شرايط ريخته گري آلياژهاي Al

سيستم راهگاهي:
ايجاد سيستم راهگاهي و تغذيهگذاري در ريختهگری Al از دير باز به عنوان عامل موثر در ايجاد قطعه سالم شناخته شده است. قابليت اكسيداسيون و جذب گاز در شرايط مختلف، حركت مذاب و تلاطم آن را تشديد ميكند و بخصوص فعل و انفعالات ناشي از مواد قالب در سطح قطعه ريختگی، توليد تخلخل (Porosity) مينمايد و همچنين دخول گازهاي ناشي از تلاطم مذاب باعث پرشدن قالب و ايجاد محفظه های هوا در سطح قطعه می گردد. لذا، ايجاد سيستم راهگاهي مطلوب در حذف تلاطم مذاب و ايجاد حركت آرام و يكنواخت مذاب در پر كردن قالب و نصب سيستم تغذيه گذاري صحيح در جهت حذف انقباضات متمركز و پراكنده در قطعه ريختگی الزامي است .

چنانچه مذاب مستقيماً به دهانه راهگاه ريخته شود، سرعت خطي آن افزايش مي يابد و در نتيجه تلاطم مذاب و حركت گردابي آن تشديد ميگردد و باعث دخول گاز، تخريب و دخول مواد قالب واكسيد های فراوان به قطعه ريختگی خواهد شد، از اين رو ساختن حوضچه بالاي راهگاه به صورتهای مختلف قيفي ويا مكعبي الزاميست. در مورد قطعات ريختگی با كيفيت بسيار خوب، حوضچه بالايي ميتواند همراه با مانع و فيلترهای مشبك بكار رود. در ريختهگری آلياژهای Al ، طويل نمودن حوضچه ويا ساير اجزاء سيستم راهگاهي در جهت حذف تلاطم مذاب در حد امكان، توصيه مي شود.

سيستم تغذيه گذاري:
اصولاً سيستم تغذيهگذاري براي تصحيح انجماد Al و براي حل دو مسئله اساسي بكار ميرود:

الف)جلوگيري از انقباضات بزرگ:
محفظه های انقباضي وكشيدگي تغذيه كه معمولاً در قسمتهاي ضخيم قطعه پديد ميآيد.
ب)جلوگيري از انقباضات ميكروسكوپي و پراكنده: كه بخصوص هسته های مناسبي براي رشد گازهاي مولكولي هستند.

Al و آلياژهای آن، انقباض حجمي زيادي در فاصله انجماد دارند و از اينرو در مقايسه با ساير آلياژها به تعداد تغذيههای بيشتر و بزرگتري نياز دارند و بالطبع راندمان ريختگی قطعات Al پايين تر از ساير آلياژها و برحسب وزن قطعه برابر 45-25 درصد معمولي است. در مورد اندازه منبع تغذيه هنوز مطالعات زيادي در حال انجام است ولي طبيعتاً بايستي اندازه تغذيه به گونهاي باشد كه مذاب درون آن زمان بيشتري را طي كند و همچنين اصول جهت انجماد از قسمت های ديگر به منبع تغذيه كاملاً رعايت شود.

با وجود آنكه به سهولت و با محاسبات ساده، جبران كمبودهای ناشي از انقباض در فاز جامد، در مورد انقباضات متمركز امكانپذير ميباشد، حذف انقباضات پراكنده، به دليل دامنه انجماد طولاني آلياژهای Al و انجماد خميري آنان دشوار و گاه غيرممكن است. تعقيب شيب حرارتي از قسمتهای مختلف قالب و استفاده از مبرد و ايجاد جهت انجماد اكيداً توصيه ميشود ولي حذف كامل اين انقباضات به دليل انجماد خميري و همچنين در اثر وجود گاز های حل شده در مذاب بطور كلي امكانپذير نيست.

در رابطه با انتخاب محل تغذيه، در آلياژهای Al كمتر از تغذيه اتمسفري استفاده میشود و تغذيه های فوقاني كه ماكزيمم نيروهاي متالواستاتيكي را در قسمتهاي تحتاني مذاب ايجاد ميكنند، استفاده زيادي دارند. در اين مواقع به محل اتصال تغذيه توجه ميشود. نكات حائز اهميت در انجماد اتصالات، بايستي مراعات شود؛ چون در غير اين صورت هميشه در سطح فوقاني قطعه ريختگی، انقباضات و شكستگيهای گرم و سرد پديدار میگردد .

بررسي فرايند تصفيه در مذاب Al :
تصفيه فلز مايع به يكي از فرايندهای ضروري در توليد فلزات خالصتر تبديل شده است. اين موضوع خصوصاً در صنعت آلومينيم كه با افزايش تقاضا براي كيفيت بالاي محصولات روبرو است، صادق است. تصفيه آلومينيم به عنوان آخرين تكنيك خالصسازي مورد استفاده قبل از ريختهگري فلز بسيار گسترش يافته است وضرورت تحقيقات بيشتر بر روي اين فرايند احساس میشود. خارج كردن ناخالصيهای جامد سياليت فلز را بهبود ميبخشد و در نتيجه قابليت ريختگی را زياد ميكند. بعلاوه، ساختار بدست آمده منجر به خواص مكانيكي مطلوب میشود، مثلاً استحكام و انعطافپذيري افزايش و قابليت شكلپذيري و ماشينكاري بهبود مييابد، همچنين فلز بدون ناخالصي ساييدگي ابزار را كم ميكند؛ اما فرايند تصفيه، فرايندي ناپايدار است يعني با زمان تغيير ميكند.

اين موضوع به دليل آن است كه ذرات گير افتاده درون فيلتر، خواص فيلتر را تغيير ميدهند و به اصطلاح" پيري فيلتر" رخ ميدهد. پژوهشهای بسياري بر روي پيري فيلتر و همچنين تغييرات بازده تصفيه و افت فشار در هنگام رسوب ذرات درون فيلترهای سراميكي مشبك مورد استفاده در تصفيه مذاب آلومينيم، انجام شده است. در مطالعات گرفته به اين نتيجه رسيدهاند كه از زماني كه ذرات درون فيلتر وارد می شوند، پيري فيلتر آغاز ميشود و ساختار دروني فيلتر در نتيجه تجمع پيوسته ذرات گيرافتاده، تغيير ميكند.
در طي اين فرايند، متغيرهايي چون تخلخل فيلتر، قطر معادل شبكه فيلتر يا سطح مخصوص نيز با زمان تغيير ميكنند. بسته به چگونگي انباشتگي ذرات، تاثير آنها متفاوت است. اگر ذرات بصورت يكنواخت در بافت فيلتر رسوب كنند، باعث افزايش قطر شبكه و اثر منفي بر بازده تصفيه ميشوند؛ اما اگر ذرات بصورت دندريتي و خوشهاي تجمع يابند، اثر مطلوبي بر بازده تصفيه خواهند گذاشت زيرا خوشههای دندريتي بعنوان بافتهای فيلتر جديد با قطري كمتر از قطر شبكه در حالت قبل عمل ميكنند.

