حل سازی در حالت جامد محدود خواهد بود.
آلیاژهای xxx 5 در دمای معمولی محیط شامل دو فاز ) به صورت محلول جامدی از منیزیم در آلومینیوم) و فاز دوم (ترکیب بین فلزی Mg2Al3 فاز سخت و ترد هستند، شکل 1، جدول 2. استحکام آلیاژهای Al-Mg می تواند با توزیع ذرات ریز Mg2Al3، سختی کرنشی، استحکام بخشی حل سازی حالت جامد و اندازۀ دانه ها کنترل شود. اما از آنجا که فاز Mg2Al3 کوهرنت نیست، عملیات حرارتی پیر سختی بر روی آن امکان پذیر نیست.

​

​

​

​

​

​

​

​

​

 

[قاسم معتمدی]

آلیاژهای سری xxx 4 نیز شامل دو فاز و سیلیسیم تقریباً خالص است شکل 1.
آلیاژهایی که شامل دو عنصر سیلیسیم و منیزیم هستند می تواند با تشکیل رسوب بین فلزی Mg2Si پیرسختی شوند. تشکیل این رسوب باعث افزایش استحکام می شود.
آلیاژهای با درصد منیزیم بالا (تا حدود 7%) برای قطعاتی که تنشهای متوسط و بالا در محیطی خورنده به آنها اعمال می شود، مناسب اند. افزودن مقدار حدود Cr 3/0 %، و Ti 3/0 % باعث افزایش مقاومت به خوردگی خواهد شد. این آلیاژها به صورت ورق در ساخت اتوبوسها،واگنهای حمل و نقل، کشتیها و در صنایع شیمیایی و غذایی به کار می روند. آلیاژهای تغییر شکل یافته غیر قابل سختی پذیر، دارای مقاومت به خوردگی خوبی در آب دریا در مقابل خوردگی هستند. استحکام این آلیاژها نمی تواند از طریق سختی رسوبی افزایش یابد، بلکه بیشتر با اعمال کار سرد روی آنها و مقداری هم از طریق حل کردن عناصر آلیاژی افزایش می یابد.
آلیاژهای گروه xxx 1، xxx 6 و xxx 7 قابل پیرسختی هستند. اگرچه این آلیاژها استحکام عالی دارند، اما مقدار رسوبی که در آنها می تواند شکل بگیرد محدود خواهد بود، از این رو نمی توانند در دماهای بالاتر از حدود 175 درجه سانتیگراد در شرایط پیرسختی به کار روند.
آلیاژهای ریخته گری شده: تعداد زایدی از آلیاژهای ریخته گری شدۀ متداول آلومینیوم، که مشخصات آنها در جدول 4 ارائه شده، شامل سیلیسیم کافی برای واکنش یوتکتیک با نقطۀ ذوب پایین، سیالیت و قابلیت ریخته گری خوب هستند.
خواص آلیاژهای ریخته گری شدۀ آلومینیوم- سیلیسیم می تواند از طریق استحکام بخشی حلالیت جامد ، استحکام بخشی با توزیع فاز در و انجمادی که در آن اندازۀ دانه اولیه، شکل دانه ها و ریز ساختار یوتکتیک کنترل می شود، به دست آید. تعداد زیادی از آلیاژهای آلومینیوم شامل مس، منیزیم یا روی بوده و قابل پیرسختی هستند.
آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری شده دارای استحکام، شکل پذیری و مقاومت در مقابل خوردگی هستند. سیلیسیم به مقدار بین حدود 5 تا 12% مهمترین عنصر آلیاژی را در این نوع آلیاژ تشیکیل می دهند. این عنصر در حالی که سیالیت کذاب را بالا می برد، سبب افزایش استحکام نیز می شود. موقعی که انجماد (در قالبهای ماسه ای) به آهستگی انجام گیرد و مقدار سیلیسیم بالا (در حدود 13% ) باشد سیلیسیم رسوب یافتۀ اولیه به صورت دانه های کریستالی بزرگ، گوشه دار، صفحه ای یا سوزنی شکل خواهد بود که سبب ترد شدن آلیاژ و غیر قابل استفاده آن برای کاربردهای خاصی می شود. این قبیل دانه های نامناسب سیلیسیم رامی توان در سطح شکست به خوبی مشاهده کرد. برای جلوگیری از رسوب سیلیسیم به شکلهای نامناسب و ظاهر گشتن رفتار ترد در این آلیاژها می توان از عنصر سدیم در حدود 001/0 تا 1/0 % استفاده کرد. بدین صورت که عنصر سدیم به صورت سدیم فلزی یا نمک سدیم) در دمای حدود 720 تا 780 درجه سانتیگراد به مذاب اضافه می شود.. سدیم سبب می شود که سیلیسیم به صورت دانه های فوق العاده ریز در آلومینیوم پراکنده شود و بدین ترتیب استحکام و تغییر طول نسبی آن افزایش یابد. آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیم مانع نقوذ مایعات و گازها به داخل قطعه هستند.
مهمترین کاربرد آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیم با درصد بالایی از سیلیسیم (تا حدود 26 %) در ساخت پوسته موتور و پیستونهای موتور ماشینهای احتراقی است. این گونه آلیاژها باید علاوه بر داشتن مقاومت حرارتی و مقاومت سایشی بالا دارای ضریب هدایت حرارتی تا حد ممکن بالا نیز باشند تا اینکه حرارت ایجاد شده در نتیجۀ احتراق را هرچه سریعتر انتقال دهند. درجۀ حرارت کف پیستون در حین کار می تواند به حدود 200 تا C و در شرایط نامناسب کاری حتی بیشتر برسد. از طرفی ضریب انبساط این آلیاژها باید تا حد ممکن پایین باشد، تا بدین ترتیب تغییر دقت ابعادی (تلرانس) بین پیستون و سیلندر در نتیجه تغییرات درجه حرارت در حین کار به مقدار حداقل ممکن برسد. آلیاژهای آلومینیوم- منیزیم با حدود Mg3 % و Ti3/0 % دارای پایداری خوب در آب دریاست. آلیاژهای آلومینیوم از نوع AlMgSi با 4/0 تا Mg5/0 % و تا Si 6/0% به عنوان آلیاژهای هادی الکتریسیته با استحکام بالا و مقاومت خوب در مقابل خوردگی به کار می رود.

 

[قاسم معتمدی]

آلیاژهای ریخته گری شده آلومینیوم از نوع AlZnCu با 10 تا Zn12% و 2 تا Cu 4% موقعی که مقدار روی به حداکثر و مس به حداقل مقدار و بر عکس برسد، از سیالیت خوبی برخورداند. این آلیاژ در نتیجه حد تسلیم بالا در ساخت اجزاء و قطعات بزرگی که تحت تأثیر نیروهای متناوب و نیروهای ضربه ای قرار می گیرد (مانند پوسته موتور) به کار می رود. چنانچه مقدار آهن در آن از 1% تجاوز کند خطر ایجاد ترک وجود خواهد داشت.














آلیاژهای آلومینیوم- منگنز تا حدود Mn 5/1 % دارد. منگنز استحکام و مقاومت در مقابل خوردگی را بهبود می بخشد و درجۀ حرارت تبلور مجدد را افزایش می دهد. آلیاژهایی با 1 تا Mn 5/1 % و مابقی آلومینیوم بیشتر به عنوان آلومینیوم خالص، در مواردی که استحکام بالا و همچنین مقاومت در مقبل خوردگی مورد نظر باشد، به کار می رود. هنگامی که آهن (بیش از 5/0 %) در آلیاژ آلومینیوم موجود باشد، منگنز مانع ایجاد فاز سوزنی شکل ترد Al3Fe در ریز ساختار می شود. بدین صورت که آهن توسط کریستالهای Al6Mn با فرم مناسب گرفته می شود. اما آهن می تواند به آلیاژهای آلومینیوم که حاوی مس و نیکل است برای افزایش قابلیت فورجینگ گرم تا حداکثر 3/1 % افزوده شود. به منظور افزایش مقاومت در مقابل خوردگی در محیط آب دریا به آلیاژهای آلومینیوم از نوعAlMgMn با 2 تا Mg 3% و 6/0 تا Mn 1/0 % تا حدود Sb 2/0 % اضافه می شود.
آنتیموان اضافه شده لایه ای را بر روی این نوع آلیاژ عاری از مس ایجاد می کند که از ادامۀ فعل و انفعال خوردگی جلوگیری می کند. شکلهای 1 و 2.تعدادی از نمونه های تعادلی مورد نیاز برای آلیاژهای آلومینیوم را نشان می دهد.

​

​

​

​

​

​

​

شکل 1: نمودارهای تعادلی آلیاژهای (الف) آلومینیوم- منیزیم، (ب) آلومینیوم- مس،(ج) آلومینیوم- لیتیم​

شکل 2: قسمتی از نمودارهای تعادلی، (الف) آلومینیوم- آهن، (ب) آلومینیوم سیلیسیم، (ج) آلومینیوم- منگنز، (د) آلومینیوم- روی​

آلیاژهای آلومینیوم پیشرفته
آلیاژهایی که از آلومینیوم شامل عنصر لیتیم تولید شده اند که اهمیت ویژه ای در صنایع هوا- فضا یافته اند. چگالی لیتیم 534/0 است، نتیجتاً چگالی آلیاژهای Al-Li می تواند حدود 10% کمتر از دیگران آلیاژهای متداول آلومینیوم باشد. این وزن کم می تواند باعث استحکام ویژه بسیار خوب این آلیاژ برای کاربردهای هوا- فضایی باشد. آهنگ رشد ترک خستگی در این آلیاژها پایین است که باعث بهبود مقاومت خستگی و سفتی (تافنس) خوب این آلیاژها در دماهای پایین می شود. آلیاژهای Al-Li در ساخت کف، بدنه و اسکلت هواپیماهای نظامی و تجاری به کار می روند.
استحکام بالای آلیاژهای Al-Li ناشی از قابلیت آنها برای پیر سختی، شکل 1. آلیاژهایی که تا Li 5/2 % دارند می توانند تحت عملیات حرارتی متداول قرا رگیرند. افزودن Li (تا حدود 4%) با استفاده از فرآیند انجماد سریع می تواند به دستیابی به آلیاژی از آلومینیوم با وزن سبک و استحکام بالا کمک کند.

 

[قاسم معتمدی]

روشهای تولید مدرن به بهبود استحکام آلیاژهای آلومینیوم به ویژه در دماهای بالا، کمک می کند. فرآیند انجماد سریع، که در آن آلیاژ مایع به ذرات یا قطره های ریزی شکسته شده و سریع منجمد می شوند با ترکیبی از متالوژی پودر در تولید آلیاژهای جدید به کار گرفته می شود.
گروهی از آلیاژهای آلومینیوم شامل عناصر واسطه مانند آهن، کُرُم و ترکیبات بین فلزی مانند Al6F (به صورت ذرات ریز توزیع شده در فاز زمینه) هستند. اگرچه خواص این آلیاژهای پیشرفته در دمای معمولی محیط شبیه به آلیاژهای متداول است، اما حضور ذرات پایدار و توزیع شده در زمینه باعث ایجاد خواص خوب در دماهای بالا می شود، موقعیتی که می تواند به تبلور مجدد یا پیری بیش از حد منجر شود.
مثال 1) یک کابل فولادی به قطر mm5/12= d و استحکام MN.m-2 310 و چگالی 87/7 با توجه به جدول 9 تعیین کنید:
الف) حداکثر باری که کابل که کابل فولادی می تواند تحمل کند؟
ب) قطر آلیاژی از آلومینیوم- منیزیم (3004-H18) مورد نیاز که بتواند همان بار را تحمل کند.
ج) وزن هر متر کابل فولادی به کابل از آلیاژ آلومینیوم
حل:
الف) KN 38= 310= A.y = F بار
ب) MN.m-2 250 = استحکام تسلیم آلیاژ آلومینیوم
بنابراین :

Mm9/13 = 0139/0 = d و m2 4-10×52/1 =
ج) kg 966/0 = (87/7) 2(0125/0) = = وزن هر متر کابل فولادی
Kg410/0 = (70/2) (1) 2(0139/0) = = وزن هر متر کابل آلیاژ آلومینیومی
مثال 2) ماده مناسبی را برای مخزن هیدروژن مایع به عنوان سوخت هواپیماهای هوا- فضا مشخص کنید.
حل: از آنجایی که هیدروژن مایع در« 253- » درجه سانتی گراد ذخیره می شود، بنابراین مخزن مورد نظر باید خواص خوبی در دماهای پایین داشته باشد. مخزن تحت تنشهای بالایی قرار می گیرد، به ویژه موقعی که هواپیما داخل جو زمین می شود. از این رو باید تافنس شکست خوبی داشته باشد تا بتواند از احتمال وقوع تخریب بحرانی بکاهد، از طرف دیگر باید از لحاظ وزن نیز سبک داشته باشد تا به سوخت کمتری نیاز داشته باشد.
بنابراین آلیاژهایی از آلومینیوم که دارای وزن کم، انعطاف پذیری و تافنس شکست خوبی هستند برای این منظور مناسب اند. یکی از آلیاژهای آلومینیوم که دارای این خصوصیات در دماهای پایین است آلیاژ 5083-0 می باشد. همچنین آلیاژهای آلومینیوم- لیتیم برای کاربردهای دماهای پایین، مانند 2090-T4 برای این منظور مناسب خواهد بود.

 

[قاسم معتمدی]

معروفترین مشخصۀ آلومینیوم سبکی آن است، چگالی آلومینیوم 3/1 فولاد و آلیاژهای مس است. نسبت استحکام به وزن بعضی از آلیاژهای آلومینیوم از فولادهای پر استحکام بالاتر است. آلومینیوم چکش خواری و شکل پذیری خوب، مقاومت زیاد در برابر خوردگی و رسانندگی الکتریکی و گرمایی خوبی دارد. آلومینیوم بسیار خالص در عکاسی به عنوان بازتابنده به کار می رود؛ مزیت آن بازتابندگی زیاد و مات نشدن است.
آلومینیوم غیر سمی، غیر مغناطیسی و جرقه نزن است. غیر مغناطیسی بودن آلومینیوم را برای ساخت محافظهای الکتریکی همانند پوستۀ فیوزهای قدرت یا محفظۀ دیگر ادوات الکتریکی مناسب جلوه می دهد.
هرچند که رسانندگی آلومینیوم (EC) در حدود 62% مس است، اما به سبب سبکی وزنی، به عنوان رسانای الکتریکی در بسیاری از کاربردهای صنعتی مناسب تر است.
استحکام کشی آلومینیوم خالص در حدود kg/mm2 9 (psi 13000) است. اما با سردکاری و آلیاژ کردن می توان استحکام آنرا افزایش داد. بعضی آلیاژهای آلومینیوم با عملیات گرمایی مناسب استحکامی در حدود kg/mm2 70 (psi 100000) پیدا می کنند.
یکی از مهمترین خواص آلومینیوم، کار پذیری و ماشینکاری آن است. این فلز را می توان به همۀ روشهای شناخته شده ریخته گری داد، تا هر ضخامت مطلوب نورد کرد و آن را به هر شکل دلخواه پرس کرد، کشید، مورد چرخانش قرار داد، چکش کاری، آهنگری یا خروجکاری کرد.
آلومینیوم خالص تجارتی، آلیاژ 1100 (بیش از 99 % آلومینیوم) مناسب کاربردهایی هست که به شکل پذیری خوب یا مقاومت خیلی خوب در برابر خوردگی (یا هر دو) نیاز دارند ولی به استحکام زیاد نیاز ندارند. آلومینیوم به طور گسترده ای در ساخت ظروف آشپزخانه، قطعات مختلف ساختمانی، لوازم حمل و نگهداری مواد غذایی و مجموعه های جوشکاری شده مصرف می شود.

