آلومینیوم فراوان‌ترین فلز جهان و سومین عنصر رایج است که ۸٪ از پوسته زمین را تشکیل می‌دهد. تطبیق‌پذیری آلومینیوم، آن را پس از فولاد، پرکاربردترین فلز می‌کند.
تولید آلومینیوم
آلومینیوم از بوکسیت معدنی مشتق می‌شود. بوکسیت از طریق فرآیند بایر به اکسید آلومینیوم (آلومینا) تبدیل می‌شود. سپس آلومینا با استفاده از سلول‌های الکترولیتی و فرآیند هال-هرو به فلز آلومینیوم تبدیل می‌شود.
تقاضای سالانه آلومینیوم
تقاضای جهانی برای آلومینیوم حدود ۲۹ میلیون تن در سال است. حدود ۲۲ میلیون تن آلومینیوم جدید و ۷ میلیون تن ضایعات آلومینیوم بازیافتی است. استفاده از آلومینیوم بازیافتی از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی جذاب است. برای تولید ۱ تن آلومینیوم جدید به ۱۴۰۰۰ کیلووات ساعت برق نیاز است. برعکس، تنها ۵٪ از این مقدار برای ذوب مجدد و بازیافت یک تن آلومینیوم لازم است. هیچ تفاوتی از نظر کیفیت بین آلیاژهای آلومینیوم نو و بازیافتی وجود ندارد.
کاربردهای آلومینیوم
خالصآلومینیومنرم، شکل‌پذیر، مقاوم در برابر خوردگی و دارای رسانایی الکتریکی بالا است. به طور گسترده برای فویل و کابل‌های هادی استفاده می‌شود، اما آلیاژ کردن با عناصر دیگر برای فراهم کردن استحکام بالاتر مورد نیاز برای سایر کاربردها ضروری است. آلومینیوم یکی از سبک‌ترین فلزات مهندسی است که نسبت استحکام به وزن آن از فولاد برتر است.
با بهره‌گیری از ترکیبات مختلف خواص مفید آلومینیوم مانند استحکام، سبکی، مقاومت در برابر خوردگی، قابلیت بازیافت و شکل‌پذیری، این فلز در طیف وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این طیف از محصولات، از مواد سازه‌ای گرفته تا فویل‌های نازک بسته‌بندی را شامل می‌شود.
نامگذاری آلیاژها
آلومینیوم معمولاً با مس، روی، منیزیم، سیلیکون، منگنز و لیتیوم آلیاژ می‌شود. همچنین به مقدار کم کروم، تیتانیوم، زیرکونیوم، سرب، بیسموت و نیکل نیز به آن اضافه می‌شود و آهن نیز همواره به مقدار کم در آن وجود دارد.
بیش از ۳۰۰ آلیاژ کارپذیر وجود دارد که ۵۰ مورد از آنها کاربرد رایجی دارند. آنها معمولاً با یک سیستم چهار رقمی که در ایالات متحده آمریکا سرچشمه گرفته و اکنون به طور جهانی پذیرفته شده است، شناسایی می‌شوند. جدول ۱ سیستم آلیاژهای کارپذیر را شرح می‌دهد. آلیاژهای ریخته‌گری دارای نامگذاری مشابهی هستند و از یک سیستم پنج رقمی استفاده می‌کنند.
جدول ۱.نامگذاری برای آلیاژهای آلومینیوم کارشده.
| عنصر آلیاژی | فرفورژه |
|---|---|
| هیچکدام (99٪+ آلومینیوم) | 1XXX |
| مس | 2XXX |
| منگنز | 3XXX |
| سیلیکون | 4XXX |
| منیزیم | 5XXX |
| منیزیم + سیلیکون | 6XXX |
| روی | 7XXX |
| لیتیوم | 8XXX |
برای آلیاژهای آلومینیوم کارشده بدون آلیاژ که با کد 1XXX مشخص شده‌اند، دو رقم آخر نشان‌دهنده خلوص فلز هستند. این دو رقم معادل دو رقم آخر بعد از نقطه اعشار هستند، زمانی که خلوص آلومینیوم با دقت 0.01 درصد بیان می‌شود. رقم دوم نشان‌دهنده تغییرات در حدود ناخالصی است. اگر رقم دوم صفر باشد، نشان‌دهنده آلومینیوم بدون آلیاژ با حدود ناخالصی طبیعی است و 1 تا 9 نشان‌دهنده ناخالصی‌های منفرد یا عناصر آلیاژی هستند.