ميدانيم كه سه مدل براي رسوب ذرات ناخالصي بر بافت فيلتر وجود دارد:
مدل پوشش صاف، مدل دندريتي و مدل صرفاً تغيير تخلخل. مشاهداتي كه روي فيلترهای مصرف شده در تصفيه آلومينيم صورت گرفته، نشان ميدهد كه ذرات بصورت توده درون فيلتر گيرافتادهاند و بيانگر آن است كه مدل "صرفاً تغيير تخلخل" براي توصيف فرايند هايي كه درون فيلتر حين عمل تصفيه مذاب آلومينيم رخ ميدهد، مناسبتر است. نتايجي كه بر پايه مدل صرفاً تغيير تخلخل بدست ميآيد، بيانگر آن است كه گراديانهای فشار از دهانه ورودي تا خروجي فيلتر تغيير ميكنند و بيشترين گراديان در دهانه ورودي فيلتر وجود دارد. در همه شرايط، گراديان فشار با گذشت زمان و با افزايش غلظت ذرات ورودي، زياد ميشود. نرخ اين تغييرات از ورودي تا خروجي كاهش مييابد؛ البته تغييرات فوق براي دوساعت تصفيه و غلظت ذرات كمتر از 1ppmبسيار ناچيز و اندك است؛ اما هنگامي كه غلظت ذرات به 10ppm ميرسد، اين تغييرات محسوس ميشود.

نكته قابل توجه ديگر در حركت مذاب، عدم تلاطم و جريان آرام سيال، حين پر كردن قالب است. با توجه به آنكه داشتن اطلاعات مربوط به خواص سيلاني مذاب و علي الخصوص افت فشار مذاب در سيستم فيلتر، جهت پيش بيني رفتار مذاب و سرعت خروجي مذاب از سيستم فيلتر مفيد ميباشد،تاثير فيلتر در كاهش نرخ جريان و چگونگي حضور فيلتر در داخل سيستم راهگاهي سوال برانگيز بوده است . در بخشي از تحقيقاتي كه توسط آقاي دكتر حبيبالهزاده و پروفسور جان كمپل انجام شده است، چگونگي سيلان آلياژهای Al_Si در داخل سيستم خاصي از فيلتر، شامل ورودي و خروجي مذاب، تله حبابگير و فيلتر سراميكي- اسفنجي با تخلخل 20ppi و با بكارگيري دستگاه فيلمبرداري با اشعه ايكس مطالعه گرديده است.
عدد رينولدز بدست آمده در اين پژوهش حدوداً صد برابر كمتر از عدد مورد نياز براي حضور جريان آشفته بوده و حاكي از جرياني بسيار آرام و لايهاي در فيلتر ميباشد. در خارج از فيلتر نيز، عدد رينولدز بدست آمده، دلالت بر حضور جرياني نسبتاً لايهاي دارد.

نتايج بدست آمده حاكي از آن است كه:
سيستم فيلتر صحيح ميتواند براحتي شدت جريانهای متلاطم مذاب را تخفيف بخشد، و باعث افت فشار در جريان مذاب بدليل تبريد و اصطكاك فيلتر شود و در نتيجه ميزان عيوب ريختگي را در قطعه كاهش دهد؛ اما بايد به اين نكته نيز توجه كرد كه ميزان افت فشار و كاهش شدت جريان باعث عيب نيامد در قطعه نشود.

آلياژهای Al در اولين مرحله به دو دسته تقسيم ميگردند:

١- آلياژهای نوردي
٢- آلياژ های ريختگی
آلياژ ريختگیAl از طرق مختلف ريختگری (ماسه اي،پوسته اي ،فلزي،تحت فشار)شكل ميگيرند و بطورمستقيم و يا بعد از عمليات حرارتي در صنعت استفاده می شوند . مواد مختلفي كه در ريختگری آلياژهاي Al بكار ميروند، بر اساس نوع تركيب خواسته شده و شرايط ترموديناميكي عبارتند از: شمشهای اوليه، شمش های دوباره ذوب، قراضهها، برگشتيها، و آلياژسازها.

تفاوت عمده بين شمش های اوليه و شمش های دوباره ذوب آن است كه شمش های اوليه كه از كارخانجات ذوب بدست مي آيند حاوي مقادير زيادي ناخالصي و گاز مي باشند كه تاثير منفي و نامطلوب در قطعه ايجاد مي كنند، در حالي كه شمش های ثانويه در اثر خروج ناخالصي ها و ساير موارد (بر اساس تصفيه)از كيفيت تركيبي برتري برخوردار ميباشند.در ريختهگری آلياژهای Al، بسياري از عناصر به صورت ناخالصيهای فلزي، تركيبات بين فلزي، گازهاو اينكلوژنها از منابع متنوع و متعدد به مذاب افزوده ميشود كه در صورت عدم كنترل دقيق برآنها ويا انجام عمليات خاص جهت حذف اين مواد ويا تقليل خواص مضر آن، آلياژ ريخته شده از كيفيت مطلوب برخوردار نخواهد بود. وجود مواد اكسيدي، حبابهاي گازي، و درشت بودن شبكه از جمله مسائلي است كه در ذوب Al همواره مورد توجه و بررسي قرار مي گيرد.

عمليات كيفي درمذابAl به دسته های مختلف تقسيم ميگردد:
١- كيفيت تركيب
٢- گاززدايی ( با گازهاي بي اثر،با كلرو تركيبات قابل تبخير آن و يا به روش ذوب در خلاء)
٣- اكسيژن زدايي (خارج كردن مواد غير فلزي با فلاكس ها).

به دليل اشكالات متالورژيكي ناشي از مصرف فلاكسها، سيستم فيلتر كردن در صنايع Al توسعه روزافزون يافته است و اين امر با استفاده از مواد متخلخل در سيستم راهگاهي و يا در مخازن نگهداري مذاب و يا در سيستمهاي فيلتر مجزا انجام ميگيرد كه هر يك در نوع خود از مزايا و محدوديت هايي برخوردار است .

ساختمان ريختگي آلياژ های Al:
ساختمان ريختگی آلياژهای Al دقيقاً به كليه اعمال اساسي و كيفي در جريان ذوب و ريختهگری Al و انجماد آن بستگي داردكه بخصوص در مورد آلياژ های نوردي و آلياژهايي كه عمليات حرارتي معيني را پذيرا ميشوند، مختصات نهايي و خواص عمومي آلياژها به ساختمان قطعه پس از انجام عمليات بعدي نيز وابستگي شديد دارد.

بديهي است ساختمان كريستالي ريز و يكنواخت، خواص مكانيكي مطلوبتر و اشكالات كمتري را ايجاد مينمايد و در اين ميان تاثير سرعت سرد كردن از اهميت ويژهاي برخوردار است . در قطعات ريختگی با مقاطع يكنواخت تحت درجه حرارت بارريزي ثابت، شبكه كريستالي در قالب های ماسه اي، فلزي و تحت فشار به ترتيب ريزتر و يكنواختتر ميگردد. قطعاتي كه مقاطع يكنواختي ندارند، با ايجاد مبرد در ماسه و تغيير سرعت سرد كردن در مقاطع مختلف به شبكه يكنواخت دست مي يابند كه نهايتاً زمان انجماد در تمام مقاطع يكسان می گردد و در اين حالت، استفاده از منابع تغذيه براي جلوگيري از شكستگي های گرم و رفع كسريهای ناشي از انقباض مورد توجه قرار ميگيرد.

تعداد كانال های فرعي در توزيع يكنواخت حرارت، عامل بسيار مهمي است و از اين رو استفاده از چند كانال فرعي در انجماد يكنواخت آلياژ تاثير خوبي دارد.