​

​

​

​

سیستم شناسایی آلیاژ
سیستم شناسایی آلومینیوم آلیاژهای آلومینیوم کار پذیر توسط اتحادیۀ آلومینیوم در سال 1954 استاندارد شده است. این استاندارد از یک سیستم شماره گذاری چهار رقمی تشکیل می شود. اولین رقم آلیاژ را نشان می دهد(جدول 5). دومین رقم اصلاحات انجام شده بر روی آلیاژ اولیه و یا حد ناخالصیها را نشان می دهد، صفر برای آلیاژ اصلی و یک تا 9 نشان دهندۀ اصلاحات انجام شده بر روی آلیاژ است. درگروه xxx 1 حداقل خلوص آلومینیوم 99% و بیشتر است، دو رقم آخر همان دو رقمی است که بعد از ممیز برای تعیین حداقل آلومینیوم قرار می گیرد. بنابرانی آلیاژ 1060 حداقل 60/99 % آلومینیوم دارد و بقیۀ ناخالصیهای آن کنترل نشده است.
در آلیاژ های xxx2 و xxx8، دو رقم آخر تنها مشخص کنندۀ آلیاژهای متاوت آن گروه است.
تعیین حالت
حرف تعیین حالت بعد از یک خط تیره به دنبال شمارۀ شناسایی آلیاژ می آید. سیستم نامگذاری حالت اتحادیه آلومینیوم که در سال 1948 انتخاب شده، برای آلومینیوم کار پذیر و ریختگی و آلیاژ های آن به کار می رود. اساس این سیستم برعملیات انجام شده بر فلز یا آلیاژ استوار است.

 

[قاسم معتمدی]

سیستم استاندارد تعیین حالت شامل یک حرف است. به جز حالت تابکاری شده و یا حالت بعد از تولید و بدون عملیات بعدی، در بقیۀ حالتها یک یاچند رقم نیز و جود دارد. چهار حالت اصلی عبارتند از F برای حالت بعد از تولید، O تابکاری شده، H کرنش سختی شده، T عملیات گرمایی شده.
F: بعد از تولید قطعه بعد از تولید در این حالت است. در این شرایط هیچ تضمینی برای خواص مکانیکی وجود ندارد.
O: تابکاری شده، تبلور مجدد یافته؛ این نرم ترین حالت آلیاژهای کار شده است.
H: کرنش سخت شده این حالت قطعاتی است که خواص مکانیکی آنها تنها از طریق کار سختی افزایش می یابد . اغلب H با دو یاچند رقم همراه است. اولین رقم نشان دهندۀ ترکیب خاصی از عملیات اصلی به شرح زیر است:
H1 تنها کرنش سخت شده. دومین رقم نشان دهنده مقدار کار سرد انجام شده است. عدد 8 به معنای کاملاً سخت است. بنابراین حالت نیم سخت با H14، یک چهارم سخت 12 H و غیره نشان داده می شود. حالت فوق العاده سخت با عدد 9 نشان داده می شود. اغلب عدد سوم برای نشان دادن درجه کنترل حالت یا مشخص کردن گروه خاصی از خواص مکانیکی به کار می رود.
2H: کرنش سخت و سپس تابکاری ناقص شده. در مورد محصولاتی که ابتدا با سردکاری بیش از حد لازم سخت شده و سپس با تابکاری استحکام آنها تا حد مطلوبی کاهش یافته است به کار می رود. مقدارسرد کاری باقیمانده با همان روش 1H مشخص می شود.
3H: کرنش سخت و سپس پایدار شده. این عمل فقط بر آلیاژهای حاوی منیزیم اعمال می شود که تا دمای پایینی گرم می شوند و خواص آنان پایدار می شود. میزان کرنش سختی باقیمانده بعد ازپایدار کردن، معمولاً با یک یا چند رقم بیان می شود.
W: عملیات گرمایی محلولی شده حالتی ناپایدار است که فقط برای آلیاژهایی که بعد از عمیات محلولی، خود به خود در دمای محیط پیر می شوند به کار می روند. به سبب پیر شدن طبیعی، این حالت تنها وقتی مشخص می شود که دورۀ پیر شدن معلوم شده باشد؛ مثلاً (5/0 ساعت) W- 2024.
T: عملیات گرمایی شده این حرف برای قطعات کرنش سخت شده یا نشده ای که برای رسیدن به حالتی پایدار عملیات گرمایی شده اند به کار می رود. حرف T می تواند اعداد 2 تا 10 را که نشان دهندۀ عملیات اصلی انجام شده است به دنبال داشته باشد. ایجاد تغییرات عمومی در شرایط سبب بروز تفاوت مهمی در خواص قطعات می شود که با افزودن یک یا چند رقم به حرف حالت اصلی مشخص می شود.
T2: تابکاری شده (تنها فراورده های ریختگی).
T3: عملیات گرمایی محلولی و سپس سردکاری شده.
T4: عملیات گرمایی محلولی و به طور طبیعی پیرشده تا رسیدن به وضعیت پایدار.
T5: فقط به طور مصنوعی پیر شده. در مورد محصولاتی به کار می رود که پس از قرار گرفتن در دمای زیاد و سپس سرد شدن سریع در جریان فرایند تولید، به طور مصنوعی پیر شده اند. مثل فراورده های ریختگی یا خروجکاری شده.
T6: عمیات گرمایی محلولی و سپس به طریقه مصنوعی پیر شده.
7T: عملیات گرمایی محلولی و سپس پایدار شده. در مورد قطعاتی به کار می رود که شرایط دما و زمان برای پایدار کردن آنها چنان است که با کنترل رشد و یا تنشهای پسماند سختی، قطعه تا ورای نقطۀ حداکثر سختی می رسد.
8T: عملیات گرمایی محلولی، سرد کاری و سپس به طور مصنوعی پیر شده.
9T: عملیات گرمایی محلولی، به طور مصنوعی پیر شده و سپس سرد کاری شده.
10T: به طور مصنوعی پیر شده، سپس سرد کاری شده، همانند 5T اما همراه با سرد کاری برای افزایش استحکام.

آلیاژهای آلومینیوم- مس (سری xxx2)
بخش غنی از آلومینیوم نمودار تعادلی آلومینیوم – مس در شکل 3 نشان داده شده است. حداکثر حلالیت مس در آلومینیوم 65/5 % در 547 درجه سانتیگراد (1018 درجه فارنهایت) که در 300 درجه (5720 درجه فارنهایت) به 45/0 % کاهش می یابد. بنابراین آلیاژهای حاوی 5-5/2 % مس پیرسختی پذیرند. فاز تتا ، فاز آلیاژی میانی است که ترکیب شیمیایی نزدیک به CuAl2 دارد. عملیات محلولی با گرم کردن تا منطقه فاز کاپا و سپس سرد کردن سریع انجام می شود. پیر کردن بعدی، خواه مصنوعی و خواه سبیعی، اجازه می دهد که فاز رسوب کند و استحکام آلیاژ افزایش یابد. این آلیاژها ممکن است حاوی قادیر کمی سیلیسیم، آهن، منیزیم، منگنز، کروم و روی باشند.

 

[قاسم معتمدی]

شکل 4 نشان دهنده ساخنار آلیاژ 4T – 2014 است که بعد از آهنگری در قالب بسته، تحت عملیات گرمایی محلولی و سپس آبدادن در آب گرم قرار گرفته است. این ساختار عمدتاً شامل ذرات سیاه نامحلول از ترکیبات پیچیده Fe، Mn، Si و Al در زمینه محلول جامد غنی از آلومینیوم است. تنها معدودی ذره CuAl2 (در زمینه سفید) دیده می شود وبیشتر این ذره ها در نتیجه عملیات گرمایی حل شده اند.
سه نوع پر مصرف آلیاژهای کارپذیر آلومینیوم – مس عبارتند از 2014، 2017 و 2024.
قدیمیترین نوع آلیاژ آلومینیوم عمیات گرمایی پذیر، دورالومین (2017) با 4 درصد مس است. این آلیاژ به طور گسترده ای در برجهای هواپیما مصرف می شود. به سبب پیر شدن طبیعی، این آلیاژ را بعد از عملیات محلولی برای جلوگیری از پیر شدن در محیطی خنک نگهداری می کنند. درحالت محلولی همچون آلیاژی تک فاز بسیار داکتیل است؛ به گونه ای که گل پرچ به آسانی شکل می گیرد. برگشت بعدی به دمای محیط سبب رسوب فاز به صورت ذرات میکروسکوپی می شود و سختی و استحکام افزایش می یابد.








مقدار مس و منگنز در آلیاژ 2014 و 2017 بیشتر است و این آلیاژ برای پیر کردن مصنوعی مناسب است. آلیاژ 2014 در حالت پیر شدۀ مصنوعی استحکام کششی بیشتر، استحکام تسلیم خیلی بالاتر و طویل شدگی کمتری از 2017 دارد. این آلیاژ در قطعات آهنگری سنگین، اتصالات هواپیما و شاسی کامیونها به کار می رود. در شکل 5 رابطه بین رسانندگی الکتریکی، استحکام، و تبدیل گرمایی نمونه وار آلیاژ 2014 نشان داده شده است. آلیاژ 2024 حاوی5/4 % مس و 5/1 % منیزیم و دارای بالاتری استحکام در بین آلیاژهای آلومینیوم- مس پیر شو طبیعی است. بیشتر بودن مقدار منیزمی در مقایسه با آلیاژ 2017 سببب بروزمشکلات بیشتر در تولید آن می شود. کرنش سختی همراه با پیر کردن باعث نیل به حداکثر استحکام تسلیم قابل حصول در ورق های آلیاژی مستحکم می شود. آلیاژ 2024 در ساخت هواپیما، پرچ، یراق آلات، رینگ کامیون و محصولات ماشین خودکار پیچ تراش مصرف می شود. آلیاژ آلومینیوم- مس با 2% نیکل (2218) برای ساخت سر سیلندر و پیستونهای آهنگری شده ای که در دمای بالا کار می کنند مناسب است.

 

[قاسم معتمدی]

تنها آلیاژ ریختگی دوتایی آلومینیوم- مس، آلیاژ 195 است که 4% مس دارد. با عملیات گرمایی مناسب می توان به ترکیبی از استحکام و داکتیل بودن عالی دست یافت. آلیاژ 195 ریخته شده در ماسه برای ساخت چرخ لنگر، پوسته دیفرانسیل، رینگ اتوبوس، رینگ هواپیما، و محفظۀ میل لنگ (کارتر) مصرف می شود.
چندین آلیاژ ریختگی با تقریباً 8% مس تولید می شود. این آلیاژها که مقدار کنترل شده سیلیسیم، آهن و روی دارند عبارتند از: 112، 113و 212. وجود سیلیسیم سیالیت را افزایش می دهد، به طوری که استفاده از آلیاژهای 212 و 113 برای ریخته گری پوسته های نازک، درپوشها و پیستونها ترمز هیدرولیک ترجیح داده می شود.
آلیاژهای ریختگی 85، 108، 319 و 380 در گروه آلیاژهای آلومینیوم- مس – سیلیسیم قرار دارند و حاوی کمتر از 5% مس و 8-3 % سیلیسیم اند. در شکل 6 ساختار آلیاژ 380 ریخته شده تحت فشارنشان داده شده است که خواص مطلوبی دارد. افزودن مس سبب افزایش استحکام و ماشینکاری پذیری آن در مقایسه با آلیاژهای ساده آلومینیوم- سیلیسیم می شود، درحالی که افزودن سیلیسیم باعث افزایش قابلیت ریخته گری و نشت ناپذیری تحت فشاری نسبت به آلیاژهای آلومینیوم- مس می شود. کاربرد نمونه وار این آلیاژ در ساخت سگدستها، بدنه ماشین تحریر، چند راهه ها، بدنه شیر، کارتر و مخزنهای روغن و بنزین است.




آلیاژ 5 آلومینیوم – منگنز (سری xxx3)
بخش غنی از آلومینیوم سیستم آلیاژی آلومینیوم- منگنزدر شکل 7 نشان داده شده است.
حداکثر حلالیت منگنز در محلول جامد در دمای اوتکتیک یعنی C F0 (1216)، 82/1% است. هرچند با کاهش دما حلالیت نیز کاهش می یابد، ولی آلیاژهای این گروه عموماً پیر سختی پذیرنیستند و به سبب حلالیت محدود، منگنز را در هیچ آلیاژ ریختگی به عنوان عنصر آلیاژی اصلی مصرف نمی کنند، مگر حالتی که در برخی آلیاژهای کار پذیر. یگی از این آلیاژ ها 3003 است که شکل پذیری خوب، مقاومت بسیار خوب در برابر خوردگی، و جوش پذیری خوب دارد. کاربرد های نمونه وار آن عبارتند از لوازم آشپزخانه، ظروف حملو نگهداری مواد غذایی و شیمیایی، مخزنهای روغن و بنزین، مخزنهای تحت فشار و لوله ها.

 

[قاسم معتمدی]

آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیم (سری xxx4)
بخش غنی از آلومینیوم سیلیسیم آلیاژی آلومینیوم- سیلیسیم در شکل 8 نشان داده شده است. حداکثر حلالیت سیلیسیم در محلول جامد 65/1 % دردمای اوتکتیک یعنی C 5770 (F 10710) است. هرچند خط حد حلالیت در دماهای پایین، حلالیت کمتری رانشان می دهد، اما این آلیاژ عموماً عملیات گرمایی پذیر نیست. آلیاژ کار پذیر 4032 حاوی 5/12 % سیلیسیم است که قابلیت آهنگری خوب، و ضریب انبساط گرمایی کوچکی دارد. این آلیاژ در ساخت پیستونهای آهنگری شده اتومبیل مصرف می شود.
آلیاژهای ریختگی آلومینیوم- سیلیسیم قابلیت ریخته گری عالی دارند و در برابر خوردگی مقاوم اند. آلیاژ 13 (12% سیلیسیم ) و آلیاژ 43 (5% سیلیسیم) برای تولید قطعات ریختگی با شکلهای پیچیده، وسایل حمل غذا و اتصالات دریایی به کار می روند.
آلیاژهای آلومینیوم- منیزیم (سری xxx5)
بخش غنی از آلومینیوم سیلیسیم آلومینیوم- منیزیم در شکل 9 نشان داده شده است. هر چند خط حلالیت حاکی از افت قابل ملاحظۀ حلالیت منیزیم در آلومینیوم در نتیجۀ کاهش دماست، اما بیشتر آلیاژهای کار پذیر تجارتی این گروه که حداکثر 5 % منیزیم و کمی سیلیسیم دارند، عملیات گرمایی پذیر نیستند.