برای گروه‌های 2XXX تا 8XXX، دو رقم آخر، آلیاژهای مختلف آلومینیوم در گروه را مشخص می‌کنند. رقم دوم نشان‌دهنده اصلاحات آلیاژ است. رقم دوم صفر نشان‌دهنده آلیاژ اصلی و اعداد صحیح 1 تا 9 نشان‌دهنده اصلاحات متوالی آلیاژ هستند.
خواص فیزیکی آلومینیوم
چگالی آلومینیوم
چگالی آلومینیوم حدود یک سوم فولاد یا مس است که آن را به یکی از سبک‌ترین فلزات تجاری موجود تبدیل می‌کند. نسبت بالای استحکام به وزن حاصل از آن، آلومینیوم را به یک ماده ساختاری مهم تبدیل می‌کند که امکان افزایش ظرفیت باربری یا صرفه‌جویی در سوخت را به ویژه برای صنایع حمل و نقل فراهم می‌کند.
استحکام آلومینیوم
آلومینیوم خالص استحکام کششی بالایی ندارد. با این حال، افزودن عناصر آلیاژی مانند منگنز، سیلیکون، مس و منیزیم می‌تواند خواص استحکام آلومینیوم را افزایش داده و آلیاژی با خواص متناسب با کاربردهای خاص تولید کند.
آلومینیومبرای محیط‌های سرد مناسب است. این ماده نسبت به فولاد این مزیت را دارد که استحکام کششی آن با کاهش دما افزایش می‌یابد و در عین حال چقرمگی خود را حفظ می‌کند. از سوی دیگر، فولاد در دماهای پایین شکننده می‌شود.
مقاومت در برابر خوردگی آلومینیوم
وقتی آلومینیوم در معرض هوا قرار می‌گیرد، تقریباً بلافاصله لایه‌ای از اکسید آلومینیوم روی سطح آن تشکیل می‌شود. این لایه مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی دارد. در برابر اکثر اسیدها نسبتاً مقاوم است اما در برابر قلیاها مقاومت کمتری دارد.
رسانایی حرارتی آلومینیوم
رسانایی حرارتی آلومینیوم حدود سه برابر بیشتر از فولاد است. این ویژگی، آلومینیوم را به ماده‌ای مهم برای کاربردهای سرمایشی و گرمایشی مانند مبدل‌های حرارتی تبدیل می‌کند. این ویژگی در کنار غیرسمی بودن، به این معنی است که آلومینیوم به طور گسترده در ظروف پخت و پز و وسایل آشپزخانه استفاده می‌شود.
رسانایی الکتریکی آلومینیوم
آلومینیوم در کنار مس، رسانایی الکتریکی بالایی دارد که می‌توان از آن به عنوان رسانای الکتریکی استفاده کرد. اگرچه رسانایی آلیاژ رسانای رایج (۱۳۵۰) تنها حدود ۶۲٪ مس آنیل شده است، اما وزن آن تنها یک سوم مس است و بنابراین می‌تواند دو برابر مس با وزن یکسان، الکتریسیته را هدایت کند.
بازتاب آلومینیوم
از اشعه ماوراء بنفش گرفته تا مادون قرمز، آلومینیوم بازتابنده بسیار خوبی برای انرژی تابشی است. بازتاب نور مرئی حدود ۸۰٪ به این معنی است که به طور گسترده در چراغ‌ها استفاده می‌شود. همین خواص بازتاب باعث می‌شودآلومینیومبه عنوان یک ماده عایق برای محافظت در برابر اشعه خورشید در تابستان و عایق در برابر اتلاف گرما در زمستان ایده‌آل است.
جدول ۲.خواص آلومینیوم.
| ملک | ارزش |
|---|---|
| عدد اتمی | 13 |
| وزن اتمی (گرم/مول) | ۲۶.۹۸ |
| والانسی | 3 |
| ساختار کریستالی | اف سی سی |
| نقطه ذوب (°C) | ۶۶۰.۲ |
| نقطه جوش (°C) | ۲۴۸۰ |
| میانگین گرمای ویژه (0-100 درجه سانتیگراد) (کالری/گرم درجه سانتیگراد) | ۰.۲۱۹ |
| رسانایی حرارتی (0-100 درجه سانتیگراد) (کالری/سانتی متر مکعب. درجه سانتیگراد) | ۰.۵۷ |
| ضریب انبساط خطی (0-100 درجه سانتیگراد) (x10-6/°C) | ۲۳.۵ |
| مقاومت الکتریکی در دمای 20 درجه سانتیگراد (Ω.cm) | ۲.۶۹ |
| چگالی (گرم بر سانتی‌متر مکعب) | ۲.۶۸۹۸ |
| مدول الاستیسیته (GPa) | ۶۸.۳ |
| نسبت پواسون | ۰.۳۴ |
خواص مکانیکی آلومینیوم
آلومینیوم می‌تواند بدون شکست به شدت تغییر شکل دهد. این امر به آلومینیوم اجازه می‌دهد تا با نورد، اکسترود، کشش، ماشینکاری و سایر فرآیندهای مکانیکی شکل‌دهی شود. همچنین می‌توان آن را با تلرانس بالا ریخته‌گری کرد.