از آنجا كه فاصله انجماد، شديداً تحت تاثير نوع آلياژ ميباشد، براي حذف مشكلات مربوط به فاصله انجماد زياد و نوع انجماد خميري، حتيالمقدور بايستي قطر متوسط قطعه يا شمش را كاهش داد و در عين حال نيز از عوارض ناشي از سگرگاسيون تركيبات بين فلزي در حد امكان جلوگيري نمود. از طرف ديگر ابعاد كوچكتر شمش باعث تقليل تخلخل و حباب های ناشي از وجود گاز هيدروژن در قطعه ميگردد كه اين امر نيز ناشي از افزايش سرعت سرد كردن است .

مشخصات قالب :
آلياژهای Al با كليه روشهای مختلف ريختهگری (در ماسه، در گچ، پوستهاي و در سراميك)و در قالب های فلزي و تحت فشار قابليت ريختهگری دارند. تمام آلياژهای صنعتي و تجارتي اين عنصر بايكي از طرق فوق توليد ميگردد كه از آن ميان، ريختهگری در ماسه، در قالب های فلزي و تحت فشار از گسترش بيشتري برخوردار است . به دليل نقطه ذوب و وزن مخصوص كم اين آلياژها، قالب های مورد استفاده كمتر تحت تاثير واكنشهاي حرارتي و هيدروستاتيكي مذاب قرارمي گيرند و از اين رو سطح ريختگی و دقت ابعادي آن از كيفيت بهتري نسبت به ساير آلياژهای سنگين و آهني برخودار است. لازم به تذكر است كه روش ريختگی و كنترل شرايط ريختگی در خواص مكانيكي محصول نهايي از اهميت ويژهاي برخوردار است و فقط تركيب شيميايي آلياژ نميتواند خواص مكانيكي و فيزيكي را تعيين كند.

نكته حائز اهميت در ريختهگری با قالبهای ماسهاي آن است كه وزن مخصوص كم آلياژهای Al و كاهش نيروهاي هيدروستاتيكي و شرايط تسهيلي خروج گازها از محفظه قالب باعث ميشود كه مقاومت در حالت تر ماسه كم شود. جهت تقليل توليد گاز و همچنين استحكام كم قالب، رطوبت از ۵% تجاوز نمي كند و در غير اين صورت بخار ناشي از فعل و انفعالات رطوبت قالب و مذاب باعث ايجاد تخلخل بخصوص در پوسته خارجي و قسمتهاي نزديك به پوسته ميگردد. براي ايجاد قابليت نفوذ در ماسه و استحكام سطح آزاد ماسه (در قطعات بزرگ) معمولاً مواد سلولزي و خاك اره به ماسه ميافزايند. در شرايط عمومي، قالبهای ماسه از«ماسه سوزي» و فعل و انفعالات شديد مذاب و قالب بركنار مي باشند و به همين دليل در اين قالبها هيچ گونه مواد پوششي(Coatings) بكار نمي رود.

ايجاد سرعت انجماد و تشكيل انجماد پوستهاي، ميتواند به مقدار زيادي از فعل و انفعالات قالب و فلز مذاب جلوگيري كند و در نتيجه در اغلب كارگاهها با افزايش رطوبت ماسه به ميزان ٨%، جهت انجماد و انجماد پوسته اي را تسهيل مي كنند. با توجه به توضيحات فوق، ريختهگری در ماسه خشك در صنايع ريختهگری Al از اهميت كمتري برخوردار است و فقط در مورد قطعات بزرگ بكار ميرود.

ريزكردن دانه هاي هايپر يوتكتيك آلومينيم – سيليسيم:

آلياژهاي آلومينيم را با استفاده از سديم ظريف و يكنواخت ميكنند كه با وجود تاثير متفاوت نسبت به عمل ريز كردن و پخش يكنواخت را در اين آلياژها بخوبي انجام ميدهد و خواص مكانيكي و مقاومت به ضربه آلياژ را شديدا بالا ميبرد ميزان سديم مصرفي نبايد از 15% درصد تجاوز نمايد زيرا سديم مازاد تبخير شده و حبابهاي گازي فراواني را در آلياز پديد ميآورد.

تيتانيم به ميزان حداكثر 15% درصد نيز براي كليه آلياژهاي آلومينيم به استثناء آلياژهايي كه حاوي بيش 9% درصد سيليسيم ميباشند تاثير ظريف كنندگي مطلوبي دارد. پس در آلياژ هايپر يوتكتيك آلومينيم – سليسيم با شرط كمتر از 9% سيليسيم تيتانيم يكي از عوامل ريز كننده خوب محسوب ميشود و ميتوان بجاي سديم از تيتانيم نيز استفاده كرده.

نحوه توليد آلياژ هايپر يوتكتيك آلومينيم – سيليسيم كاربردي ندارد و يا بوسيله سديم كه براي تمام آلياژهاي آلومينيم – سيليسيم اعم از هيپوتيوتكتيك و هايپر يوتكتيك مورد استفاده قرار ميگيرد. پس از ظريف كردن دانهها كوره را خاموش كرده و مذاب ريزي را انجام ميدهيم سپس نتيجه كار خود را به وسيله متالوگرافي مشاهده خواهيم كرد.

ابتدا آميژان يوتكتيك آلومينيم – سيليسيم كه با تركيب 13% سيليسيم ميباشد درون پاتيل قرار ميدهيم و مقداري آلومينيم به مقدار دلخواه ( بسته به نوع و خواص مكانيكي و كاربرد آلياژ ) درون كوره همراه آميژان قرار ميدهيم تا درصد آلومينيم در آلياژ بيشتر از 87% شود و آلياژ تبديل به عايپر يوتكتيك گردد البته قبل از انكه كوره را روشن كنيم درصد تلفات را نيز محاسبه ميكنيم و بر مقدار آلياژ ميافزائيم سپس كوره را روشن كرده و صبر ميكنيم تا ذوب آماده شود سپس بوسيله قرصهاي دگازور ( هگزاكلرواتان ) مذاب را گاززدايي كرده و عمل فلاكسينگ را انجام ميدهيم سپس با توجه به مواد در دسترس از تيتانيم كه فقط براي آلياژهاي هايپر مورد استفاده قرار ميگيرد

گاززدايي:
گازهاي محلول در مايع بعد از انجماد بدليل تنش سطحي مذاب و عدم امكان خروج كامل بصورت حبابهايي با اندازههاي مختلف در قطعه ريخته شده باقي ميماند كه خواص مكانيكي و وزن مخصوص قطعه را شديدا كاهش ميدهند در مورد ذوب آلياژهاي آلومينيم ، هيدروژن تنها گازي است كه بصورت محلول در مايع و حباب در جامد ظاهر ميگردد و از اين رو عمليات گاززدايي ( هيدروژن زدايي ) در ذوب آلومينيم و آلياژهاي آن از اهميت خاص برخوردار است ميزان حلاليت هيدروژن در مذاب آلومينيم به درجه حرارت و فشار خارج نسبت به فشار داخل بستگي دارد و همين امر پايه و اساس گاززدايي را تشكيل ميدهد لذا كنترل درجه حرارت كه براي اجتناب از جذب گاز كه بايد حداقل ممكن باشد اولين عاملي است كه در جريان ذوب مورد توجه قرار ميگيرد معمولا درجه حرارت مذاب راc ْ740 ، c ْ720 اختيار ميكنند تا علاوه بر تحديد حلاليت گاز از سياليت نسبتا مناسب و يسكوزيتي كم برخوردار باشد كه به سه دسته تقسيم ميشود:

1- ذوب در خلاء (فشار كم)

2- گاززدايي با گازهاي بياثر

3- گاززدايي با كلروتركيبات قابل تبخير آن كه بهترين روش موثر در هيدروژنزدايي آلومينيوم مذاب استاده از كار ميباشد نكته قابل توجه آن است كه براي انجام عمل دگازين و خروج تركيبات غيره فلزي كلروره از مذاب بر اساس رابطه استوك 5 دقيقه اختلاف بين زمان ريختن و عمل گاززدايي الزاميست. بديهي است كه در كورههاي بزرگ اين زمان تا 15 دقيقه نيز افزايش مييابد.