این آلیاژهای کار شده، جوش پذیری خوب، مقاومت در برابر خوردگی خوب و استحکام متوسطی دارند. آلیاژ 5005 (8/0 % منیزیم) برای پروفیلهای خروجکاری شده مورد مصرف در معماری، آلیاژ 5050 (2/1 % منیزیم) برای لوله سازی و لوله های روغن و بنزین اتومبیلها؛ آلیاژ 5052 (5/2 % منیزیم) برای لوله های بنزین و روغن هواپیماها؛ آلیاژ 5083 (5/4 % منیزیم) در کاربردهای دریایی و ساختارهای جوشکاری شده و آلیاژ 5056 (2/5 %منیزیم) در توری پنجره ها، غلاف کابل، پرچهای مورد استفاده برای آلیاژهای منیزیم به کار می روند.
آلیاژهای ریختگی آلومینیوم- منیزمی شامل 214 (8/3 % منیزیم)، 218 (8% منیزیم) و 220 (10% منیزیم) است. دو آلیاژ نخست برای ساخت وسایل حمل مواد غذایی و لبنیات، اتصالات برای مصارف شیمیایی و فاضلاب، اتصالات دریایی و کفشک ترمز هواپیما مصرف می شوند. تنها آلیاژ 220 قابل پیر سختی است و درنتیجه بالاترین خواص مکانیکی در بین آلیاژهای ریختگی آلومینیوم را داراست. خواص ریختگی آلیاژهای این گروه ضعیف است و باید درحین ریختن آنها دقت به خرج داد.

 

[قاسم معتمدی]

آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیم- منیزیم (سری xxx6)
ترکیب سیلیسیم و منزیم تشکیل منیزیم تشکیل منیزیم سیلیسید( (Mg2Si می دهد، که با آلومینیوم اوتکتیک ساده ای می سازد. بخش غنی از آلومینیوم سیستم Al-Mg2Si درشکل 10 نشان داده شده است. بعد از پیر کردن مصنوعی -Mg2Si رسوب می کند (حالت 6T) ، درنتیجه آلیاژ به استحکام کامل می رسد. آلیاژهای کار پذیر عبارت اند از 6053، 6061 و 6063. منیزیم و سیلیسیم معمولاً به نسبت موجود در ترکیب منیزیم سیلیسید افزوده می شوند. ساختار ورق از جنس آلیاژ 6061 گرم نوردیده، حاوی ذره های Fe3SiAl12 (لکه های خاکستری) و Mg2Si (سیاه) در زمینه ای از محلول جامد غنی از آلومینیوم، در شکل 11 نشان داده شده است. مشخصه این آلیاژ ها مقاومت عالی در برابرخوردگی و قابلیت کار پذیری بیشتر از دیگر آلیاژهای قابل عملیات گرمایی است. کاربردهای نمونه وار این آلیاژها در ارائه فرود هواپیما، قایق، مبلمان، لوله های حارو برقی، نرده کشی پل و مصارف ساختمانی است.





آلیاژهای ریختگی آلومینیوم- سیلیسیم – منیزیم یعنی 355، 356 و 360 ترکیب مطلوبی از قابلیت ریخته گری، نشت ناپذیری تحت فشار، استحکام و مقاومت در برابرخوردگی دارند. پس از انجام عملایت گرمایی، خواص مکانیکی آنها به خواص مکانیکی آلیاژهای آلومینیوم- مس می رسد. این آلیاژها به طورگسترده ای در ساخت هواپیما، اجزای ماشین ابزار، و قطعات ریختگی عمومی مصرف می شوند.
آلیاژهای آلومینیوم- روی (سری xxx7)
بخش غنی از آلومینیوم سیستم آلیاژی آلومینیوم- روی در شکل 12 نشان داده شده است. حلالیت روی در دمای C 2750 (F 5270) 6/31 % است که در دمایC 1250(F 2570) به 6/5 % کاهش می یابد. آلیاژهای تجارتی کار پذیر حاوی روی، منیزیم، مس و کمی منگنز و کروم اند. آلیاژ 7075 (5/5 % روی، 5/2 % منیزیم، 5/1 % مس)، آلیاژ 7079 (3/4 % روی، 3/3 % منیزیم، 6/0 لیاژهآلیا
% مس) و آلیاژ 7178 (8/6 % روی، 7/2 % منیزیم ، 2% مس) بیشترین استحکام کششی به صورت ورق تابکاری شده نشان داده شده است. این ساختار شامل ذره های ریز و درشت Mg2Si (سیاه) و تعداد محدودی ذره های نامحلول FeAl3 (خاکستری روشن با خطی در دور آن) در زمینه محلول جامد (غنی از آلومینیوم) است.
با عملیات گرمایی مناسب و افزودن کروم، تمایل به خوردگی تنشی به حداقل می رسد. از این آلیاژها در قطعاتی همچون سازۀ هواپیما که نیاز به استحکام زیاد و مقاومت در برابر خوردگی خوبی دارند استفاده می شود.

 

[قاسم معتمدی]

آلیاژ ریختگی آلومینیوم- روی E40 نام دارد. حاوی 5/5 % روی، 6/0 % منیزیم، 5/0 % کروم و 2/0 % تیتانیم است و بدون عملات محلولی، خواص مکانیکی بالایی دارد. این آلیاژ دارای قابلیت ریخته گری متوسط، مقاومت در برابرخوردگی خوب و ماشینکاری پذیری بسیار خوب است و اتصالات هواپیما، پوستۀ ابزارگیرها و تجهیزات رادیو مصرف می شود.






مقاومت آلومینیوم و آلیاژهای آن در برابر خوردگی
مقاومت زیاد آلومینیوم در برابر خوردگی به سبب ایجاد لایه نازک، پایدار و غیر قابل رویت اکسیدی است که بلافاصله پس از قرار گرفتن سطح درجو، تشکیل می شود. این لایه فلزی را از خوردگی بیشتر محافظت می کند. در صورت برداشته شدن این لایه اکسید، در اغلب محیط ها، بلافاصله لایه جدیدی تشکیل می شود و فلز کاملاً محافظت شده باقی می ماند.
در برخی محلولهای اسیدی یا قلیایی قوی یا در تماس با مواد مرطوب و خورنده که از تماس اکسیژن با سطح فلز جلوگیری می کنند، لایه محافظ نمی تواند به سادگی تشکیل شود. بنابراین باید آلومینیوم را به طریق دیگری محافظت کرد و یا از کاربرد آن در آن محیط چشم پوشید.
با قرار دادن فلز در داخل محلول آبی حاوی 25-15 % سولفوریک اسید می توان لایه های نسبتاً ضخیم اکسید بر آلومینیوم و آلیاژهای آن ایجاد کرد. این فرایند که آندی کردن نام دارد پوششی است شفاف و روشن حاو ی حفره های زیرمیکروسکوپی ایجاد می کند که معمولاً برای جلوگیری از جذب و کدر شدن آن را درز بندی می کنند. دربندی را می توان با گرم کردن فلز در آب داغ انجام داد.







مقاومت در برابر خوردگی آلیاژهای آلومینیوم- مس و آلومینیوم- روی در بیشتر کاربردها رضایت بخش، اما عموماً پایینتر از دیگر آلیاژهای آلومینیوم است. این آلیاژها تحت شرایط خورندۀ خاصی، دچار خوردگی بین دانه ای می شوند. بنابرانی ورقهای آنها را با فلزی همچون آلومینیوم تجارتی (1100)، یا آلیاژ منیزیم- سیلیسیم سری 6000 روکش می کنند. روکش به شکل ورق، به شیوۀ مکانیکی به شمش مغزی چسبانده شده و با نورد گرم، تکمیل می شود.ضخامت روکش معمولاً 5/2- 5/1% ضخامت فلز پایه است. در شکل 14 مقطع کامل ورق 2024 روکش کاری شده با آلومینیوم نشان داده شده است. لایۀ سفید و روشن روکش را می توان در لبه های ورق دید. آلیاژهای روکش شده با آلومینیوم به سبب دارا بودن استحکام زیاد و مقاومت در برابر خوردگی خوب، به طور گسترده ای در صنعت هواپیماسازی مصرف می شوند.
ترکیب شیمیایی اسمی و خواص مکانیکی نمونه وار چند آلیاژ کار پذیر و ریختگی آلومینیوم در جدول های 5 و 6 داده شده است. جدول 7 نیز نشان دهندۀ رابطه بین رسانندگی الکتریکی و سختی چند نمونه آلیاژ آلومینیوم است.

 

[قاسم معتمدی]

آلومینیوم با عدد اتمی 13 درگروه سوم جدول تناوبی عناصر واقع شده است. عنصر آلومینیوم تنها دارای یک ایزوتوپ بوده و جرم اتمی آن از لحاظ سنجش های شیمیایی برابر 98/26 و از لحاظ سنجش های فیزیکی 99/26 تعیین گردیده است. شعاع اتمی آن 42855/1 آنکسترم بوده و دارای شبکه کریستالی FCC می باشد. نقطه ذوب این عنصر 659 درجه سانتیگراد و نقطۀ جوش آن 2057 درجه می باشد. گرمای نهان ذوب این عنصر cal/mol6/69 می باشد به میزان kcal/mol 5/2 کمتر بوده که باعث می شود نسبت lb/lm (گرمای نهان تبخیر به گرمای نهان ذوب) حدود 27 باشد این امر موجب پایی بودن فشار بخار این عنصر در حین ذوب می گردد و علی رغم تمایل شدید عنصر آلومینیوم به واکنش با اکسیژن هوا در حین ذوب با توجه به مطالب فوق، امکان تبخیر این عنصر در حین ذوب وجود ندارد.
واکنش این عنصر با اکسیژن هوا موجب تشکیل اکسید آلومینیوم به فرمول شیمیایی Al2O3 که همانند فیلمی مانع از نفوذ عامل خورنده و اکسیژن به داخل تودۀ فلزی می گردد. از طرف دیگر اکسید حاصله غیر سمی بوده، به همین دلیل در ساخت ظروف غذا خوری و آشپزخانه به کار می ورد زیرا وجود اکسید آلومینیوم باعث می شود که اسیدهای موحود در غذاها با آلومینیوم ظروف واکنش ندهد. رایج ترین این اسیدهای خوراکی اسید لاکتیک و استیک می باشد.
آلومینیوم فلزی فعال می باشد ولی با تشکیل یک پوستۀ اکسید آلومینیوم غیر فعال بر سطح خود در مقابل تعدادی زیادی از محیط های خورنده مقاوم می شود و به همین دلیل دارای مقاومت خوردگی خوبی می باشد. علاوه بر این خاصیت، خواص دیگری که باعث کاربرد وسیع این فلز و آلیاژهای آن شده است، عبارت است از: ظاهر زیرا، هدایت الکتریکی و حرارتی خوب، قابلیت انعکاس نور، سبکی، نسبت استحکام به وزن خوب.
تقسیم بندی آلیاژهای آلومینیوم
از نظر آلیاژهای آلومینیوم به دو گروه کلی تقسیم می شوند:
الف: آلیاژهای کار شده (تغییر فرم پلاستیکی درحالت جامد)
این نوع آلیاژها با یک عدد چهار رقمی مشخص می شوند و به صورت زیر تقسیم بندی می شوند:
- آلومینیوم خالص که گروه 1000 را تشکیل می دهند.
- گروه 2000 که عنصر اصلی آلیاژی آن مس می باشد.
- گروه 3000 که عنصر اصلی آلیاژی آن منگنز می باشد که معمولاً دارای عناصر منیزیم یا سیلیسیم نیز می باشد.
- آلیاژهای دوتایی Al-Si که گروه 4000 را تشکیل می دهند.
- گروه 5000 که عنصر اصلی آلیاژی آن Mg می باشد.
- آلیاژهایی که بر مبنای ترکیب Al-Si-Mg که گروه 6000 را تشکیل می دهند.
- گروه 7000 که عنصر اصلی آلیاژی آن Zn می باشد که معمولاً دارای عناصر Mg، Cr، Mn یا ترکیبی از آنها باشد.
- گروه 8000 که عنصر اصلی آلیاژی آن Sn می باشد.
- گروه 9000 که آلیاژهایی که آلیاژهایی هستندبر مبنای ترکیب Al-Cr-Mn
- البته آلیاژهای 6000 و 9000 امروزه کمتر استفاده می شوند.
درجدول 1 استاندارد آلیاژهای آلومینیوم و درجدول 2 ترکیب شیمیایی آلیاژهای آلومینیوم به منظور مرجع ارائه شده است.
ب: آلیاژهای ریختگی
این آلیاژها به سه روش تولید می شوند که عبارتند از:
1- ریخته گری در قالب های غیر دائمی
2- ریخته گری در قالب های دائمی
3- ریخته گری تحت فشار
در صورتی که قطعات بزرگ باشند از قالب ماسه ای استفاده می شود. قالب های فلزی مورد استفاده از نوع چدنی و فولادهای گرم کار می باشند، در صورتی که تعداد قطعات زیاد باشد از روش ریخته گری تحت فشار استفاده می شود.

 

[قاسم معتمدی]

همچنین آلیاژهای آلومینیوم را می توان از نظر ترکیب شیمیایی به صورت زیر تقسیم بندی نمود:
1- آلیاژهای آلومینیوم- مس
2- آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیم
3- آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیم- منیزیم
4- آلیاژهای آلومینیوم- مس- سیلیسیم
5- آلیاژهای آلومینیوم- منیزیم
6- آلیاژهای آلومینیوم- روس
7- آلیاژهای مخصوص آلومینیوم مانند آلیاژهای آلومینیوم- نیکل- مس و آلومینیوم- مس- قلع و آلیاژهای آلومینیوم پر سیلیسیم
قطعات ریختگی آلومینیوم خالص، قطعات ضعیفی هستند که آنها را به صورت آلیاژی می ریزند. آلیاژ سازی با توجه به خواص مورد نیاز صورت می گیرد. در آلیاژهای آلومینیوم دو نوع خواص را می بایست در نظر گرفت:
1- خواص ریختگی: خواصی که تعیین کننده راحتی با سختی تولید قطعه می باشد.
2- خواص مهندسی: خواصی هستند که برای طراح یا استفاده کننده مورد نظر می باشد.
اصول آلیاژکاری آلومینیوم
آلیاژهای پایه آلومینیومی معمولاً به عنوان سیستم های یوتکتیکی که شامل ترکیبات فلزی و یا فازهای اضافی می باشند شناخته می شوند.
به علت حلالیت کم اکثر عناصر آلیاژی آلومینیوم و پیچیدگی آلیاژهایی که تولید می شوند هرکدام از آلیاژهای پایه آلومینیوم ممکن است شامل چندین فاز بین فلزی باشدکه گاهی اوقات از نظر ترکیب شیمیایی کاملاً پیچیده می باشند.
عناصر اصلی آلیاژی در آلیاژهای آلومینیوم عبارتند از: مس- سیلیسیم- منیزیم- روی- کروم- منگنز- قلع-تیتانیم
آهن معمولاً در آلیاژهای آلومینیوم یک ناخالصی در نظر گرفته می شود.
آلیاژهای آلومینیوم- مس
همانطوری که در شکل 1 مشاهده می شود حلالیت مس در آلومینیوم در حالت جامد کم تر از 5/0 درصد در دمای اتاق می باشد که تا 65/5 درصد در درجه حرارت 548 درجه سانتی گراد افزایش می یابد مس بیشتر از حد حلالیت در هر درجه حرارتی به صورت فاز ظاهر می شود. این فاز دارای ترکیب CuAl2 بوده که یک جزء سخت و ترد می باشد. در مقایسه با آن فاز محلول جامد تقریباً نرم و قابل انعطاف می باشد.
افزایش مقدار مس، افزایش مقدار فاز را در پی خواهد داشت. خواص مکانیکی مانند سختی و استحکام با افزایش مقدار مس افزایش می یابد، ولی قابلیت انعطاف پذیری کاهش می یابد.
بررسی نشان می دهد که مقدار س باعث افت خواص کشش می شود. لذا درصد مس از 12 درصد تجاوز نمی کند و به طور معمول درصد مس در آلیاژهای ریختگی آلومینیوم مقدار 5-2 درصد می باشد.

