آشنایی با خواص و ویژگی های آلومینیوم

در صنعت، آلومینیوم پس از فولاد پرکاربردترین فلز می‌باشد. در حال حاضر بیش از ۲۰۰ آلیاژ تجاری و تعدادی آلیاژ آزمایشی در این صنعت وجود دارد که هر کدام به منظور خاصی طراحی شده‌اند و هر کدام دارای خواص ویژه‌ای هستند ولی ناگفته نماند که تمامی آن‌ها دارای یک رشته خواص مشترک هستند. در این مطلب به بررسی فرآیند تولید، کاربردها و خواص آلومینیوم پرداخته‌ایم.

فرآیند تولید آلومینیوم

در بین عناصر فلزی موجود در جدول تناوبی عناصر آلومینیوم سومین و فرآوان‌ترین عنصر موجود در پوسته‌ی زمین می‌باشد. که به دو صورت در طبیعت یافت می‌شود، ۱- آلومینیوم هیدروکسید ۲- آلومینیوم سیلیکات. ازجمله  کاربردهای مهم آن می‌توان به دو مورد اشاره کرد ۱- قابض در پزشکی ۲- ثابت کننده‌ی رنگ در رنگرزی‌ها. این عنصردر سال ۱۸۲۷ کشف شد.

عنصرهای آلومینیوم به طور غنی در آلومینیوم هیدروکسید یافت می‌شود که این شکل آلومینیوم نوعی خاک آواره است اما باید توجه داشت که ناخالصی‌هایی مانند سیلیس و اکسید تیتانیوم و آهن نیز در آن به مقداری ناچیز وجود دارد. آلومینیومی که صد و هفتاد سال پیش کشف شد آلومین نام دارد. که ماده‌ای سخت است که از اکسیژن و آلومینیوم ساخته شده است. آلومینیوم در دمای ۲۰۵۰ درجه‌ی سیلسیوس مذاب می‌شود به همین علت الکترولیز آن در صورت مذاب شده بسیار سخت است.

برای کاهش این میزان سختی آلومین را در کربولیت حل می‌نمایند همین امر باعث می‌شود دمای ذوب این مخلوط به میزان زیادی کاهش یابد و بین ۹۶۰ تا ۹۸۰ درجه‌ی سیلسیوس قرار گیرد. ترکیب حاصله را از یک جریان الکتریکی قوی عبور می‌دهند تا اکسیژن آن به طور کامل از ترکیب جدا شود. با در نظر گرفتن موارد فوق فرآیند تولید  را به طور مختصر در این قسمت شرح می‌دهیم.

آلومینیوم تولیدی در جهان امروز به دو شکل انجام می‌شود. ۱- تولید آلومینیوم توسط اکسید آلومینیوم یا آلومینا. این فرآیند تولید خود در سه مرحله تولید می‌گردد. مراحل عملیاتی روی سنگ معدن بوکسیت صورت می‌گیرد سپس مراحل استحصال را داریم و در نهایت فرآیند احیا. طی فرآیندهای شیمیایی سنگ بوکسیت در کارخانه‌های تولیدی آلومینا به اکسید آلومینا تبدیل می‌شود. مذاب این عنصر به کمک کوره‌های احیاء و روش هال-هرولت همچنین قطب‌های مثبت و منفی به منظور عبور جریان برق از محلول آلومینا در کریولیت مذاب تولید می شود و در مجموع در طی این فرآیند مواد زیر حاصل می‌شود. ۴ تن بوکسیت، ۲ تن آلومینا و ۱ تن آلومینیوم.  ۲- تولید آلومینیوم توسط آلومینیوم بازیافتی.