فلاكسينگ:

فلاكسها موادي هستند كه براي افزايش كيفيت مذاب و تقليل مواد تركيبي (غيرفلزي) بدون تغيير كلي در تركيب آلياژ و با اندكي تغير بكار ميروند. چگونگي فعل و انفعال فلاكس و مذاب و چگونگي خروج اكسيدها از آن هنوز مورد ترديد و بحث ميباشد زيرا پايداري اكسيد آلومينيوم مانع از آن است كه خروج اين عنصر از مذاب به سهولت خروج اكسيد آهن و اكسيداسيون انجام پذيرد. در ميان نظرات مختلف تركيبي شيميايي و مكانيكي نظريه وست (west) از همه قويتر ميباشد. مبني بر اينكه فلاكسها در فصل مشترك تركيبات و مذاب قرار گرفته و بسهولت آلومينيوم، سيلسيم كاربردي ندارد و بوسيله سديم كه براي تمام آلياژهاي آلومينيوم سيلسيم اعم از هيپويوتكتيك و هايپر تكتيك مورد استفاده قرار ميگيرد.
پس از ظريف كردن دانهها كوره را خاموش كرده و مذابريزي را انجام ميدهيم سپس نتيجه كار خود را بوسيله متالوگرافي مشاهده خواهيم كرد.

فلاكسها و كاربرد آنها بسيار متنوع ميباشد و تقسيم بنديهاي مختلفي در مورد آنان انجام گرفته كه دكتر جلال حجازي تقسيم بندي زير دارد در مورد آلياژهاي آلومينيوم مناسب دانسته:

1- احياكننده ها

2- فلاسكهاي گازي

3- فلاكسهاي جامد محلول و يا نمكها

آلياژهاي ريختگي آلومينيم:

آلومينيم از متنوعترين فلز در ميان فلزات ريختگي متداول است به طوريكه كه حدود 20% از محصولات ريختگي در دنيا به اين فلز اختصاص دارد. به عنوان مثال، در آمريكا اين رقم به 15% در انگليس و آلمان غربي 23% در ژاپن 27% در فرانسه 29% و در ايتاليا به 27% بالغ ميگردد. اين اختلافها عمدتاً به خاطر مصرف بيشتر قطعات ريختگي آلومينيم براي كاربردهاي حمل و نقل در اروپا و ژاپن در مقايسه با آمريكا ميباشد.

متداولترين فرآيندهاي مورد استفاده در ريختهگري آلومينيم و آلياژهاي آن عبارت از ريختهگري در ماسه، ريختهگري در قالبهاي دائمي تحت نيروي ثقل و ريختهگري تحت فشار ميباشد. در فرآيند ريختهگري در قالبهاي ماسهاي، فلز مذاب تحت نيروي وزن خود قالب را پز ميكند، در حالي كه در قالبهاي دائمي، قالب ممكن است هم در اثر نيروي وزن مذاب پر ميشود و يا با استفاده از فشار كم هوا يا گاز ديگر، مذاب به داخل راهگاه و قالب تغذيه گردد. در ريختهگري تحت فشار آلومينيم مذاب تحت فشار بالا بوسيله يك پيستون هيدروليكي به داخل قالب فولادي تغذيه ميگردد. مقطع نظر از سبك بودن مزاياي ويژه آلياژهاي آلومينيم براي ريختهگري شامل دماي گداز نسبتاً پايين، انحلال بسيار كم و قابل گذشت گازها به جز هيدروژن، و سطح تميز و خوب قطعات توليد ميباشد. همچنين اغلب آلياژهاي آلومينيم، انقباض نسبتاً بالاي اين آلياژها در ضمن انجماد ميباشد. (معمولاض 5/8 – 5/3%) براي جلوگيري از بروز مسائل ناشي از انقباض از قبيل دقت ابعادي، تركهاي گرم، تنشهاي باقيمانده و مكهاي انقباضي، بايستي دقت و توجه لازم در طراحي قالب و سيستمهاي راهگاهي و تغذيه به عمل آيد.

مشابه آلياژهاي كارپذير آلومينيوم بعضي از آلياژهاي ريختگي آلومينيوم نيز قابل عمليات حرارتي ميباشد. قابل ذكر است كه قطعات توليد شده به طريقة ريختهگري تحت فشار معمولاً تحت عمليات محلولي قرار نميگيرد. زيرا انبساط هواي باقيمانده در قطعات توليد شده به طريقه ريختهگري تحت فشار معمولاً تحت عمليات محلولي قرار نميگيرد. زيرا انبساط هواي باقيمانده در قطعه در ضمن فرآيند ريختهگري ممكن است منجر به ايجاد تاولهايي در قطعه ريختهگري گردد. به علاوه امكان اعوجاج قطعه در اثر آزاد شدن تنشهاي باقيمانده نيز وجود دارد.

به طور معمول كليه خواص مكانيكي قطعات ريختگي ( به جز خرش) نسبت به محصولات كارپذير آلياژهاي آلومينيوم پستتر بوده و همچنين تغييرات اين خواص در داخل يك قطعه معين در مورد محصولات ريختگي خيلي بيشتر است.

طبق روش معمول براي اندازهگيري خواص كششي قطعات ريختگي، نمونههاي مجزا بصورت ميله ريختهگري شده مورد استفاده قرار ميگيرد، لذا بايستي اين نكته مد نظر قرار گيرد كه نتايج بدست آمده فقط به عنوان يك راهنما تلقي گردد. خواص واقعي حتي يك قطعه ساده ريختگي ممكن است 25-20% كمتر از مقادير به دست آمده از آزمايش روي نمونههاي ميلهاي شكل باشد.

براي حصول اطمينان بيشتر در به دست آوردن سطح معيني از خواص مكانيكي در قطعات ريختگي واقعي، مفهوم كيفيت تضميني در مورد قطعات ريختگي تعريف شده است كه معرف يك پيشرفت عمده در صنعت ريختهگري ميباشد. مشخصات چنين قطعات ريختگي ايجاب ميكند كه حداقل سطح خواص مكانيكي تضمين شده در هر يك از قسمتهاي خواص مكانيكي كه در گذشته است. نيافتني به نظر ميرسيد. با كنترل دقيق عواملي از قبيل شرايط ذوب در ريختهگري سطح ناخالصي، اندازه دانه و در مورد قطعات ريخته شده در ماسه استفاده از مبرد فلزي كه باعث افزايش سرعت انجماد ميشود، قابل حصول است.

به خاطر دماي گداز پايين و سهولت جابجايي، آلومينيم – سيلسيم مهمترين آلياژهايي ريختگي آلومينيم محسوب ميشوند. اين امر عمدتاً به خاطر سياليت بالاي اين آلياژ در اثر وجود حجم نسبتاً زياد يوتكتيك Al-Si ميباشد. ساير مزاياي اين آلياژها مقاومت به خوردگي بالا و قابليت جوشكاري خوب را ميتوان نام برد، بعلاوه حضور فاز سيستم در آلياژ باعث كاهش انقباض در حين انجماد و ضريب انبساط حرارتي محصول ريختگي ميگردد، وليكن وجود ذرات سخت و ريز سيلسيم در ساختار منجر به بروز مشكل ماشينكاري در اين آلياژ ميشود. آلياژهاي تجاري در دسترس از اين خانواده عمدتاً هيپيريوتكتيك بوده و آلياژهاي با تركيب هيپويوتكتيك نيز متداولند. يوتكتيك در اين سيستم متشكل از محلول جامد سيليكون در آلومينيوم و سيليكون خالص A-Si بعنوان فاز ثانويه ميباشد. تركيب يوتكتيك يك موضوع مورد بحث بوده ولي عموماً نزديك به AL-12/7% Si گزارش شده است.