 

[قاسم معتمدی]

عملیات حرارتی آلیاژهای Al-Cu
برای افزایش استحکام علاوه بر آلیاژ سازی از عملیات حرارتی نیز استفاده می شود. عملیات حرارتی این آلیاژها شامل عملیات حرارتی آنیل محلولی و پیر سختی می باشد به این صورت که این آلیاژها را در دمای مناسب به مدت زمان مشخصی حرارت می دهند و سپس آنها را به سرعت در آب کوئنچ می کنند. به عنوان مثال آلیاژ Al-4Cu را در نظر بگیرید: در صورتی که آلیاژ فوق در قالب ماسه ای ریخته شود و به آرامی تا درجه حرارت اتاق سرد شود ساختار آن شامل فاز و فاز سخت می باشد که فاز غنی از آلومینیوم و فاز غنی از مس می باشد.
این آلیاژ را تا دمای بالای 520- 480 درجه سانتی گراد حرارت می دهند که باعث حل شده فاز در ساختار زمینه می شود و به دنبالش سرمایش سریع، فاز فرصت رسوب پیدا نکرده و یک محلول جامد اشباع مس در آلومینیوم ایجاد می شود. با حارت دادن مجدد آلیاژ فوق در دمای 200-120 درجه سانتی گراد استحکام و سختی بر اساس پدیده پیر سختی افزایش می یابد. در این راستا دما و زمان پیرسازی بسیار مهم می باشد. در شکل 2 سختی بر حسب زمان پیرسازی در برخی از آلیاژهای آلومینیوم نشان داده شده است. همانطوری که ملاحظه می گردد با افزایش میزان مس تا 5/4 درصد قابلیت سخت گردانی توسط عملیات پیر سازی افزایش می یابد.








آلیاژ سازی Al-Cu
به دلیل نقطه ذوب بالا مس نمی توان آنرا به صورت خالص به آلومینیوم افزود و بیشتر از آمیژان 50-50 و یا 67-33 استفاده می شود. برای ساخت آمیژان فوق، ابتدا مس را ذوب کرده و از فوق ذوب جلوگیری به عمل می آید و آلومینیوم را در قطعات کوچک به آن می افزایند.
در عمل بعد از ذوب آلومینیوم، درجه حرارت فوق ذوب را تا 30 درجه سانتی گراد افزایش می دهند و سپس آمیژان را به نسبت مشخص به آن می افزایند.
آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیم
سیلیسیم در تمامی آلیاژهای ریختگی و تجاری آلومینیوم وجود دارد. با توجه به نمودار آن این عنصر تا 27/0 درصد می تواند در آلومینیوم حل شود. حلالیت سیلیسیم در آلومینیوم (فاز ) به 65/1 درصد در دمای 577 درجه سانتی گراد محدود شده و در دمای اتاق به کمتر از 05/0 درصد می رسد. سیلیسیم حل نشده (فاز ) از آلومینیوم فقیر می باشد در ریخته گری ماسه ای دانه های سیلیسیم به صورت سوزنی خشن می باشد. این آلیاژها غیر قابل عملیات حرارتی می باشند. سیلیسیم معمولاً به صورت آمیژان با نسبت 13-12 درصد(سیلومین) به مذاب افزوده می شود. این آمیژان ها به سهولت در مذاب حل می شود و نقطه ذوب آنها حدود 580 درجه سانتی گراد می باشد.







آلیاژهای آلومینیوم- منیزیم
رفتار آلیاژی منیزیم در آلومینیوم شبیه مس می باشد. نمودار تعادلی Al-Mg در شکل 2 نشان داده شده است. همانطوری که ملاحظه می گردد حلالیت منیزیم در آلومینیوم (فاز ) نسبت به درجه حرارت، از 9/14 درصد در دمای 451 درجه سانتی گراد تا کمتر از 9/2 درصد در دمای محیط متغیر است و در صورت خارج شدن منیزیم از حد حلالیت، فاز سخت تر رسوب می کند.
این آلیاژها عملیات حرارتی پذیرند و ارتباط خواص مکانیکی با درصد منیزیم مشابه آلیاژهای Al-Cu می باشد. در شکل2 خواص مکانیکی برخی از آلیاژهای آلومینیوم بر حسب درصد منیزیم نشان داده شده است.
آلیاژهای متعددی که بر پایه این سیستم دوتایی وجود دارند دارای 10 و 5/4 درصد منیزیم می باشند. آلیاژهای Al-Mg به دلیل شدت اکسیداسیون و جذب گاز در عملیات ذوب احتیاج به محافظت بیشتری دارند.
آلیاژهای آلومینیوم تا 2 درصد منیزیم را می توان به طور مستقیم با افزودن منیزیم خالص به مذاب آلومینیوم ریخته گری نمود. بدیهی است که اتلاف این عنصر زیاد بوده و از این رو اغلب از آمیژان با 10 درصد منیزیم استفاده می شود. سیالیت مذاب حاوی منیزیم کم بوده و به همین دلیل سیستم های راهگاهی معمولاً از اندازه های عادی بزرگ تر در نظر گرفته می شوند.

 

[قاسم معتمدی]

آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیم- منیزیم
دو عنصر آلیاژی منیزیم و سیلیسیم تمایل به تشکیل ترکیب بین فلزی Mg2Si دارند. آلیاژهای فوق قابلیت سخت شدن با عملیات حرارتی آنیل محلولی و پیر سازی را دارند. به خاطر این که تمامی آلیاژهای آلومینیوم دارای سیلیسیم می باشند افزایش منیزیم باعث افزایش سختی در اثر تشکیل Mg2Si می شود.
خواص مهندسی آلیاژهای ریختگی آلومینیوم
مهمترین خاصیت مورد نظر در آلیاژهای آلومینیوم، استحکام می باشد. از دیگر خواص مکانیکی، انعطاف پذیری و درصد ازدیاد طول می باشد. استحکام کشش قطعات ریختگی آلومینیوم در محدوده Ksi43-17 متغیر می باشد.
برای دستیابی به استحکام های بالاتر می توان از عملیات حرارتی و ریخته گری در قالب های فلزی استفاده کرد. استحکام تسلیم قطعات ریختگی از Ksi43-9 و تغییر طول نسبی از صفر تا 12 درصد تغییر می کند. از دیگر خواص قطعات ریختگی آلومینیوم می توان به قابلیت ماشین کاری، قابلیت پرداخت کاری، جوش کاری، لحیم کاری و قابلیت عملیات حرارتی سطحی اشاره کرد. استحکام برشی این آلیاژها در محدوده Ksi32-16 تغییر می کند که باعملیات حرارتی می توان آنرا بهبود بخشید.
عملیات حرارتی قطعات ریخته گری به منظور دستیابی به یک یا چند هدف زیر صورت می گیرد:
الف) افزایش سختی برای دستیابی به قابلیت ماشین کاری بهتر
ب) دستیابی به خواص مکانیکی مطلوب
ج) پایدار ساختن خواس مکانیکی و فیزیکی
خارج کردن تنش های پس ماند که در اثر ریخته گری، عملیات کوئنچ، ماشین کاری، جوش کاری در قطعه باقی می مانند.
علائم زیر جهت نشان دادن نوع عملیات حرارتی روی آلیاژهای آلومینیوم انجام می گیرد.
O: عملیات حرارتی آنیل محلولی
T4: عملیات آنیل محلولی و کوئنچ
T5: عملیات حرارتی پیر سازی
T6: عملیات حرارتی آنیل محلولی، کوئنچ و پیر سازی
T7: عملیات حرارتی آنیل محلولی، کوئنچ و پیر سازی طولانی (Over again)
T8: قبل از پیر سازی به آرامی سرد شده اند تا استحکام تسلیم فشاری آنها بهبود یابد (فقط برای یاتاقان ها)
در بسیاری از موارد مقاومت به انواع خوردگی یکی ازخواص خوب و مطلوب آلیاژهای آلومینیوم می باشد. آلیاژهای آلومینیوم- منیزیم مناسب ترین نوع آلیاژها در محیط های خورنده می باشند.
آلیاژهای آلومینیوم- منیزیم- روی و آلومینیوم- مس- روی به ترتیب در اولویت های بعدی قرار دارند.

​

​

​

 

[قاسم معتمدی]

آلومینیوم با عدد اتمی 13 درگروه سوم جدول تناوبی عناصر واقع شده است. عنصر آلومینیوم تنها دارای یک ایزوتوپ بوده و جرم اتمی آن از لحاظ سنجش های شیمیایی برابر 98/26 و از لحاظ سنجش های فیزیکی 99/26 تعیین گردیده است. شعاع اتمی آن 42855/1 آنکسترم بوده و دارای شبکه کریستالی FCC می باشد. نقطه ذوب این عنصر 659 درجه سانتیگراد و نقطۀ جوش آن 2057 درجه می باشد. گرمای نهان ذوب این عنصر cal/mol6/69 می باشد به میزان kcal/mol 5/2 کمتر بوده که باعث می شود نسبت lb/lm (گرمای نهان تبخیر به گرمای نهان ذوب) حدود 27 باشد این امر موجب پایی بودن فشار بخار این عنصر در حین ذوب می گردد و علی رغم تمایل شدید عنصر آلومینیوم به واکنش با اکسیژن هوا در حین ذوب با توجه به مطالب فوق، امکان تبخیر این عنصر در حین ذوب وجود ندارد.
واکنش این عنصر با اکسیژن هوا موجب تشکیل اکسید آلومینیوم به فرمول شیمیایی Al2O3 که همانند فیلمی مانع از نفوذ عامل خورنده و اکسیژن به داخل تودۀ فلزی می گردد. از طرف دیگر اکسید حاصله غیر سمی بوده، به همین دلیل در ساخت ظروف غذا خوری و آشپزخانه به کار می ورد زیرا وجود اکسید آلومینیوم باعث می شود که اسیدهای موحود در غذاها با آلومینیوم ظروف واکنش ندهد. رایج ترین این اسیدهای خوراکی اسید لاکتیک و استیک می باشد.
آلومینیوم فلزی فعال می باشد ولی با تشکیل یک پوستۀ اکسید آلومینیوم غیر فعال بر سطح خود در مقابل تعدادی زیادی از محیط های خورنده مقاوم می شود و به همین دلیل دارای مقاومت خوردگی خوبی می باشد. علاوه بر این خاصیت، خواص دیگری که باعث کاربرد وسیع این فلز و آلیاژهای آن شده است، عبارت است از: ظاهر زیرا، هدایت الکتریکی و حرارتی خوب، قابلیت انعکاس نور، سبکی، نسبت استحکام به وزن خوب.
تقسیم بندی آلیاژهای آلومینیوم
از نظر آلیاژهای آلومینیوم به دو گروه کلی تقسیم می شوند:
الف: آلیاژهای کار شده (تغییر فرم پلاستیکی درحالت جامد)
این نوع آلیاژها با یک عدد چهار رقمی مشخص می شوند و به صورت زیر تقسیم بندی می شوند:
- آلومینیوم خالص که گروه 1000 را تشکیل می دهند.
- گروه 2000 که عنصر اصلی آلیاژی آن مس می باشد.
- گروه 3000 که عنصر اصلی آلیاژی آن منگنز می باشد که معمولاً دارای عناصر منیزیم یا سیلیسیم نیز می باشد.
- آلیاژهای دوتایی Al-Si که گروه 4000 را تشکیل می دهند.
- گروه 5000 که عنصر اصلی آلیاژی آن Mg می باشد.
- آلیاژهایی که بر مبنای ترکیب Al-Si-Mg که گروه 6000 را تشکیل می دهند.
- گروه 7000 که عنصر اصلی آلیاژی آن Zn می باشد که معمولاً دارای عناصر Mg، Cr، Mn یا ترکیبی از آنها باشد.
- گروه 8000 که عنصر اصلی آلیاژی آن Sn می باشد.
- گروه 9000 که آلیاژهایی که آلیاژهایی هستندبر مبنای ترکیب Al-Cr-Mn
- البته آلیاژهای 6000 و 9000 امروزه کمتر استفاده می شوند.
درجدول 1 استاندارد آلیاژهای آلومینیوم و درجدول 2 ترکیب شیمیایی آلیاژهای آلومینیوم به منظور مرجع ارائه شده است.
ب: آلیاژهای ریختگی
این آلیاژها به سه روش تولید می شوند که عبارتند از:
1- ریخته گری در قالب های غیر دائمی
2- ریخته گری در قالب های دائمی
3- ریخته گری تحت فشار
در صورتی که قطعات بزرگ باشند از قالب ماسه ای استفاده می شود. قالب های فلزی مورد استفاده از نوع چدنی و فولادهای گرم کار می باشند، در صورتی که تعداد قطعات زیاد باشد از روش ریخته گری تحت فشار استفاده می شود.
همچنین آلیاژهای آلومینیوم را می توان از نظر ترکیب شیمیایی به صورت زیر تقسیم بندی نمود:
1- آلیاژهای آلومینیوم- مس
2- آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیم
3- آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیم- منیزیم
4- آلیاژهای آلومینیوم- مس- سیلیسیم
5- آلیاژهای آلومینیوم- منیزیم
6- آلیاژهای آلومینیوم- روس
آلیاژهای مخصوص آلومینیوم مانند آلیاژهای آلومینیوم- نیکل- مس و آلومینیوم- مس- قلع و آلیاژهای آلومینیوم پر سیلیسیم

 

[قاسم معتمدی]