نمایی از کارخانه‌ی تولید کننده‌ی آلومینیوم | آلومینیوم؛ کاربردها، خواص و فرآیند تولید
 

کاربردهای آلومینیوم
این عنصر در تمامی بخش‌های صنعت اهمیت ویژه‌ای دارد و از نظر ارزش و کیفیت پرکاربردترین فلز بعد از فلز آهن می‌باشد. این عنصر با اینکه کاملا خالص، ضعیف و نرم می‌باشد با این حال می‌تواند آلیاژهایی را با ترکیب شدن با عناصری مانند منگنز، سیلیکون، منیزیوم ایجاد کند. آلیاژهای ایجاد شده توسط آلومینیوم از اجزای بسیار مهم تشکیل دهنده‌ی راکت‌ها و هواپیماها می‌باشند. از کاربردهای دیگر این عنصر می‌توان به درب و پنجره‌ی ساختمان‌ها، بسته‌بندی قوطی‌ها، کالاهای با دوام مانند وسایل برقی اشاره نمود. قیمت لوله آلومینیومی و سایر محصولات این جنس، بسته به حساسیت ساخت آن‌ها با توجه به محل کاربردشان، در برندهای مختلف است.

خواص آلومینیوم
این عنصر فلزی سبک و نرم است. رنگ آن خاکستره‌ای – نقره‌ای مات است. مانع زنگ‌زدگی می‌شود. وزن آن بسیار کم است به طور تقریبی یک سوم وزن مس و فولاد را دارد. به راحتی خم می‌شود. انعطاف‌پذیر و چکش‌خوار نیز می‌باشد. با وجود اینکه خیلی راحت خم می‌شود اما دوام زیادی نیز دارد. در قسمت زیر به بررسی برخی ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی می‌پردازیم. آلومینیوم به دلیل دارا بودن برخی خواص در میان سازندگان و مصرف‌کنندگان مورد توجه قرار گرفته است. برخی آلیاژ های این عنصر که هر کدام به اختصار شرح داده می‌شود.

مقاومت زیاد در مقابل خوردگی:  آلومینیوم خالص وقتی در مجاورت هوا قرار می‌گیرد سریع با اکسیژن هوا واکنش نشان داده  و بلافاصله با یک لایه اکسید آلومینیومی پوشیده می‌شود که این لایه پوششی مانع از خوردگی می‌گردد . اگر در اثر سائیدگی این لایه کنده شود مجدد تشکیل می‌شود .بنابراین توصیه می‌شود سطح آلومینیوم را در محیط‌های گوناگون مانند آب دریا و هوای مرطوب اکسید نمایند.
نسبت استحکام به وزن : مهندسین سازه در ساخت هر وسیله پروازی در صنایع هوا فضا با مسئله کاهش وزن بدون کاهش استحکام وسختی سازه مواجه هستند به این معنی که سازه بسیار سبک اما با استحکام بسیار بالا باشد. این موضوع مهم از دو طریق انجام پذیر می‌شود. ۱-بکارگیری فلزات یا موادی با نسبت استحکام به وزن بالا ۲-طراحی ساختارهای سازه‌ای با نسبت استحکام به وزن بالا. به طور مثال مهندسان برای ساخت هواپیما نمی‌توانند در همه اجزا از فلزات سنگینی مثل فولاد استفاده کنند. اگرچه استحکام فولاد خیلی بالا است  ولی اگر یک هواپیمای مسافربری به طور کامل از فلزی مثل فولاد ساخته شود،  شاید بجای ۲۰۰ نفر مسافر  بیشتر از ۲۰ نفر رو نتواند حمل کند. برای همین آلیا‌ژهای آلومینیوم و مواد مرکب انتخاب مناسب‌تری برای سازه بعضی از قسمت‌های هواپیما هستند، یعنی موادی با وزن کم ولی استحکام بالا.