آلیاژسازی، کار سرد و عملیات حرارتی، همگی می‌توانند برای تنظیم خواص آلومینیوم مورد استفاده قرار گیرند.
استحکام کششی آلومینیوم خالص حدود ۹۰ مگاپاسکال است، اما این مقدار برای برخی از آلیاژهای قابل عملیات حرارتی می‌تواند به بیش از ۶۹۰ مگاپاسکال افزایش یابد.
استانداردهای آلومینیوم
استاندارد قدیمی BS1470 با نه استاندارد EN جایگزین شده است. استانداردهای EN در جدول 4 آورده شده است.
جدول ۴.استانداردهای EN برای آلومینیوم
| استاندارد | دامنه |
|---|---|
| EN485-1 | شرایط فنی برای بازرسی و تحویل |
| EN485-2 | خواص مکانیکی |
| EN485-3 | تلرانس‌های مواد نورد گرم |
| EN485-4 | تلرانس‌های مواد نورد سرد |
| EN515 | نامگذاری دما |
| EN573-1 | سیستم نامگذاری آلیاژ عددی |
| EN573-2 | سیستم تعیین نماد شیمیایی |
| EN573-3 | ترکیبات شیمیایی |
| EN573-4 | فرم‌های محصول در آلیاژهای مختلف |
استانداردهای EN با استاندارد قدیمی، BS1470، در زمینه‌های زیر متفاوت هستند:
- ترکیبات شیمیایی - بدون تغییر.
- سیستم شماره‌گذاری آلیاژ - بدون تغییر.
- نامگذاری‌های تمپر برای آلیاژهای عملیات حرارتی‌پذیر اکنون طیف وسیع‌تری از تمپرهای ویژه را پوشش می‌دهند. برای کاربردهای غیر استاندارد (مثلاً T6151) تا چهار رقم بعد از T معرفی شده‌اند.
- نامگذاری‌های تمپر برای آلیاژهای غیرقابل عملیات حرارتی - تمپرهای موجود بدون تغییر باقی مانده‌اند، اما تمپرها اکنون به طور جامع‌تری بر اساس نحوه ایجادشان تعریف می‌شوند. تمپر نرم (O) اکنون H111 است و یک تمپر میانی H112 معرفی شده است. برای آلیاژ 5251، تمپرها اکنون به صورت H32/H34/H36/H38 (معادل H22/H24 و غیره) نشان داده می‌شوند. H19/H22 و H24 اکنون به طور جداگانه نشان داده می‌شوند.
- خواص مکانیکی - مشابه ارقام قبلی باقی می‌مانند. اکنون باید 0.2٪ تنش تسلیم در گواهی‌های آزمایش ذکر شود.
- تلرانس‌ها تا درجات مختلفی سخت‌گیرانه‌تر شده‌اند.
عملیات حرارتی آلومینیوم
طیف وسیعی از عملیات حرارتی را می‌توان روی آلیاژهای آلومینیوم اعمال کرد:
- همگن‌سازی - حذف جدایش با حرارت دادن پس از ریخته‌گری.
- آنیل کردن - پس از کار سرد برای نرم کردن آلیاژهای سخت شونده (1XXX، 3XXX و 5XXX) استفاده می‌شود.
- رسوب یا پیرسختی (آلیاژهای 2XXX، 6XXX و 7XXX).
- عملیات حرارتی انحلالی قبل از پیرسازی آلیاژهای رسوب سخت شونده.
- پخت پوشش‌ها در کوره
- پس از عملیات حرارتی، یک پسوند به شماره‌های نامگذاری اضافه می‌شود.
- پسوند F به معنی «ساخته شده» است.
- O به معنی «محصولات کارشده‌ی آنیل‌شده» است.
- T به این معنی است که «عملیات حرارتی» روی آن انجام شده است.
- W به این معنی است که ماده تحت عملیات حرارتی محلول‌سازی قرار گرفته است.
- H به آلیاژهای غیرقابل عملیات حرارتی اشاره دارد که «کار سرد» یا «سخت‌کاری کرنشی» شده‌اند.
- آلیاژهای غیرقابل عملیات حرارتی، آلیاژهای گروه‌های 3XXX، 4XXX و 5XXX هستند.
زمان ارسال: ۱۶ ژوئن ۲۰۲۱