قطعات ریختگی آلومینیوم خالص، قطعات ضعیفی هستند که آنها را به صورت آلیاژی می ریزند. آلیاژ سازی با توجه به خواص مورد نیاز صورت می گیرد. در آلیاژهای آلومینیوم دو نوع خواص را می بایست در نظر گرفت:
1- خواص ریختگی: خواصی که تعیین کننده راحتی با سختی تولید قطعه می باشد.
2- خواص مهندسی: خواصی هستند که برای طراح یا استفاده کننده مورد نظر می باشد.
اصول آلیاژکاری آلومینیوم
آلیاژهای پایه آلومینیومی معمولاً به عنوان سیستم های یوتکتیکی که شامل ترکیبات فلزی و یا فازهای اضافی می باشند شناخته می شوند.
به علت حلالیت کم اکثر عناصر آلیاژی آلومینیوم و پیچیدگی آلیاژهایی که تولید می شوند هرکدام از آلیاژهای پایه آلومینیوم ممکن است شامل چندین فاز بین فلزی باشدکه گاهی اوقات از نظر ترکیب شیمیایی کاملاً پیچیده می باشند.
عناصر اصلی آلیاژی در آلیاژهای آلومینیوم عبارتند از: مس- سیلیسیم- منیزیم- روی- کروم- منگنز- قلع-تیتانیم
آهن معمولاً در آلیاژهای آلومینیوم یک ناخالصی در نظر گرفته می شود.
آلیاژهای آلومینیوم- مس
همانطوری که در شکل 1 مشاهده می شود حلالیت مس در آلومینیوم در حالت جامد کم تر از 5/0 درصد در دمای اتاق می باشد که تا 65/5 درصد در درجه حرارت 548 درجه سانتی گراد افزایش می یابد مس بیشتر از حد حلالیت در هر درجه حرارتی به صورت فاز ظاهر می شود. این فاز دارای ترکیب CuAl2 بوده که یک جزء سخت و ترد می باشد. در مقایسه با آن فاز محلول جامد تقریباً نرم و قابل انعطاف می باشد.
افزایش مقدار مس، افزایش مقدار فاز را در پی خواهد داشت. خواص مکانیکی مانند سختی و استحکام با افزایش مقدار مس افزایش می یابد، ولی قابلیت انعطاف پذیری کاهش می یابد.
بررسی نشان می دهد که مقدار س باعث افت خواص کشش می شود. لذا درصد مس از 12 درصد تجاوز نمی کند و به طور معمول درصد مس در آلیاژهای ریختگی آلومینیوم مقدار 5-2 درصد می باشد.

 

[قاسم معتمدی]

برای افزایش استحکام علاوه بر آلیاژ سازی از عملیات حرارتی نیز استفاده می شود. عملیات حرارتی این آلیاژها شامل عملیات حرارتی آنیل محلولی و پیر سختی می باشد به این صورت که این آلیاژها را در دمای مناسب به مدت زمان مشخصی حرارت می دهند و سپس آنها را به سرعت در آب کوئنچ می کنند. به عنوان مثال آلیاژ Al-4Cu را در نظر بگیرید: در صورتی که آلیاژ فوق در قالب ماسه ای ریخته شود و به آرامی تا درجه حرارت اتاق سرد شود ساختار آن شامل فاز و فاز سخت می باشد که فاز غنی از آلومینیوم و فاز غنی از مس می باشد.




آلیاژ سازی Al-Cu
به دلیل نقطه ذوب بالا مس نمی توان آنرا به صورت خالص به آلومینیوم افزود و بیشتر از آمیژان 50-50 و یا 67-33 استفاده می شود. برای ساخت آمیژان فوق، ابتدا مس را ذوب کرده و از فوق ذوب جلوگیری به عمل می آید و آلومینیوم را در قطعات کوچک به آن می افزایند.
در عمل بعد از ذوب آلومینیوم، درجه حرارت فوق ذوب را تا 30 درجه سانتی گراد افزایش می دهند و سپس آمیژان را به نسبت مشخص به آن می افزایند.
آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیم
سیلیسیم در تمامی آلیاژهای ریختگی و تجاری آلومینیوم وجود دارد. با توجه به نمودار آن این عنصر تا 27/0 درصد می تواند در آلومینیوم حل شود. حلالیت سیلیسیم در آلومینیوم (فاز ) به 65/1 درصد در دمای 577 درجه سانتی گراد محدود شده و در دمای اتاق به کمتر از 05/0 درصد می رسد. سیلیسیم حل نشده (فاز ) از آلومینیوم فقیر می باشد در ریخته گری ماسه ای دانه های سیلیسیم به صورت سوزنی خشن می باشد. این آلیاژها غیر قابل عملیات حرارتی می باشند. سیلیسیم معمولاً به صورت آمیژان با نسبت 13-12 درصد(سیلومین) به مذاب افزوده می شود. این آمیژان ها به سهولت در مذاب حل می شود و نقطه ذوب آنها حدود 580 درجه سانتی گراد می باشد.







آلیاژهای آلومینیوم- منیزیم
رفتار آلیاژی منیزیم در آلومینیوم شبیه مس می باشد. نمودار تعادلی Al-Mg در شکل 2 نشان داده شده است. همانطوری که ملاحظه می گردد حلالیت منیزیم در آلومینیوم (فاز ) نسبت به درجه حرارت، از 9/14 درصد در دمای 451 درجه سانتی گراد تا کمتر از 9/2 درصد در دمای محیط متغیر است و در صورت خارج شدن منیزیم از حد حلالیت، فاز سخت تر رسوب می کند.
این آلیاژها عملیات حرارتی پذیرند و ارتباط خواص مکانیکی با درصد منیزیم مشابه آلیاژهای Al-Cu می باشد. در شکل2 خواص مکانیکی برخی از آلیاژهای آلومینیوم بر حسب درصد منیزیم نشان داده شده است.
آلیاژهای متعددی که بر پایه این سیستم دوتایی وجود دارند دارای 10 و 5/4 درصد منیزیم می باشند. آلیاژهای Al-Mg به دلیل شدت اکسیداسیون و جذب گاز در عملیات ذوب احتیاج به محافظت بیشتری دارند.
آلیاژهای آلومینیوم تا 2 درصد منیزیم را می توان به طور مستقیم با افزودن منیزیم خالص به مذاب آلومینیوم ریخته گری نمود. بدیهی است که اتلاف این عنصر زیاد بوده و از این رو اغلب از آمیژان با 10 درصد منیزیم استفاده می شود. سیالیت مذاب حاوی منیزیم کم بوده و به همین دلیل سیستم های راهگاهی معمولاً از اندازه های عادی بزرگ تر در نظر گرفته می شوند.

آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیم- منیزیم
دو عنصر آلیاژی منیزیم و سیلیسیم تمایل به تشکیل ترکیب بین فلزی Mg2Si دارند. آلیاژهای فوق قابلیت سخت شدن با عملیات حرارتی آنیل محلولی و پیر سازی را دارند. به خاطر این که تمامی آلیاژهای آلومینیوم دارای سیلیسیم می باشند افزایش منیزیم باعث افزایش سختی در اثر تشکیل Mg2Si می شود.
خواص مهندسی آلیاژهای ریختگی آلومینیوم
مهمترین خاصیت مورد نظر در آلیاژهای آلومینیوم، استحکام می باشد. از دیگر خواص مکانیکی، انعطاف پذیری و درصد ازدیاد طول می باشد. استحکام کشش قطعات ریختگی آلومینیوم در محدوده Ksi43-17 متغیر می باشد.
برای دستیابی به استحکام های بالاتر می توان از عملیات حرارتی و ریخته گری در قالب های فلزی استفاده کرد. استحکام تسلیم قطعات ریختگی از Ksi43-9 و تغییر طول نسبی از صفر تا 12 درصد تغییر می کند. از دیگر خواص قطعات ریختگی آلومینیوم می توان به قابلیت ماشین کاری، قابلیت پرداخت کاری، جوش کاری، لحیم کاری و قابلیت عملیات حرارتی سطحی اشاره کرد. استحکام برشی این آلیاژها در محدوده Ksi32-16 تغییر می کند که باعملیات حرارتی می توان آنرا بهبود بخشید.
عملیات حرارتی قطعات ریخته گری به منظور دستیابی به یک یا چند هدف زیر صورت می گیرد:
الف) افزایش سختی برای دستیابی به قابلیت ماشین کاری بهتر
ب) دستیابی به خواص مکانیکی مطلوب
ج) پایدار ساختن خواس مکانیکی و فیزیکی
خارج کردن تنش های پس ماند که در اثر ریخته گری، عملیات کوئنچ، ماشین کاری، جوش کاری در قطعه باقی می مانند.
علائم زیر جهت نشان دادن نوع عملیات حرارتی روی آلیاژهای آلومینیوم انجام می گیرد.
O: عملیات حرارتی آنیل محلولی
T4: عملیات آنیل محلولی و کوئنچ
T5: عملیات حرارتی پیر سازی
T6: عملیات حرارتی آنیل محلولی، کوئنچ و پیر سازی
T7: عملیات حرارتی آنیل محلولی، کوئنچ و پیر سازی طولانی (Over again)
T8: قبل از پیر سازی به آرامی سرد شده اند تا استحکام تسلیم فشاری آنها بهبود یابد (فقط برای یاتاقان ها)
در بسیاری از موارد مقاومت به انواع خوردگی یکی ازخواص خوب و مطلوب آلیاژهای آلومینیوم می باشد. آلیاژهای آلومینیوم- منیزیم مناسب ترین نوع آلیاژها در محیط های خورنده می باشند.
آلیاژهای آلومینیوم- منیزیم- روی و آلومینیوم- مس- روی به ترتیب در اولویت های بعدی قرار دارند.


برای افزایش استحکام علاوه بر آلیاژ سازی از عملیات حرارتی نیز استفاده می شود. عملیات حرارتی این آلیاژها شامل عملیات حرارتی آنیل محلولی و پیر سختی می باشد به این صورت که این آلیاژها را در دمای مناسب به مدت زمان مشخصی حرارت می دهند و سپس آنها را به سرعت در آب کوئنچ می کنند. به عنوان مثال آلیاژ Al-4Cu را در نظر بگیرید: در صورتی که آلیاژ فوق در قالب ماسه ای ریخته شود و به آرامی تا درجه حرارت اتاق سرد شود ساختار آن شامل فاز و فاز سخت می باشد که فاز غنی از آلومینیوم و فاز غنی از مس می باشد.
این آلیاژ را تا دمای بالای 520- 480 درجه سانتی گراد حرارت می دهند که باعث حل شده فاز در ساختار زمینه می شود و به دنبالش سرمایش سریع، فاز فرصت رسوب پیدا نکرده و یک محلول جامد اشباع مس در آلومینیوم ایجاد می شود. با حارت دادن مجدد آلیاژ فوق در دمای 200-120 درجه سانتی گراد استحکام و سختی بر اساس پدیده پیر سختی افزایش می یابد. در این راستا دما و زمان پیرسازی بسیار مهم می باشد. در شکل 2 سختی بر حسب زمان پیرسازی در برخی از آلیاژهای آلومینیوم نشان داده شده است. همانطوری که ملاحظه می گردد با افزایش میزان مس تا 5/4 درصد قابلیت سخت گردانی توسط عملیات پیر سازی افزایش می یابد.








آلیاژ سازی Al-Cu
به دلیل نقطه ذوب بالا مس نمی توان آنرا به صورت خالص به آلومینیوم افزود و بیشتر از آمیژان 50-50 و یا 67-33 استفاده می شود. برای ساخت آمیژان فوق، ابتدا مس را ذوب کرده و از فوق ذوب جلوگیری به عمل می آید و آلومینیوم را در قطعات کوچک به آن می افزایند.
در عمل بعد از ذوب آلومینیوم، درجه حرارت فوق ذوب را تا 30 درجه سانتی گراد افزایش می دهند و سپس آمیژان را به نسبت مشخص به آن می افزایند.
آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیم
سیلیسیم در تمامی آلیاژهای ریختگی و تجاری آلومینیوم وجود دارد. با توجه به نمودار آن این عنصر تا 27/0 درصد می تواند در آلومینیوم حل شود. حلالیت سیلیسیم در آلومینیوم (فاز ) به 65/1 درصد در دمای 577 درجه سانتی گراد محدود شده و در دمای اتاق به کمتر از 05/0 درصد می رسد. سیلیسیم حل نشده (فاز ) از آلومینیوم فقیر می باشد در ریخته گری ماسه ای دانه های سیلیسیم به صورت سوزنی خشن می باشد. این آلیاژها غیر قابل عملیات حرارتی می باشند. سیلیسیم معمولاً به صورت آمیژان با نسبت 13-12 درصد(سیلومین) به مذاب افزوده می شود. این آمیژان ها به سهولت در مذاب حل می شود و نقطه ذوب آنها حدود 580 درجه سانتی گراد می باشد.







آلیاژهای آلومینیوم- منیزیم
رفتار آلیاژی منیزیم در آلومینیوم شبیه مس می باشد. نمودار تعادلی Al-Mg در شکل 2 نشان داده شده است. همانطوری که ملاحظه می گردد حلالیت منیزیم در آلومینیوم (فاز ) نسبت به درجه حرارت، از 9/14 درصد در دمای 451 درجه سانتی گراد تا کمتر از 9/2 درصد در دمای محیط متغیر است و در صورت خارج شدن منیزیم از حد حلالیت، فاز سخت تر رسوب می کند.
این آلیاژها عملیات حرارتی پذیرند و ارتباط خواص مکانیکی با درصد منیزیم مشابه آلیاژهای Al-Cu می باشد. در شکل2 خواص مکانیکی برخی از آلیاژهای آلومینیوم بر حسب درصد منیزیم نشان داده شده است.
آلیاژهای متعددی که بر پایه این سیستم دوتایی وجود دارند دارای 10 و 5/4 درصد منیزیم می باشند. آلیاژهای Al-Mg به دلیل شدت اکسیداسیون و جذب گاز در عملیات ذوب احتیاج به محافظت بیشتری دارند.
آلیاژهای آلومینیوم تا 2 درصد منیزیم را می توان به طور مستقیم با افزودن منیزیم خالص به مذاب آلومینیوم ریخته گری نمود. بدیهی است که اتلاف این عنصر زیاد بوده و از این رو اغلب از آمیژان با 10 درصد منیزیم استفاده می شود. سیالیت مذاب حاوی منیزیم کم بوده و به همین دلیل سیستم های راهگاهی معمولاً از اندازه های عادی بزرگ تر در نظر گرفته می شوند.

آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیم- منیزیم
دو عنصر آلیاژی منیزیم و سیلیسیم تمایل به تشکیل ترکیب بین فلزی Mg2Si دارند. آلیاژهای فوق قابلیت سخت شدن با عملیات حرارتی آنیل محلولی و پیر سازی را دارند. به خاطر این که تمامی آلیاژهای آلومینیوم دارای سیلیسیم می باشند افزایش منیزیم باعث افزایش سختی در اثر تشکیل Mg2Si می شود.
خواص مهندسی آلیاژهای ریختگی آلومینیوم
مهمترین خاصیت مورد نظر در آلیاژهای آلومینیوم، استحکام می باشد. از دیگر خواص مکانیکی، انعطاف پذیری و درصد ازدیاد طول می باشد. استحکام کشش قطعات ریختگی آلومینیوم در محدوده Ksi43-17 متغیر می باشد.
برای دستیابی به استحکام های بالاتر می توان از عملیات حرارتی و ریخته گری در قالب های فلزی استفاده کرد. استحکام تسلیم قطعات ریختگی از Ksi43-9 و تغییر طول نسبی از صفر تا 12 درصد تغییر می کند. از دیگر خواص قطعات ریختگی آلومینیوم می توان به قابلیت ماشین کاری، قابلیت پرداخت کاری، جوش کاری، لحیم کاری و قابلیت عملیات حرارتی سطحی اشاره کرد. استحکام برشی این آلیاژها در محدوده Ksi32-16 تغییر می کند که باعملیات حرارتی می توان آنرا بهبود بخشید.
عملیات حرارتی قطعات ریخته گری به منظور دستیابی به یک یا چند هدف زیر صورت می گیرد:
الف) افزایش سختی برای دستیابی به قابلیت ماشین کاری بهتر
ب) دستیابی به خواص مکانیکی مطلوب
ج) پایدار ساختن خواس مکانیکی و فیزیکی
خارج کردن تنش های پس ماند که در اثر ریخته گری، عملیات کوئنچ، ماشین کاری، جوش کاری در قطعه باقی می مانند.
علائم زیر جهت نشان دادن نوع عملیات حرارتی روی آلیاژهای آلومینیوم انجام می گیرد.
O: عملیات حرارتی آنیل محلولی
T4: عملیات آنیل محلولی و کوئنچ
T5: عملیات حرارتی پیر سازی
T6: عملیات حرارتی آنیل محلولی، کوئنچ و پیر سازی
T7: عملیات حرارتی آنیل محلولی، کوئنچ و پیر سازی طولانی (Over again)
T8: قبل از پیر سازی به آرامی سرد شده اند تا استحکام تسلیم فشاری آنها بهبود یابد (فقط برای یاتاقان ها)
در بسیاری از موارد مقاومت به انواع خوردگی یکی ازخواص خوب و مطلوب آلیاژهای آلومینیوم می باشد. آلیاژهای آلومینیوم- منیزیم مناسب ترین نوع آلیاژها در محیط های خورنده می باشند.
آلیاژهای آلومینیوم- منیزیم- روی و آلومینیوم- مس- روی به ترتیب در اولویت های بعدی قرار دارند.

 

[قاسم معتمدی]

تولید آلومینیم
تهیه آلومینیم درمقیاس تجاری اولین بار در سال 1855 در فرانسه بوسیله سن کلر دویل از طریق احیاء کلرید آلومینیم با سدیم صورت گرفت .پتانسیل این فلز جدید در کاربردهای نظامی ،باعث جلب حمایت های حکومت فرانسه گردید وناپلون سوم استفاده از آلومینیوم را در تولید زره های سبک پیش بینی کرد. در خلال دوره 1855 تا 1895، قیمت آلومینیوم از کیلوئی 500 دلار آمریکا به 40 دلار سقوط کرد.
آلومینیوم تولید شده بوسیله فرآیند سن کلر دارای خلوص کمتر از 95% بوده و در آن زمان گران تر از طلا تمام می شد. کشفیات مستقل در سال 1886 بوسیله هال در آمریکا و هر ولت در فرانسه منجر به توسعه یک روش اقتصادی برای استخراج آلومینیوم با خلوص نسبتاً بالا به روش الکترولیز شد که امروزه مبنای تولید آلومینیوم به شمار می رود. با ابداع این روش قیمت آلومینیوم تا سال 1888 تا کمتر از کیلو گرمی 4 دلار آمریکا کاهش یافت و اخیراً قیمت آن بین یک تا دو دلار آمریکا به ازاء هر کیلوگرم تغییر کرده است. آلومینیوم از باکسیت که کانه ای است با حدود %(60-40) آلومینای هیدرانه همراه با ناخالصی هایی از قبیل اکسید آهن، سیلیس و اکسید تیتانیوم، بدست می آید.
نام باکسیت مشتق از محلی بنام باکس (Le Baux) در فرانسه می باشد که اولین بارکانه باکسیت در آنجا استخراج گردید. باکسیت از طریق انحلال سنگ های حاوی آلومینیوم از قبیل گرانیت و بازالت در معرض هوا و تحت شرایط حاره تشکیل می شود. بزرگترین منابع و معادن شناخته شده باکسیت در استرالیای شمالی، گیته، جامائیکا و برزیل می باشند که بصورت رو بار استخراج می شوند. در حال حاضر استرالیا ، 47%، و گیته20% و جامائیکا 13% ، مجموعاً تامین کننده 80% باکسیت جهان می باشند. در حالیکه سورینام که در سال 1950 اولین صادره کننده بوده است هم اکنون تامین کنند، کمتر از 4 % باکسیت جهان می باشد. انتظار می رود که باکسیت با عیار بالا استفاده می شود، بایستی به طریقی مثلاً فلوتاسیون، این ناخالصی راحذف نمود که این عمل تغلیظ باعث افزایش قیمت تولید خواهد شد. آلومینیوم به مقدار فراوان نیز در خاک رس و سایر مواد معدنی وجود دارد و به دلیل طبیعت آمفوتر (بی تفاوت) آلومینیوم ، این امکان وجود دارد که برای بازیابی آن بتوان از محلول های اسیدی و قلیایی استفاده نمود. به عنوان مثال، استخراج آلومینا با استفاده از محلول اسیدی از کائولن که به صورت کانی خاک رس درطبیعت توزیع شده و همچنین قمست اعظم خاکستر زغال را تشکیل می دهد،مورد توجه قرار گرفته است. مینرالهای نفلین و آلونایت به صورت تجاری در کشورهای مستقل مشترک المنافع در واحدهایی که در مناطق دور از منابع باکسیت قرار دارد، جهت استخراج آلومینا مورد استفاده قرار می گیرند. اما آلومینای بدست آمده از این منابع و سایر منابع جایگزین 5/1 تا 5/2 برابر گرانتر از آلومینای تولید شده از باکسیت به وسیله فرآیند بایر تمام می شود.

فرآیند بایر در استحصال آلومینا
فرآیند بایر به وسیله کارل جوزف در اتریش در سال 1888 توسعه یافته و ثبت گردید. در این فرآیند باکسیت خرد شده در محلول قوی هیدروکسید سدیم در دماهای تا 240 درجه سانتی گراد حل می گردد. بیشتر آلومینا طی این فرآیند حل شده و رسوب قرمز رنگی که عمدتاً از اکسیدهای آهن و سیلیس تشکیل شده است باقی می ماند که به وسیله ***** کردن جدا می شود.
غلظت هیدروکسید سدیم مورد استفاده و همچنین دما و فشار عملیات بر حسب طبیعت کانه باکسیت، مخصوصاً درصد شکلهای مختلف آلومینای موجود در کانه بهینه می شود.
(1-1)
متعاقباً در مرحله دوم که به مرحله تجزیه موسوم است شرایط به گونه ای تنظیم می گردد که واکنش در جهت عکس به پیش برود.
(1-2)
واکنش مزبور وسیله سرد کردن و رقیق نمودن محلول و تلقیح باکریستالهای آبدار حاصل خواهد شد. که طی آن رسوب پودری شکل این ترکیب (آلومینا) به جای شکل ژلاتینی آن بدست می آید.
واکنش تجزیه معمولاً در دمای حدود 50 درجه سانتی گراد در مخازنی که به آهستگی هم زده می شود انجام می گیرد و کامل شدن واکنش تا حدود 30 ساعت ممکن است طول بکشد. اکسید آلومینیوم حاصل از واکنش تجزیه را جدا کرده و شستشو می دهند در حالی که هیدروکسید سدیم حاصله ی بازیافت شده و به راکتور انحلال (مرحله اول) برگردانده خواهد شد. سپس اکسید آلومینیوم آبدار در کوره های تونلی و یا اخیراً در بسترهای روان مورد عمل تکلیس قرار گرفته و آلومینا بدست خواهد آمد. عمل تکلیس در دو مرحله اتفاق افتد که طی آن اکثر آب تبلور اکسید آلومینیوم، در محدوده دمای C 600 – 400 حذف می شود. آلومینای بدست آمده در این مرحله به شکل فعل می باشد که با حرارت دادن بیشتر دردمای C 1200 به آلومینای نسبتاً خنثی تبدیل می شود. شکلهای مختلف آلومینا دارای مشخصات فیزیکی متفاوت می باشند که در واحدهای آلومینیوم سازی کنترل و مسشخص می گردد.

 

[قاسم معتمدی]

تولید آلومینیوم بوسیله فرآیند هال هرولت
آلومینا دارای دمای گداز بالا C) 2040 ) و هدایت الکترونیکی ضعیفی می باشد. روش موفق تولید آلومینیوم مبتنی بر حل کردن اکسید آلومینیوم در کریولیت مذاب می باشد که نمونه ای از این الکترولیک شامل (90-80) درصد کربولیت و (8-2) درصد آلومینا بوده و افزودنی های دیگری از قبیل به آن اضافه می شوند. کریولیت ابتدا از منابع نسبتاً کمیاب درگریلند بدست می آمد ولیکن در حال حاضر به صورت مصنوعی تهیه می شود. یک سوال الکترولیز آلومینیوم از آندهای کربنی پخته شده مصرف شونده، الکترولیت مذاب کریولیت- آلومینا، حمامی از آلومینیوم مذاب، محفظه ای با آسترکربن برای نگهداری فلز مذاب و الکترولیت و یک سیستم جمع آوری گازهای تولید شده، تشکیل شده است (شکل1) تغذیه آلومینا به داخل سلول به صورت متناوب و خودکار انجام می گیرد. یک نمونه سلول جدید در دمای حدود C 950 و جریان 250 کیلو آمپر با چگالی جریان حدود 7/0 آمپر بر سانتی متر مربع کار می کند. فاصله بین آندوکاتد 5-4 سانتی متر بوده و اختلاف پتانسیل در هر سلول تقریباً 5/4 ولت می باشد.
سلول الکترولیز به گونه ای عمل می کند که آستر کربن اطراف سلول با لایه ای از کریولیت جامد شده محافظت می شود و سطح بالایی حمام با قشری از آلومینا پوشیده می شود. روزانه حدود 1800 کیلوگرم آلومینیوم در هر سلول تولید می شود که آلومینیوم مذاب بطور منظم تخلیه شده و به صورت شمش ریخته گری می گردد. آلومینا بر حسب نیاز به داخل سلول شارژ می شود.

​

شکل1- سلول الکترولیزهال- هرولت جهت تولید آلومینیم​

​

شکل2- خط الکترولیز نمک مذاب جهت تولید آلومینیم​

شکل (2) حدود 150 سلول را که به صورت سری بهم وصل شده و یک خط الکترولیز را ساخته اند، نشان می دهد. مکانیزم دقیق واکنش الکترولیت در سلول مشخص نبوده ولیکن محتمل است که یونهای و یونهای کمپلیکسی مانند در سیستم جریان داشته و در کاتد آنیون ها و فلوئور و آلومینات از طریق انتقال بار به سطح کاتد جهت تولید فلز آلومینیوم و یونهای تخلیه گردند درحالیکه درآند یونهای اکسی فلوئور و آلومنیات تجزیه شده و اکسیژن آزاد نموده و تشکیل شود و رویهمرفته واکنش انجام شده را میتوان مطابق زیر نوشت:

​

شکل (3) دیاگرام جریان مواد خام مورد نیاز برای تولید یک تن آلومینیوم را نشان می دهد. معمولاً 5/3 الی 4 تن باکسیت جهت استخراج 2 تن آلومینا مورد نیاز است که 2 تن آلومینا یک تن آلومینیوم را بدست خواهد داد. مقادیر قابل ملاحظه ای از سایر موارد از قبیل حدود 4/0 تن کربن نیز مصرف می گردد. بهرحال حساس ترین عامل تولید، مصرف برق است که علیرغم بهینه سازی فرآیند از این نظر هنوز مقدار 13000 تا 15000 کیلو وات ساعت برق جهت تولید یک تن آلومینیوم از آلومینا مورد نیاز می باشد.

​

شکل 3- روند نمای جریان تولید آلومینیم از باکسیت (مقادیر مواد خام نشان داده شده در این روند نما براساس تولید یک تن آلومینیم در نظر گرفته شده است)​

این مقادیر با میزان 28000 کیلو وات ساعت مصرف انرژی بر تن آلومینیوم در اوایل قرن بیستم و مقدار انرژی تئوریک لازم که تقریباً 6500 کیلو وات ساعت بر تن میباشد، قابل مقایسه است. از کل اختلاف پتانسیل 5/4 ولت در درون یک سلول جدید 2/1 ولت آن مربوط به پتانسیل تجزیه و یا انرژی آزاد واکنش تشکیل آلومینیوم مذاب در کاتد می باشد. قسمت اعظم افت ولتاژ مربوط به مقاومت الکترولیت در فضای بین الکترودها می باشد که بالغ بر حدود 7/1 ولت است و (40-30)% کل افت پتانسیل را تشکیل می دهد. راندمان را می توان با کاهش فاصله بین آند و کاتد افزایش داد و این جنبه در طراحی سلولهای جدید مدنظر قرار گرفته است. یکی دیگر از اصلاحاتی که امیدوار کننده بوده، پوشش دادن کاتد یا دی براید تیتانیوم می باشد که باعث بهتر شدن خاصیت تر شوندگی سطح بوسیله آلومینیوم مذاب می گردد. این امر باعث تشکیل یک فیلم نازک تر و پایدارتر آلومینیوم شده که به راحتی با استفاده از کاتد شیبدار به داخل مخزن اصلی هدایت خواهد شد.(شکل4)
کاهش فاصله بین آند و کاتد از حد متداول 6-4 سانتی متر به 2-1 سانتی متر،کاهش افت ولتاژی حدود (5/1-1) ولت در سلول را به همراه خواهد داشت. پیش بینی کلی در مورد افزایش کارآئی سلول الکترولیزتا سال 2000 حاکی از این است که مصرف الکتریسیته بطور متوسط تا 12500 کیلو وات ساعت به ازای تولید یک تن آلومینیوم کاهش خواهد یافت

 

[قاسم معتمدی]

مصرف انرژی درتمامی مراحل تولید فلزات سبک، مس، روی و فولاد در شکل 5 خلاصه شده است. در مجموع، کل انرژی لازم برای تولید یک تن آلومینیوم ازباکسیت موجود در زمین بین 70000 تا 75000 کیلو وات ساعت حرارتی برآورد.