تأثير عناصر آلياژي و ناخالصي در آلومینیوم:

حضور عناصر آلياژي ممكن است به صورت محلول جامد در آلومينيم را به صورت ذرات تشكيل شده از خود عنصر مانند سليسيم يا به صورت تركيب بين يك يا چند عنصر و آلومينيم مانند (AL2Cumg) با تركيب بين يك يا چند عنصر ديگر (مثلاً mg2si) باشد هر يك از موارد مذكور يا همه آنها ميتوانند در يك آلياژ تجاري حضور داشته باشند.

به طور كلي محلول جامد مقاومترين حالت آلياژي در برابر خوردگي است. منيزيم پس از انحلال در آلومينيوم آن را آنديتر ميكند با اين حال آلياژهاي رقيق AL-Mg مقاومت نسبتاً بالايي را نسبت به خوردگي به ويژه در آب دريا و محلولهاي قليايي نشاندهنده كروم، سيليسيم و روي به صورت محلول جامد در آلومينيو اثرات جزيي روي مقاومت به خوردگي دارند. اگر چه روي افزايش قابل توجهي را در پتانسيل الكترودي باعث ميشود. در نتيجه، آلياژهاي AL-Zn به عنوان پوششهاي روكشي براي برخي آلياژهاي آلومينيم و به عنوان آندهاي گالواسيك براي حفاظت كاتدي سازههاي فولادي در آب دريا مورد استفاده قرار ميگيرد.
مس مقاومت به خوردگي آلومينيوم را بيش از هر عنصر آلياژي ديگر كاهش داده و دليل آن حضور مس به صورت فازهاي ميكروسكوپي جداگانه ميباشد. با وجود اين بايد توجه كرد كه در صورت افزودن مقادير كم مس (2/0-5/0) خوردگي معمولي در آلومينيوم و آلياژهاي آن اتفاق افتاده و خوردگي حفرهاي كاهش مييابد.
بنابراين با وجود اينكه تحت شرايط خورنده كاهش كلي وزن آلياژها حاوي مس بيشتر است وليكن سوراخ شدن ناشي از خوردگي حفرهاي به تعويق ميافتد.

فازهاي ميكروسكوپي معمولاً منبع اكثر مشكلات حاصل از خوردگي الكتروشيميايي هسند زيرا منجر به خوردگي يكنواخت و مناطق خاصي از سطح آلياژ ميگردند. حفرهاي شدن و خوردگي بين دانهاي مثالهايي از خوردگي موضعي هستند.

به عنوان مثال ميتوان قطعاتي را با ساختار لانهاي جهت دارد ذكر كرد كه دچار خوردگي ورقهاي ميشوند. در اين نوع خوردگي، ورقهاي شدن لايهها يا دانههاي سطحي در اثر نيروهاي اعمال شده بوسيله محصولات خوردگي با حجم زياد اتفاق ميافتد.

آهن و سيليسيم به صورت ناخالصي وجود داشته تركيباتبي را تشكيل ميدهند كه اغلب آنها نسبت به آلومينيوم كاتدي ميباشند. به عنوان مثال تركيب Al2 Fe محلهايي را ايجاد ميكند كه در آنها لايه اكسيد سطحي ضعيف بوده و از اين خوردگي الكتروشيميايي را تسريع ميكند .
سرعت خوردگي عمومي آلومينيم با خلوص بالا، بسيار كمتر از آلومينيمهاي با خلوص تجاري است. و دليل آن اندازه كوچكتر و تعداد كمتر اين اجزاء كاتدي در سراسر دانهها در آلومينيم تقريباً خالص ميباشد با اين در مرز دانهها متمركز ميشود، نيكل و تيتانيوم نيز فازهاي كاتدي تشكيل ميدهند، با اين حال تعداد آلياژهايي كه نيكل در آنها حضور دارد بسيار كم است. تيتانيوم كه Ti3 Al تشكيل ميدهد عموماً به منظور ريز دانه كردن آلومينيم افزوده ميشود اما مقدار آن به قدري كم است كه اثر قابل توجهي روي مقاومت به خوردگي ندارد.

منگنز و آلومينيم باعث تشكيل تركيب Al6 Mnn ميشوند كه پتانسيل الكترودي آن تقريباً با آلومينيم يكسان بوده و قادر است آهن را حمل كرده اثر زيانآور اين عنصر را كاهش دهد. افزايش بيش از حد منيزيم در محلول جامد آلياژهاي دو تايي آلومينيم، منيزيم باعث تشكيل فاز ثانوي به شدت آندي را ميشود كه اين فاز در مرز دانهها رسوب كرده و خوردگي بين دانهاي را تسريع ميكند . با وجود اين در صورت حضور توأم منيزيم و سيليسيم با نسبت اتمي 1: 2 فاز Mg2 Si تشكيل ميشود كه داراي پتانسيل الكترودي مشابه به آلومينيوم است.

عمليات حرارتي و متالوژيكي :

عملياتي كه حذف از آنها تغير شكل و به دست آوردن خواص مطلوب مكانيكي در آلياژهاي آلومينيم است ميتوانند از طريق تأثير گذاشتن بر تعداد و توزيع اجزاء ميكروسكوپي مقاومت به خوردگي را بهبود بخشند

عمليات حرارتي و مكانيكي ميتواند اجزاء متشكله آلياژ را دچار تنشهاي باقيمانده كرده موجب بروز پديده ترك خوردگي تنش گردد.

اگر بخشي از سطح يك آلياژ تحت عملياتي حرارتي متفاوتي نسبت به ساير قسمتهاي آلياژ قرار گردد ممكن است پتانسيل بين اين دو ناحيه تغيير كند. فرآيندهاي جوشكاري مثالي از بروز چنين حالتي ميباشند. اين محل جوش، نواحي حرارت ديده و باقي قسمتهاي آلياژ ما در اختلاف پتانسيلي تا حد 1/0 ولت ممكن است بوجود آيد. اغلب محصولات كار شده طي عمليات حرارتي بعدي در تمام حجم خود دچار تبلور مجدد نميشوند به طوري كه ساختار دانههاي طويل شده منتج از كار مكانيكي همچنان حفظ مي شود. در محصولات كار شده به جهت اصلي را ميتوان تشخيص داد:

طولي، عرض بلند و عرض كوتاه جهتدار بودن ساختار دانهاي در قطعاتي كه در فرآيندهاي خوردگي ورقهاي مورد خوردگي بين دانهاي قرار ميگيرند، داراي اهميت است و بويژه در خصوص ترك خوردگي تنشي مهم ميباشد.