این مزیت سبب شده است تا آلومینیوم در صنایع خودروسازی، دفاعی و نظامی، هوا- فضا، ساختمانی ، حمل‌و‌نقل و بسته‌بندی کاربردهای گوناگونی را پیدا کند.
هدایت الکتریکی زیاد : بعد از نقره ، مس و طلا بالاترین هدایت الکتریکی را دارد، پس چنین به نظر می‌رسد که مس برای هادی‌های الکترکی بر این ماده ترجیح داده شود ولی در یک حجم مساوی، آلومینیوم پرعیار حدود ۶۲ درصد الکتریسته را از خود عبور می‌دهد
هدایت حرارتی زیاد: به غیر از هدایت الکتریکی، این ماده هدایت حرارتی ( رسانندگی گرمایی ) بالایی دارد و به خوبی می‌تواند حرارت  را انتقال دهد. ساخت ظروف آشپزخانه آلومینیومی و  مبدل‌های حرارتی آبی و روغنی مهم‌ترین مورد استفاده هدایت حرارتی بالای این ماده  است .
قابلیت انعکاس نور و حرارت : قابلیت انعکاس نور فلزات بیش‌تر به شرایط سطح فلز و صیقلی بودن آن بستگی دارد . آلیاژهای سخت  این ماده را می‌توان با درجه بالایی پرداخت نمود  به‌طوری‌که تا ۹۰ درصد نور تابشی را منعکس نماید که این نوع انعکاس را آینه‌ای می‌نامند . برخلاف انعکاس نور، انعکاس حرارت در فلزات یک خاصیت ذاتی می‌باشد و به سطح فلز بستگی ندارد. این ماده از جمله فلزاتی است که این انعکاس را به دلیل ماهیت ذاتی خود به خوبی انجام می‌دهد و دلیل استفاده ورق‌‌های آلومینیومی در شیروانی‌ها و عایق‌ها  است. قیمت ورق آلومینیوم، با توجه به ویژگی‌هایش در برندهای مختلف، متفاوت است.
خاصیت غیر مغناطیس بودن: به منظور ساخت آلیاژ آلومینیومی برای استفاده‌های الکترونیکی و الکتریکی مانند: سخت‌افزارهایی با فشار زیاد، تجهیزات به کار رفته در قطب‌نماهای مغناطیسی و وسایل حساس به مغناطیس.
شکل پذیری با روش های مختلف: باتوجه به محصول نهایی می‌توان  برای شکل دادن این عنصر از هر کدام از روش های  نورد، اکسترود کردن، کشش و دایکست استفاده کرد .

کابل آلومینیومی زمینی از پرمصرف ترین سیم و کابل ها در صنابع مختلف است که با استفاده از آلومینیوم، این فلز ارزشمند تولید میشود.

همچنین امکان انجام کلیه کارهای تزئینی و سطحی مثل برس زدن، پرداخت کردن، زنگ زدن بر روی آن وجود دارد . این ماده به سادگی به صورت لوله، میله، صفحه، فویل و قطعات ریختگی با اشکال مختلف در می‌آید.
استحکام بالا در دمای منفی: بسیاری از فلزاتی که در درجه حرارت محیط و بالاتر دارای استحکام زیادی هستند در درجه حرارت پایین استحکامشان کاهش یافته و شکننده می‌شوند در حالی که استحکام این ماده با کاهش دمای آن افزایش می‌یابد. یکی از موارد مصرف آن استفاده جهت حمل و نقل متان مایع از طریق دریا می‌باشد که به دلیل  استحکام بالای آن در دمای پایین  است .

قیمت بالای ضایعات و قراضه: این قراضه دارای قیمتی در حدود نصف الی ۳/۱ قیمت اولیه خود را دارد در حالی که  این کسر در قراضه‌های فولادی تا  ۸/۱ هم می‌رسد.
سمی نبودن: در نتیجه این ویژگی از آلومینیوم در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی استفاده می‌شود همچنین آلومینیوم سطحی صاف و غیر متخلخل دارد که از جذب مواد خارجی و باکتری‌ها جلوگیری می‌کند. آلومینیوم می‌تواند در تماس بسیار نزدیک و فشرده با مواد غذایی قرار گیرد بدون اینکه بر روی طعم ، رنگ و بوی آن تاثیر بگذارد.
اتصال آسان: در واقع تعداد بسیار محدودی روش اتصال وجود دارد که نمی‌توان در مورد این ماده به کار برد. آلومینیوم با کلیه روش‌هایی مانند پیچ و مهره ، لحیم کاری، جوشکاری، پرچ و اتصال چسبی اتصال می‌یابد.