​

شکل5- مصرف کلی انرژی برحسب مگاوات ساعت (حرارتی) برای هر مرحله از تولید فلزات سبک، مس، روی و فولاد​

​

می شود که یک کیلو وات ساعت الکتریکی معادل 3 کیلو وات ساعت حرارتی می باشد. براساس این تبدیل مجموعاً 30000 کیلووات ساعت حرارتی به ازای واحد حجم آلومینیوم مورد نیاز است که در مقایسه با انرژی لازم برای تولید یک تن فولاد (محصول تمام شده) از کانه آهن موجود در زمین که 13000 الی 16000 کیلو وات ساعت حرارتی برآورد می شود بسیار بیشتراست.
روشهای جایگزین درتولید آلومینیوم
به دلیل اختلاف فاحش بین انرژی الکتریکی لازم تئوری و عملی برای تولید یک تن آلومینیوم، انتظار می رود که روشهای دیگری بجز روش متداول هال و هر ولت جستجو شود. نمونه ای از این روشهای جایگزین، فرآیندهای مبتنی بر الکترولیز کلرید آلومینیوم میباشد که بوسیله کمپانی آلومینیوم آمریکا (آلکو) توسعه یافت و اجرای روش در سال 1976 در امریکا با ظرفیت اولیه 13500 تن درسال آلومینیوم شروع گردیده و امکان دستیابی به 30% صرفه جویی درهزینه را فراهم آورد. دراین فرآیند، از آلومینا بعنوان ماده اولیه استفاده شده که در مواجهه با کلر در یک راکتور، کلرید آلومینیوم تولید شده به عنوان الکترولیت در یک سلول بسته جهت تولید آلومینیوم و کلر مورد استفاده قرارمی گیرد و کلر تولیدی مجدداً جهت کلرینه کردن آلومینا به راکتور مربوطه برخواهد گشت. از مزیتهای این تولید شده به عنوان الکترولیت در یک سلول بسته جهت تولید آلومینیوم و کلر مورد استفاده قرار می گیرد و کلر تولیدی مجدداً جهت کلرینه کردن آلومینا به راکتور مربوطه برخواهد گشت. از مزیتهای این فرآِیند پیوسته بودن آن را میتوان نام برد،ولیکن خوردگی مواد سازنده راکتورها در اثر کلر درمدت زمان طولانی یکی از مشکلات آن بشمار می آید. این مساله به همراه بهبود راندمان در فرآیند متداول الکترولیز آلومینیوم منجر به این شد که در سال 1985 فرآیند به صورت تک باری و غیر مداوم انجام گیرد. تحقیقات متعددی به وسیله برخی شرکتها در زمینه تولید آلومینیوم به روش احیاء با کربن (کربوترمال) صورت گرفته است. فرآیند احیاء با کربن مشتمل بر مخلوط کردن کانه آلومینیوم و ذغال کک شونده جهت تولید بریکت بوده و سپس بریکت درکوره ای از نوع کوره بلند طی مراحلی در محدوده دمائی 500 الی 2100 درجه سانتی گراد احیاء می گردد.
محصول فلز مذاب، شامل آلومینیوم همراه با آهن وسیلسیم میباشد که ازطریق پاشش سری مذاب جذب شده در ته کوره جمع آوری و جدا می گردد. از آنجایی که آلومینیوم و سرب غیر قابل حل در یکدیگر می باشد، سرب ته نشین شده و آلومینیوم در سطح جمع گردیده و جدا خواهد شد. آلومینیوم بدست آمده دراین روش نیاز به عملیات خالص سازی بیشتر دارد. اگر چه در مجموع فرآیندهای جدید از نظر صرفه جویی درهزینه امیدوار کننده هستند ولی اجرای آنها در مقیاس تجاری تاکنون نهایی نشده است.

 

[قاسم معتمدی]

آلومینیم فلزی است سبک ،با نقطه ذوب پایین و فعالیت بالا که کاربرد زیادی در صنعت دارد .این فلز در برابر خوردگی مقاوم است .کانی با اهمیت آلومینیم ،بوکسیت نام دارد و مینرالهای آن بوهیمت وژیپیست ( )است .بوکسیت از نظر عیار 50تا60 درصد آلومینا( )دارد مهمترین ناخالصیهای آن می باشند.

روشهایی تولید آلومینیم
روشهای تولید آلومینیم را میتوان در چهار روش مختلف گنجاند و بررسی کرد .از بین این روشها ،روش استخراج الکتریکی با صرفه ترین روش در حال حاضر است . در زیر سایر روشها و خصوصیات آنها امده است.

الف-احیا با کربن
1)دمای مورد نیازC 2000 است که دمای بالایی است.پ
2)در دمای زیر C 2000 کاربید آلومینیم ایجاد می شود که غیر مفید است.
3)در دمای C 2000 آلومینیم به صورت گازی است و برای محیط خطرناک است.

ب-احیا با فلزات فعال
فلزات فعالتر ازAl مثلCa,Na,Mg و....ازAl گرانترند و استخراج به این روش از لحاظ اقتصادی با صرفه نیست .


ج-روش HM
1)برای تولید آلومینیم محلول مناسب که ارزان ،غیر سمی ،غیر آلوده کننده و حلال اکسید آلومینیم باشد وجود ندارد
2)فلزهای نجیب ترAl که به عنوان ناخالصی در کانی بوکسیت وجود دارند،زیاد می باشند .این فلزات در الکترولیز زودتر احیا می شوند.

د-روش های الکتریکی و مراحل آن
در این روش به علت نقطه ذوب بالای به یک الکترولیک مناسب مورد نیاز است .بنابراین از یک حلال مناسب برای تهیه الکترو لیک استفاده می شود که دارای شرایط زیر باشد:
1)الکترولیک از و هریون مثبت نجیبتر از آلومینیم خالی باشد.
2) را به خوبی در خود حل کند .
3)نقطه ذوب پایین ،وزن مخصوص کمتر از آلومینیم و مقاومت الکتریکی کمی داشته باشد .
4)آلوده کنندگی خیلی کمتری داشته باشد.(عدم آلودگی)
بهترین و مناسب ترین حلال معرف به کریولیت همراه با 5 درصد و8 درصد است .این محلول نقطه ذوب C 900 و مقاومت الکتریکی کمی دارد ولی این روش آلوده کنندگی غیر قابل قبول و مصرف برق بالایی دارد.

مراحل روش الکتریکی
1)استخراج و اماده سازی بوکسیت 2)تولید خالص
3)استخراج الکتریکی آلومینیم 4)تصفیه آلومینیم (عموماً نیازی نیست)

1)استخراج و آماده سازی بوکسیت2
این مرحله مثل سایر فلزات ،شامل خرد کردن ،آسیاب کردن و....است.

2)تولید
تولید در چند مرحله انجام می گیرد:لیچینگ گرم،جدا کردن رسوب ها از محلول،رسوب دادن از محلول و تکلیس وتولید پودر .
لینچینگ گرم:بوکسیت نرم شده وارد سود غلیظ می شود و در دمای بین C 180 تاC 220 و فشار بین 4 تا 25 اتمسفر در اثر واکنش زیر آلومینیات سدیم تولید می شود.

4+ NaOH→ +

در این مرحله توجه به چند نکته زیر لازم است:
1)ژیپسیت در سود نسبت به بوهیمیت راحت تر حل می شود یعنی در فشار ،دمای کمتر و سود رقیق تر .در نتیجه هر چه درصد ژیپسیت (تری ئیدرات )بیشتر باشد ،هزینه کمتری نسبت به بوهیمت لازم است .
2)از بین ناخالصیها ، مشکل ساز تر است چون تولید سیلیکات آلومینیم و سدیم کرده ،باعث تلفات آنها می شود و مقداری از هم در محلول می ماند .به طور کلی وجود باعث پایین آمدن ارزش بوکسیت می شود .
3)هرچه دما و فشار بالاتر باشد بیشتر واکنش نشان داده ،مشکل بیشتری ایجاد می کند.
جدا کردن رسوبها از محلول :به روش settling (ته نشین شدن به علت آرام بودن سیال)عمده رسوبهای ته نشین شده ،جدا می گردند .سپس محلول با آب داغ شسته شده ،با افزودن نشاسته به آن ***** می شود . به رسوبات باقیمانده گل سرخ (Red Mud )گفته می شود.
رسوب دادن از محلول :مراحل آن شامل این موارد است:سرد کردن محلول باقی مانده تا دمایC 35 ،افزودن آّب به محلول ،اضافه کردن پودر به عنوان جوانه زا ، دادن زمان کافی ،هم زدن و جداسازی ذرات با استفاده از تیکنرهاو *****ها.

در پایان با گرم نمودن محلول رقیق باقیمانده ،که شامل NaOH آب زیاد و باقیمانده است ،آب تبخیر میگردد.آن گاه این محلول به مرحله قبل فرستاده می شود .اگر سیلیس در محلول باشد در این مرحله رسوب می کند .تکلیس و تولید پودر نهایی 99تا5/99 درصد است.

 

[قاسم معتمدی]

استخراج الکتریکی آلومینیم
برای این منظور از روش الکترولیز موسوم به Hall-Heroult استفاده می شود .شکل 1 اجرای این دستگاه الکرولیز را نشان می دهد.
اگر آلومینیم تولیدی ته نشین نمی شد مقاومت الکترولیک را بالا می برد و مهمتر اینکه دوباره اکسید می شدوتلفات افزایش می یافت:

​

​

سیستم طوری تنظیم گردد که به طور مداوم وارد محلول شود و درصد آن در محلول ثابت بماند و گرنه مقاومت الکترولیک بالا می رود.
آند گرافیکی در اثر واکنش با اکسیژن اطرافش موجود در محلول ،مصرف می شود و باید جایگزین گردد.
}
معمولاً برای رفع این مشکل از دو نوع آند استفاده می شود:
1)آند پیش ساخته که از کک نفتی همراه با قطران و آندهای برگشتی ساخته شده است و در حالی که سلولها بطور مداوم کار می کنند ، هر بار تعدادی از آندها تعویض می شوند.
2)الکترود ها سودربرگ (خودپز)که در این ،مواد خامی که در محفظه فولادی ریخته شده اند ،پخته می گردند تا استحکام یابند آنگاه وارد الکترولیک می شوند.الکترودهای سردربرگ به دلیل داشتن بازده الکتریکی پایین ،مشکل بودن نصب و کاربرد آنها . نیاز به تجهیزات اضافه تر ،نسبت به الکترودهای پیش ساخته کمتر مورداستفاده قرار می گیرند.
فرایند الکترولیز مداوم است و در نتیجه شارژ مواد اولیه (پودر )نیز باید مداوم باشد به طوری که همیشه یک لایه روی الکترولیک موجود باشد .این لایه چند فایده دارد:
1)تأمین لازم 2)جلوگیری از اکسید اسیون الکترولیک
3)جلوگیری از تشعشع حرارتی 4)پیشگرم شدن و بالا رفتن راندمان حرارتی
البته این لایه پودری مذاب را داخل کشیده ،منجمد می شود که این پوسته را هرچند لحظه یک بار باید شکست .خروج آلومینیم نیز به وسیله پمپ خلأ صورت می گیرد.


روشهای نیمه صنعتی تولید آلومینیم
الف)روشAloca
مراحل این روش به شرح زیر است:
1)تولید خالص که قبلاً توضییح داده شد.
2)واکنش و تولید C 900 و تولید کلریت آلومینیم به صورت گاز.
3)حل کردن کلریت آلومینیم در الکترولیک مذاب با ترکیبLiCl وNaCl.
4)الکترولیز الکترولیک فوق و تولید آلومینیم (گاز تولیدی در این مرحل3ه به مرحله 2 برگردانه می شود )در این روش آند مصرف نمی شود .دمای الکترولیز به C 700 تقلیل می یابد و مصرف الکتریسیته نزدیک به %40 کاهش می یابد.
این روش مصرفی کلر کمی دارد ولی به دلیل آلودگی آن و احتیاج به تجهیزات لازم برای برگشت گاز کلر و همچنین مصرف مقداری انرژی در مرحله کلراسیون گسترش کمتری یافته است.
ب)روش Alcan
این روش برای تولید بوکسیت های با سیلیس بالا به کارمی رود که شامل مراحل زیر است:
1)احیای بوکسیت توسط کک و تولید مذاب فروسیلیکو آلومینیم (Fe-S3i-Al)
دراین مرحله وجود سیلیسم باعث راحت تر شدن اکسیداسیون می شود .
2)تولید گاز AlCl از واکنش گاز با فروسیلیکو آلومینیم در C 1300
3)تولید آلومینیم از AlClبا سرد کردن تولیدی طی این مرحله به مرحله قبل برگردانده می شود.

در ادامه جداسازی ،آلومینیم استخراج می گردد.
د)روش SERPECK
همراه کک وارد کوره بادمای C 1600 می شود وبا عبور از نیتروژن از روی آن طبق واکنش AIN بدست می اید.


با افزودن اب به AIN در دمای محیط )و در دمای C 300 -200و حاصل می شودکه )تکلیس شده ،همراه با جهت استخراج الومینیم مورد استفاده قرار میگیرد .این روش نیز برای کانیهای کم عیار استفاده می شود.

 

[قاسم معتمدی]

تصفیه آلومینیم
معمولاً برای تصفیه آلومینیم رسانای الکتریسته باشد ،خلوص بالایی داشته باشد (حدود%99/99)برای تصفیه آلومینیم بیشتر روش سه لایه ای بکار می رود. جنس آند و کاتد گرافیتی است و علت استفاده از آن آلیاژ Al-Cu بالا بردن وزن آلومینیم است.
الکترولیک نیز مخلوطی از است.
آلومینیم تجاری (مذاب ،جامد،قراضه)به طور مداو موارد سلول می شود و در آلیاژ ،مذاب Al-Cuحل می گردد.(چون فعالتر از مس است )در نتیجه ناخالصیهای فعالتر از آلومینیوم وارد الکترولیک می شوند ولی ناخالصیهای نجیبتر در آلیاژ مذاب باقی می ماند و ازآلومینیم جدا می شوند .گذشتن از از بین الکترولیت دما را بالا می برد و پتانیسل اضافی (ولتاژ اضافی)تولید می کند.مهمترین ناخالصی فعالتر از آلومینیم ،منیزیم است که با بالا رفتن غلظت احیا می شود ،لذا در ابتدا نباید الومینیم حاوی منیزم وارد دستگاه شود.

« اصول استخراج آلومینیوم »​

مقدمه
فلز آلومینیوم خواص فیزیکی و مکانیکی بسیاری است که از دیگر فلزات آن را متمایز می سازد. این خواص شامل هدایت حرارتی و الکتریکی بسیار عالی، سبکی و چکش خواری، شکل پذیری، مقاومت در برابر فضای اکسید کننده اتمسفری ، آلیاژهای آلومینیوم 3 برای قدرت مقاومت به ضربه بیشتر از فولاد دارند نسبت مقاومت و استحکام زیاد بر واحد وزن است که در صنایع هواپیما سازی و فضایی استفاده می شود ـ نقطۀ ذوب پایین جزء خواص ممتاز است و اولین بار حدود 175 سال قبل ارستد Orested توانست نمونۀ خالص از آلومینیوم تهیه کند و دوست آلمانی او به نام Wohler دو سال بعد مقدار زیادی آلومینیوم به دست آورد.
این روش تهیه از ملقمه پتاسیم و کلرور آلومینیوم در اثر حرارت بود ـ بعداً ملقمه آلومینیوم به دست آمده با حرارت عمل می شد تا آلومینیوم به دست آید. منابع طبیعی و کانی های آلومینیوم دار در کشورهای مجارستان ـ فرانسته ـ گویان ـ آمریکا و شوروی و جامائیکا ـ یونان ـ یوگسلاوی است. در تمام کانی های یاد شده اکسید آلومینیوم همراه با اکسیدهای دیگر به نام بوکسیت یافت می شود. عمده ترین اکسیدی که با اکسید آلومینیوم موجود است Fe2O3 مي باشد. مقدار اکسیدهایدیگر موجود در بوکسیت بسیار کم است آب هم پس از اکسید آهن به نام آب تبلور از یک مول تا 30 مول متفاوت است. فرمول خام بوکسیت را می تواند چنین نوشت.