در بعضي محصولات مانند قطعات اكسترود و آهنگري شده ساختار غيريكنواخت بوده و امكان تشكيل مخلوطي از ساختارهاي دانهاي تبلور مجدد يافته و تبلور مجدد نيافته وجود دارد كه ممكن است بين آنها اختلاف پتانسل وجود داشته باشد. لانههاي بزرگ و تبلور مجدد يافته كه معمولاً در سطح حضور داشته نسبت به دانههاي تبلور مجدد نيافته زيرين كمي كاتدي هستند. در صورتي كه دانههاي دروني نسبتاً آنديتر در معرض خوردگي واقع شوند، احتمال خوردگي ترجيحي وجود دارد

کاربرد آلومینیوم
آلومینیوم عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی دارای علامت AL و عدد اتمی ۱۳ می باشد آلومینیوم که عنصری نقره ای و انعطاف پذیر است عمدتأ به صورت سنگ معدن بوکسیت یافت می شود و از نظر مقاومتی که در برابر اکسیدا سیون دارد همچنین وزن و قدرت آن قابل توجه است. آلومینیوم در صنعت برای تولید میلیونها محصول مختلف به کار می رود و در جهان اقتصاد عنصر بسیار مهمی است. اجزای سازه هایی که از آلومینیوم ساخته می شوند در صنعت هوانوردی و سایر مراحل حمل و نقل بسیار مهم هستند نِیز سازه هایی که در آنها وزن ِ پایداری و مقاومت لازم است وجود این عنصر اهمیت زیادی دارد.

ویژگیهای قابل توجه

آلومینیوم فلزی نرم ِ سبک اما قوی است با ظاهری نقره ای – خاکستری مات و لایه نازک اکسیداسیون که در اثر برخورد با هوا در سطح آن تشکیل می شود از زنگ خوردگی بیشتر جلوگیری می کند.وزن آلومینیوم تقریبأ یک سوم فولاد یا مس است ِ چکش خوار ِ انعطاف پذیر و به راحتی خم می شود ِ همجنین بسیار با دوام و مقاوم در برابر زنگ خوردگی است.
بعلاوه این عنصر غیر مغناطیسی ِ بدون جرقه ِ دومین فلز جکش خوار و ششمین فلز انعطاف پذیر است.

کاربردها

جه از نظر کیفیت و چه از نظر ارزش آلومینیوم کاربردی ترین فلز بعد از آهن است وتقریبأ در تمامی بخشهای صنعت دارای اهمیت می باشد. آلومینیوم خالص نرم وضعیف است اما می تواند آلیاژهایی را با مقادیر کمی از مس ِ منیزیوم ِ منگنز ِ سیلیکن و دیگر عناصر بوجود آورد که این آلیاژ ها ویژگیهای مفید گوناگونی دارند.
این آلیاژها اجزای مهم هواپیماها و راکتها را می سازند . وقتی آلومینیوم را در خلا تبخیر کنند پوششی تشکیل می دهد که هم نور مرئی و هم گرمای تابشی را منعکس می کند. این پوششها لایه نازک اکسید آلومینیوم محافظ را بوجود می آورند که همانند پوششهای نقره خاصیت خود را از دست نمی دهند. یکی دیگر از موارد استفاده از این فلز در لایه آینه های تلسکوپهای نجومی است.
برخی از کاربردهای فراوان آلومینیوم عبارتند از :
- حمل و نقل «اتومبیلها ِ هواپیماها ِ کامیونها ِ کشتی ها ِ ناوگانهای دریایی ِ راه آهن و …)
- بسته بندی«قوطیها ِ فویل و…)
- ساختمان«درب ِ پنجره ِ دیوار پوشها و …)
- کالاهای با دوام مصرف کننده(وسلیل برقی خانگی ِ وسایل آشپزخانه ِ …)
- خطوط انتقال الکتریکی (به علت وزن سبک اگرجه هدایت الکترِکی آن تنها ۶۰% هدایت الکتریکی مس می باشد)
- ماشین آلات
اکسید آلومینیوم «آلومینا) بطور طبیعی وبصورت کوراندوم ِ سنگ سمباده (emery) ِ یاقوت (ruby) و یاقوت کبود (sapphire) ِافت می شود که در صنعت شیشه سازی کاربرد دارد.یاقوت و یاقوت کبود مصنوعی در لیزر برای تولید نور هم نوسان بکار می روند . آلومینیوم با انرژی زیادی اکسیده می شود و در نتیجه در سوخت موشکهای با سوخت و دمازاها مورد استفاده واقع می شود.

تاریخچه

فردریک و هلر بطور کلی به آلومینیوم خالص اعتقاد داشت «لاتین :alum , alumen) .اما این فلز دو سال پیشتر بوسیله هانس کریستین ارستد شیمیدان و فیزیکدان دانمارکی بدست آمد.
در روم و یونان باستان این فلز را بعنوان ثابت کننده رنگ در رنگرزی و نیز بعنوان بند آورنده خون در زخمها بکار می بردند وهنوز هم بعنوان داروی بند آورنده خون مورد استفاده است. در سال ۱۷۶۱ گویتون دموروو پیشنهاد کرد تا alum را آلومین (alumin) بنامند.

پیدایش و منابع

اگر چه AL یک عنصر فراوان در پوسته زمین است(۱ِ۸%) ِ این عنصر در حالت آزاد خود بسیار نادر است و زمانی یک فلز گرانبها و ارزشمندتر از طلا به حساب می آمد.بنابر این بعنوان فلزی صنعتی اخیرأ مورد توجه قرار گرفته ودر مقیاسهای تجاری تنها بیش از ۱۰۰ سال است که مورد استفاده است.
در ابتدا که این فلز کشف شد جدا کردن آن از سنگها بسیار مشکل بود و چون کل آلومینیوم زمین بصورت ترکیب بود مشکل ترین فلز از نظر تهیه به شمار می آمد.

آلومینیوم برای مدتی از طلا با ارزش تر بود اما بعد از ابداع یک روش آسان برای استخراج آن در سال ۱۸۸۹ قیمت آن رو به کاهش گذاشت و سقوط کرد.تهیه مجدد این فلز از قطعات اسقاط (از طریق بازیافت) تبدیل به بخش مهمی از صنعت آلومینیوم شد.بازیافت آلومینیوم موضوع تازه ای نیست بلکه از قرن نوزدهم یک روش رایج برای این کار وجود داشت. با اینهمه تا اواخر قرن دهه ۶۰ این یک کار کم منفعتی بود تا زمانیکه بازیافت قوطیهای آلومینیومی آشامیدنیها بالاخره بازیافـت این فلز را مورد توجه قرار داد.منابع بازیافت آلومینیوم عبارتند از: اتومبیلها ِ پنجره ها ِ دربها ِ لوازم منزل ِ کانتینرها و سایر محصولات …
آلومینیوم یک فلز واکنشگر است و نمی تواند از سنگ معدن خود بوکسیت (Al2o) بوسیله کاهش با کربن جدا شود.در عوض روش جدا سازی این فلز از طریق الکترولیز است.(این فلز در محلول اکسیده شده سپس بصورت فلز خالص جدا می شود.) لذا جهت این کار سنگ معدن باید درون یک مایع قرار بگیرد.اما بوکسیت دارای نقطه ذوب بالایی است (c2000) که تامین این مقدار انرﮊی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست . برای سالهای زیادی بوکسیت را در فلورید سدیم و آلومینیوم مذاب قرار می دادند و نقطه ذوب آن تا c900 کاهش می یافت.اما امروزه مخلوط مصنوعی ازآلومینیوم ِ سدیم و فلوریدکلسیم جایگزین فلورید سدیم و آلومینیوم شده است. این فرایند هنوز مستلزم انرژی بسیار زیاد است و کارخانجات آلومینیوم دارای ایستگاههای برق مخصوص خود در اطراف این کارخانه ها هستند.
الکترودهایی که در الکترولیز بوکسیت بکار می روند هر دو کربن هستند. وقتی سنگ معدن در حالت مذاب است یونهای آن آزادانه حرکت می کنند. واکنش در کاتد منفی اینگونه است:
Al3++3e -Al
در اینجا یون آلومینیوم در حالت کاهش است(الکترونها اضافه می شوند) سپس فلز آلومینیوم به سمت پایین فرو می رود و خارج می شوند.
آند مثبت اکسیژن بوکسیت را اکسیده می کند که بعد از آن با الکترود کربنی واکنش کرده تا تولید دی اکسید کربن نماید.

این کاتد باید عوض شود چون اغلب تبدیل به دی اکسید کربن می شود.بر خلاف هزینه الکترولیز ِ آلومینیوم فلزی ارزان با کاربرد وسیع است. امروزه آلومینیوم را می توان از خاکه معدنی(clay) استخراج کرد اما این فرایند اقتصادی نیست.

ایزوتوپها
آلومینیوم دارای ۹ ایزوتوپ است که عمده ترین آنها بین ۲۳ تا ۳۰ مرتب شده اند. تنها AL-27 «ایزوتوپ پایدار) و AL-26 (ایزوتوپ رادیو اکتیو) بطور طبیعی وجود دارند.AL-26 از پراشیدن ذرات اتم آرگون در اتمسفر که در نتیجه پروتونهای اشعه کیهانی رخ می دهد تولید می شود. ایزوتوپهای آلومینیوم کاربردهای عملی در تعیین قدمت رسوبات دریایی ِ سختگاه منگنز ِ یخهای دوران یخبندان ِ کوارتز در صخره ها شهاب سنگها دارد.
نسبت AL-26 به برلیوم ۱۰ برای ۵ مطالعه ۶ نقش حمل ِ ته نشینی ِ ذخیره رسوب ِ زمان دفن و فرسایش در مقیاس زمانی ۱۰ تا ۱۰ بکار برده شده است.
AL-26«Cosmogenic) اوْطن بار در مطالعات ماه و شهاب سنگها بکار رفت. اجزاء شهاب سنگها بعد از جدا شدن از پیکره مادر در مدت سفر خود در فضا در معرض شدید بمباران اشعه کیهانی هستند که باعث تولید آلومینیوم ۲۷ پایدار می شود. بعد از سقوط روی زمین حفاظ اتمسفر مانع از تولید AL-26 بیشتر از قطعات شهاب سنگها می شود و واپاشی آن در تعیین عمر زمینی آنها موتر است.تحقِقات روی شهاب سنگها ثابت کرده AL-26 در زمان شکل گیری سیاره ما نسبتا به مقدار فراوان وجود داشته است. احتمالا انرژی آزاد شده در نتیجه واپاشی AL-26 ِ ذوب شدن مجدد و جدایی سیارکها بعد از شکل گیری آنها را ۲-۴ میلیارد سال پیش در پی داشته است.

هشدارها
آلومینیوم یکی از معدود عناصر فراوانی است ظاهرا هیچ فعالیت موثری در سلولهای زنده ندارد اما درصد کمی از مردم به آن حساسیت دارند – آنها تجربه کرده اند تماس هر نوع از آن موجب التهاب پوستی می شود- مصرف داروهای بند آورنده خون ومواد ضد عرق باعث ایجاد جوشهای خارش آور و سوء هاضمه می گردد ِ عدم جذب مواد غذایی مفید از غذاهای پخته شده در ظروف آلومینیومی همچنین تهوع و سایر علائم مسمومیت در نتیجه خوردن اینگونه محصولات مانند Maalox,Amphojel,Kaopectate . در سایر افراد آلومینیوم بمانند فلزات سنگین سمی نیست اما ر صورت مصرف زیاد علائمی از مسمومیت دیده شده است اگرچه استفاده از ظروف غذای آلومینیومی به خاطر مقاومت در برابر زنگزدگی و خاصیت هدایت گرمایی بالای آنها بسیار رایج است در کل ِ هیچگونه علامتی در مورد ایجاد مسمومیت آنها دیده نشده است. مصرف زیاد داروهای ضد اسید و مواد ضد عرق که حاوی ترکیبات آلومینیومی هستند احتمال مسمومیت بیشتری دارند بعلاوه احتمال ارتباط آلومینیوم با بیماری آلزایمر مطرح شده گرچه اخیرا این فرضیه رد شده است.

تولید صنعتی آلومینیوم
آلومینیوم فلزی پرمصرف است که عنصر دوم از گروه سوم جدول تناوبی می*باشد. آلومینیوم (Al) دومین عضو از گروه سوم جدول تناوبی ، فلزی است که در کشور ما تولید می*شود و در میان عنصرهای فلزی هم گروه خود بیشترین اهمیت را دارد. آلومینیوم به حالت آزاد در طبیعت یافت نمی*شود، اما ترکیبهای آن فراوان است. آلومینیوم بعد از اکسیژن و سیلیسیم فراوان*ترین عنصر در پوسته زمین است.

پیوند در ترکیبهای آلومینیوم
مهمترین کانی آلومینیوم ، بوکسیت است که *اکسید آلومینیوم آبپوشیده می*باشد و برای تهیه فلز از این کانی استفاده می*شود. چگالی بار (نسبت بار به شعاع) برای یون Al+3 به علت داشتن بار زیاد و کوچک بودن شعاع آن ، زیاد است. می*دانیم که *الکترونها اعم از از اینکه پیوندی باشند یا به صورت زوج تنها ، پیوسته در فضایی که در اختیار دارند، در حرکت* هستند و اغلب ، الکترونها را به صورت ابری با بار منفی مجسم می*کنیم.

این ابر بار می*تواند بوسیله یک میدان الکتریکی که در مجاورت آن قرار دارد، از حالت کروی خارج شده، به سمت یک بار مثبت کشیده یا بوسیله یک بار منفی رانده شود. درجه سهولت واپیچش ابر الکترونی یک ذره را قطبش*پذیری آن می*نامند. قطبش*پذیری اتمها یا یونهای کوچکتر کمتر از اتمها یا یونهای برزگتر است، زیرا در اتمها یا یونهای کوچکتر ، الکترونها به هسته نزدیکترند و اتصال آنها با هسته محکمتر است. آلومینیوم در ترکیبهای خود با از دست دادن هر سه *الکترون ظرفیت ، عدد اکسایش ۳+ بدست می*آورد.

اما یون Al+3 با توجه به *اندازه کوچک و بار زیادی که دارد، می*تواند به راحتی باعث قطبش ابر بار هر آنیونی که با آن در تماس است، شود و آن آنیون را به سمت خود بکشد و در فضای بین یون آلومیینوم و آنیون ، ابر الکترونی قابل ملاحظه*ای پدید می*آید که نشانه*ای از پیدایش خصلت کووالانسی در پیوند است. به *این ترتیب ، پیوند آلومینیوم با آنیونهایی نظیر -Br و -I که قطبش*پذیری آنها بیشتر است، به صورت کووالانسی توصیف می*شود. اثر قطبش یون Al+3 را روی هالیدها می*توان با مقایسه خواص هالیدهای آلومینیوم دریافت.