(Al2O3,Fe2O3, اکسید دیگر ) xH2O​

اگر Al2O3 خالص عاری از هر نوع آب بلور و اکسید دیگری باشد (کوراندم) نام دارد که از سنگ های بسیار قیمتی است ـ ناخالصی مثل Fe2O3 رنگ آن را قرمز و Sio2 رنگ آن را و اکسید سیلیسیم sio2 حدود 60% دارد که جزء کانی های دو اکسیدی به فرمول (Al2O3,2sio2,2H2o) می باشد از کانی های سه اکسیدی فلرسپار و لوسیت را می توان نام برد.
فلدسپار Al2O3, 6Sio2, K2O 4/18 % اکسید آلومینیوم دارد.
لوسیت Al2O3, 4Sio2, K2o 5/23 % اکسید آلومینیوم دارد.

 

[قاسم معتمدی]

آلومینیوم (مرحله دوم از استخراج)
مرحله دوم استخراج، شامل احیاء آلو مینا و تبدیل به فلز آلومینیوم است که به روش هارولت معروف می باشد.این روش الکترولیز با عبور جریان مستقیم در محلول مذاب الکترولیت کریولیت و آلومینا صورت می گیرد. کریولیت به فرمول Na3AlF6 به Al2O3 اضافه می شود که نقطه ذوب آلومینا به C1000 کاهش یابد حوضچه الکترولیز از جنس فولاد و پوشیده شده است از مواد دیر گذار (مثل MgO یا SO4Ca). جداره جانبی مخزن که به شکل مکعب مستطیل است در داخل از گرافیت پوشیده می شود که همین لایه گرافیت رل کاتد را دارد جایی دسته های استوانه­ای4 تایی یا 6 تایی یا 8 تایی به قطب مثبت پیل وصل می شود و کاتد جداره ظرف است ولتاژ 5 ولت برای کل سلول ها کافی است. اکسید آلومینیوم مذاب به شکل ین Al+++ تجزیه می شود که در کاتد به فلز مذاب آلومینیوم تبدیل و در ته ظرف جمع می گردد.

​

​

​

​

​

​

​

شکل 2- شمایی از یک واحد الکترولیز​

کریولیت طبیعی مورد مصرف در انحصار کشور دانمارک است ولی به علت گرانی آن کارخانجات ذوب آلومینا کریولیت لازم را به طور مصنوعی خود تهیه می کنند. درجه حرارت الکترولیز C950 می باشد.
در آند (قطب مثبت پیل) اکسیژن حاصل از تجزیه آلومینا با کربن ترکیب می شود و به شکل گاز CO یا CO2 از اطراف آند به خارج صعود می کند بازدهی دستگاه به طور تقریب از وزن چهار تن بوکسیت مقدار دو تن آلومینا و مقدار یک تن آلومینیوم خالص بدست می آید در هر سلول تعداد حداکثر تا 24 آند به کار گرفته می شود و دانسیته جریان گذرا معادل 6 آمپر بر هر سانتیمتر مربع است. (A/Cm2 6)
واکنش های مربوط به الکترولیز طبق معادلات زیر خلاصه می شوند که کلیۀ آنها واکنش های دوطرفه است و الکترولیز مداوم و به طور آرام انجام می شود شارژ سل ها به طور منظم از گرد آلومینا و کریولیت خشک یا مایع می باشد. آلومینیوم به دست آمده دارای درجه خلوص 5/99% تا 99/99% است، در صورتی که آلومینیوم به دست آمده دارای درجه باشد ، بایستی تصفیه های بعدی انجام گیرد که البته الکترولیز در محیطی دور از اکسیژن انجام می پذیرد.
در اینجا چند نکته مهم یادآور می شویم که بازدهی عملی دستگاه الکترولیز در تهیه آلومینیوم از اکسید آلومینیوم به عواملی متعدد بستگی دارد. از جمله نسبت ترکیب چهار جسم Al2O3 ، AlF,AlF ، NaF ، Na2O می باشد. حضور ترکیب Na2O به علت این است که واکنش زیر صورت می گیرد. این ترکیب به هر نسبتی که در مجموعه باشد زیر دمای ذوب C950 خواهد بود که چون نقطه ذوب آلومینیوم 658 می باشد آلومینیوم حاصل مذاب می باشد که روی آند کربنی جمع می شود.

Al2O3+6NaF ó 2AlF3 + 3H2O​

پس دو فاز با سطح مشترک A تشکیل می شود فاز مذاب آلومینیوم و فاز مذاب ترکیب کریولیت نامبرده در بالا. در هر صورت چگالی ترکیب از چگالی آلومینیوم کمتر است لذا بالاتر از آلومینیوم مذاب قرار می گیرد. ثانیاً انرژی کشش سطحی بین دو فاز آلومینیوم و ترکیب کریولیت افزودنی ها از خارج به الکترولیت تغییر می کند و بازدهی را تغییر می دهد.

​

یعنی با افزایش دما و افزایش AlF3 طبق واکنش دو طرفه بالا مقداری از آلومینیوم در مذاب (NaF-AlF3) حل می گردد. بازدهی جریان در دمای پایین همراه با افزودن CaF2 و MgF2 به مذاب بهبود می یابد. افزودن ترکیبات خارجی به مذاب هدایت مخصوص و رسانایی مذاب را تغییر می دهد که به نوبه خود در راندمان و بازدهی دستگاه اثر می گذارد.
واکنش مربوط به تهیه Al فلزی مذاب طبق واکنش زیر انجام می شود که به ویژگی الکترودها و ترکیب الکترولیت مذاب مربوط می شود با افزایش نسبت NaF به AlF3 پتانسیلی اضافی لازم برای رسیدن به چگالی جریان لازم کاهش می یابد.

Al++++3e"Al​

در سلول های الکترولیز واکنش های زیر انجام می شود.

ó​

​

​

​

​

واکنش های آندی روی گرافیت به قرار زیر است:

ó​

واکنش های آندی روی گرافیت به قرار زیر است:

ó​

و پتانسیل لازم برای تولید حدوداً چنین محاسبه میگردد.

​

در عمل به علت تلفات چهار تا شش برابر این مقدار پتانسیل لازم است. از واکنش مربوط به سل مشخص می شود که تولید با تولید Al همراه است. طبق واکنش زیر تولید CO با مصرف Al همراه است.

​

پس از تولید و CO می توان نسبت را نماینده راندمان یا بازدهی سلول های الکترولیز دانست تولید و CO به یک نسیت با درجه حرارت مربوط نمی شود هر دو با درجه حرارت افزایش می یابند ولی بیشتر لذا نسبتاً راندمان دستگاه با حرارت رابطه مستقیم دارد. گرافیت یکی از موادی است که در الکترولیز مصرف زیاد دارد و هزینه تولید را بالا می برد.
طریقه تهیه کریولیت (روش مصنوعی تهیه کریولیت)
1- ترکیب فلوئور آلومینیم Al2F6 و نیترات سدیم به شکل محلول و فلوئور آمونیم به شکل محلول روی یکدیگر اثر کرده و نتیجه یک رسوب و یک محلول است. رسوب همان کریولیت و محلول نیترات آمونیم است که پس از صاف کردن و خشک کردن کریولیت به دست می آید.

محلول Al2F6+6NaNO3+6NH4F + 6NH4NO3​

​

2- روش دیگر اسید سولفوریک غلیظ را تا C با کلسیم فلورید نسبتاً خالص حرارت می دهد.

1)CaF2+H2SO4 CaSO4+2HF​

گاز HF در برج هایی که دارای دوش های آب است وارد شده و در آب حل می گردد و برج های شیشه ای و یا سیلیس خالص کمک می کنند که واکنش های (3و2) زیر انجام پذیرد و در نتیجه محلول اسید فلوسیلیسیک حاصل شود.

2)SiO2+4HF SiF4+2H2O​

3) SiF4+ 2HF H2SiF6​

سپس کربنات سدیم به محلول افزوده می شود تا سیلیسیم به هر شکلی که باشد از محتویات جدا گردد (در کوره به عمل تکلیس انجام می پذیرد).

4)H2SiF6+Na2CO3 Na2SiF6+H2O+CO2
5)12HF+ (Al2O3,xH2O) 2H3AlF6+(x+3)H2O
6)2H3AlF6+3Na2CO3 2Na3AlF6+3H2O+3CO2​

کریولیت واکنش 6 از مایع جدا می شود که در دمای C خشک می گردد. این روش را روش اسیدی در تهیه کریولیت گویند.

​

​

شکل 5- سیکل عملیات جهت تهیه کریولیت را نشان می دهد​

خواص فیزیکی محلول مذاب که شامل هدایت مخصوص ویسکوزیته و چگالی محول و تغییرات پتانسیل لازم برای تجزیه و استخراج آلومینیوم از ترکیب آلومینا و کریولیت بر حسب ترکی و حرارت و نسبت اجزاء موجود در محلول الکترولیت تغییر می کند. این تغییرات با اشکال زیر مشاهده می شود.

 

[قاسم معتمدی]

مختصری از شرایط کارگاهی
در الکترولیز بوکسیت در به دست آوردن آلومینیوم مطابق شکل مراحل چندی انجام می پذیرد که شامل گرم کردن دیگ- شروه تهیه آلومینیوم- ریخته گری- میله گذاری- مرحله گرم کردن حدوداً بیست ساعت طول می کشد و درجه حرارت پس از این مدت 950 درجه سانتیگراد می باشد. در مرحله تهیه آلومینیوم کریولیت و مواد اضافه مورد نیاز را به اطراف آند می ریزند مقداری آلومینا اضافه نیز به دیگ اضافه شود. اگر به علت تزدیکی بیش از حد آند به کاتد حرارت زیادی ایجاد گردد که آند قرمز گردد فاصله آن دو را تا حدود 5 سانتیمتر نقصان می دهند. برای تولید 1000 کیلوگرم آلومینیوم مواد اولیه لازم به قرار زیر است.
کریولیت 40 کیلوگرم
فلورید آلومینیوم 35 کیلوگرم
سودا 550 کیلوگرم
آلومینا 1925 کیلوگرم
زمان انجام عمل الکترولیز حدوداً 5 ساعت
ریخته گیری فلز مذاب خاص خود را دارد. آلومینیوم به دست آمده از عمل الکترولیز به شکل مذاب در کوره های مخصوص تصفیه می گردد یعنی گازها و ناخالصی های شناور شده به خارج منتقل می شود تا سطح مذاب کاملاً صاف و شفاف گردد. در عمل ریخته گری بلیت هایی به طول 7 متر تهیه می گردد. کاتد به شکل مربع مستطیل به وزن 300 کیلوگرم به ابعاد 40×35×160 که به کاتد بار معروف است آند از گرافیت و پروسه پخت خاص لومینیوم به دست آ
دارد که از مقاومت مکانیکی قابل قبولی برخوردار است.
روش توث (Toth) در تهیه آلومینیوم
در این در این روش از کائولن یا خاک چینی استفاده می شود (Al2O3,H2O) عنصر کلر (Cl) و کربن (C) هرکدام جداگانه با Al2O3 میل ترکیب دارند. کربن با اکسیژن و کلر با آلومینیوم همزمان می توانند اکسید آلومین موجود در کائولن را به کمک حرارت تجزیه کنند.

3Cl2+3C+Al2O3 2AlCl3+2SiO2,3CO​

کلرید آلومینیوم در حرات تصعید می شود و پس از سرد شدن در آب حل می شود که با منگنز عمل حانشینی صورت می گیرد:

2AlCl3+3Mn 3MnCl2+2Al​

MnCl2 در آب محلول است و از آلومینیوم غیر محلول جدا می گردد. محلول MnCl2 بعداً به کمک اکسیژن کلر خود را از دست می دهد پس می توان در سیکل بسته Cl2 را دوباره به کار برد.

MnO به کمک کک در کوره احیا شده و Mn دوباره در سیکل بسته برای تولید Al به کار می رود کائولن یا خاک چینی، مبدأ شروع واکنش های مهم تولید آلومینیوم در این روش است.
تصفیه نهایی آلومینیوم
آلومینیوم به دست آمده از طریق الکترولیز مذاب درجه خلوص 9/88-5/99 درصد دارد. چنانچه آلومینیوم خالص تری در صنعت مورد نیاز باشد آن را نهایتاً باید تصفیه نمود. پروسه تصفیه، سه طبقه ای است و به نام پروسه هوپس معروف است و عناصر آلیاژی مزاحم به عنوان ناخالص در این پروسه از آلومینیوم جدا می گردند. سلول تصفیه یک ظرف مکعب مستطیل فولادی است که جداره داخلی آن به ترتیب از مواد دیر گداز منیزیم دار تشکیل شده که به آن جداره یا پوشش منگنزی می گویند. ماده یگر روی آن کربنی (دیر گداز کربنی) که کربن مذکور عنوان آند را دارد. کاتد از الکترودهای گرافیتی تشکیل شده که متحرک می باشند و فقط هنگام تصفیه وارد سلول می شوند.
الکترولیت به کار رفته در این سلول های تصفیه نمک کمپلکس Al2O3 و BaF2 و AlF با جرم مخصوص کمتر از آلومینیوم ناخالص (آلیاژی با مس و سیلیسیم) ولی زیادتر از آلومینیوم تصفیه شده است. پس الکترولیت مذاب در وسط قرار می گیرد، نمونه آلومینیوم ناخالص را لازم است تصفیه شود قبلاً با مس و سیلیسیم به صورت آلیاژ دار در می آورند و وارد سلول می نمایند. آلیاژ تهیه شده در بالای ظرف منتقل می شود. درجه حرارت حمام مذاب به 700 درجه سانتیگراد و جریان مستقیم لازم 20000 آمپر و توان لازم حدود 20 کیلووات ساعت برای یک کیلوگرم آلومینیوم است. علت اینکه در تصفیه با این روش ابتدا آلومینیوم را با مس و سیلیسیم آلیاژ می سازند این است که جرم مخصوص آن را زیاد کنند که در موقع ذوب در ته ظرف ثرار گیرد و با کربن آند در تماس باشند و با عبور جریان برق از آند به کاتد آلومینیوم خالص مذاب در بالای ظرف جمع گردد که البته در فضای دور از اکسیژن هوا بایستی صورت گیرد تا سر باره به وجود نیاید.