اکسید آلومینیوم (Al2O3)

اکسید آلومینیوم را معمولا یک ترکیب یونی در نظر می*گیریم، اما به علت قطبش*پذیری یونهای اکسید بوسیله یونهای Al+3 پیوند آلومینیوم و اکسیژن تا حدودی خصلت کووالانسی دارد. برهمکنش الکتروستاتیک بین یونهای کوچک آلومینیوم و اکسیژن از یک طرف و پیدایش خصلت کووالانسی از طرف دیگر ، سبب شده که پیوند بین این یونها در اکسید آلومینیوم بسیار قوی باشد. این اکسید در دمای ۲۰۵ درجه سانتیگراد ذوب می*شود و در آب نامحلول است. اکسید آلومینیوم در طبیعت به دو صورت آبپوشیده و بی آب یافت می*شود. شکل آبپوشیده آن بوکسیت نام دارد. سنگ سنباده و «کوراندوم» شکل بی آب آن است.

کوراندوم جسمی *سخت و متبلور است و با جایگزین شدن مقدار کمی *از یونهای فلزهای واسطه به جای یونهای آلومینیوم در این بلور ، سنگهای قیمتی مانند یاقوت قرمز یا یاقوت کبود بدست می*آید. یاقوت قرمز که در لیزر هم از آن استفاده می*شود، شامل مقدار جزئی Cr+3 و یاقوت کبود شامل Fe+3 و (Ti(IV است. رنگ این سنگها ناشی از وجود این یونهای فلزات واسطه *است. از اکسید آلومینیوم به خاطر داشتن ساختاری پایدار و فوق*العاده سخت در تهیه سیمان ، آجرهای دیرگداز کوره*ها و سطح بی*اثر کاتالیزور در کراکنیگ برشهای نفتی استفاده می*شود.

استخراج آلومینیوم

آلومینیوم در صنعت بوسیله* الکترولیز اکسید آلومینیوم مذاب تهیه می*شود. اکسید آلومینیوم از بوکسیت که *اکسید آلومینیوم آبپوشیده و ناخالص است، بدست می*آید. ناخالصیهای بوکسیت بطور عمده ، هماتیت و سیلیس است. برای جداسازی آلومینیوم با توجه به خصلت بازی اکسید آهن (III) ، خصلت اسیدی «اکسید سیلسیم» (سیلیس) و خصلت آمفوتری اکسید آلومینیوم از سود سوزآور استفاده می*کنند. اکسید آلومینیوم و سیلیس در محلول غلیظ سود حل می*شوند. اکسید آهن (III) را بوسیله صافی جدا می*کنند، سپس دی*اکسید کربن را از محلول عبور می*دهند. دی*اکسید کربن با آب ، اسید ضعیف «اسید کربنیک» را تشکیل می*دهد.

بدین ترتیب ، اکسید آلومینیوم رسوب می*کند و یون سیلیکات در محلول باقی می*ماند. اکسید آلومینیوم را در کریولیت مذاب (Na3AlF6) که دمای ذوب آن از اکسید آلومینیوم کمتر است، حل می*کنند. دمای الکترولیت مذاب حدود ۸۵۰ درجه سانتیگراد است. یون AL+3 در کاتد سلول الکترولیز که *از جنس گرافیت است، کاهش یافته، به صورت آلومینیوم مذاب در ته سلول جمع می*شود. در آند نیز اکسیژن آزاد می*شود. آند نیز از جنس گرافیت است. اکسیژن در دمای زیاد با کربن ترکیب شده ، اکسیدهای کربن تشکیل می*دهد. از این رو ، آند می*سوزد و هرچند مدت یک بار آن را تعویض می*کنند.

موارد استفاده آلومینیوم

آلومینیوم یکی از فلزهای ساختمانی است و آن را با فلزهای مختلف به صورت آلیاژ در می*آورند و در صنایع هواپیما سازی ، موتور اتومبیل و ساخت در و پنجره بکار می*برند. همچنین ، آلومینیوم برای ساخت قوطی*های نوشابه مورد استفاده قرار می*گیرد. همچنین آلومینیوم برای تولید فویلهای آلومینیومی *مورد استفاده قرار می*گیرد.

هزینه تولید آلومینیوم و مشکلات زیست محیطی

منابع آلومینیوم در طبیعت از منابع تجدیدناپذیر به شمار می*آیند. به *این معنا که طبیعت راهی برای تولید مجدد این منبع ندارد. از طرف دیگر ، تولید آلومینیوم به مصرف الکتریکی بسیار زیادی نیاز دارد. با توجه به *اینکه آلومینیوم مصرفی سرانجام به صورت زباله به طبیعت راه پیدا می*کند، مساله بازگردانی آلومینیوم از نظر حفظ محیط زیست حائز اهمیت و از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه *است. مثلا هزینه لازم برای جمع*آوری قوطی*های نوشابه ، انرژی الکتریکی مصرفی برای ذوب این قوطی*ها و ساخت مجدد آنها حدود ۵ درصد هزینه *استخراج آلومینیوم از بوکسیت است. انجام این کار

به حفظ طولانی*تر منابع بوکسیت

به حفظ منابع سوختهای فسیلی که باید برای تولید انرژی الکتریکی مورد نیاز کارخانه*های تولید آلومینیوم بکار رود.

به کاهش مواد آلاینده*ای که در نتیجه *احتراق سوختهای فسیلی در فضا پراکنده می*شوند.

و در نهایت به حفظ محیط زیست کمک می*کند

تولید شمش آلومینیوم و عملیات پس از آن

پس از استخراج آلومینیم اولین قدم، ذوب مجدد آن است. برای انجام این مرحله، آلومینیوم مذاب بدست آمده از سلول های احیاء در کوره ریخته و عناصر آلیاژی و قراضه را به آن می افزایند. در این کوره فلز مذاب با برداشت سرباره تمیز می شود.

مهم ترین عواملی که منجر به افزایش کیفیت شمش تولیدی می شوند، عبارتند از:

- مخلوط شدن اجزای آلیاژ

- گاز زدایی مناسب برای حذف سرباره ها، اکسیدها، گازها و سایر ناخالصی های غیر فلزی

گاززدایی اهمیت بسزایی در کیفیت نهایی شمش دارد، زیرا، هیدروژن تنهای گازی است که میزان حلالیت آن در آلومینیم قابل اندازه گیری است. میزان حلالیت تعادلی این گاز در مذاب و جامد آلومینیم در نقطه ذوب و در فشار یک اتمسفر به ترتیب برابر با 0.68 و 0.036 سانتی متر مکعب در 100 گرم فلز است. در حین انجماد، هیدروژن اضافی، به صورت گاز مولکویی در می آید که ممکن است در ساختار جامد به دام افتاده و منجر به ایجاد تخلخل شود. برای جلوگیری از تشکیل تخلخل مقدار هیدروژن در مذاب آلومینیم به کمتر از 0.15 سانتی متر مکعب در 100 گرم کاهش یابد.

برای گاز زدایی می توان از گازهای نیتروژن، آرگون، کلر و یا مخلوط این گازها یا از هیدروژن کربن کلر دار جامد استفاده کرد. ولی معمولا در تمامی موارد مقداری گاز کلر استفاده می شود، زیرا این گاز نقش مهمی در خارج کردن آخال ها از طریق سرباره گیری ایفا می کند. مشکل استفاده از گاز کلر، آلودگی محیط زیست است. راه حل ارائه شده برای این مسئله، استفاده از روش ابداعی شرکت آلومینیم انگلستان است که به فرآیند گاززدایی بدون دود مداوم یا FILD معروف است.

برای تولید ساختار یکنواخت شمش از فرآیندهای تبرید جهت دار و نیمه مداوم استفاده می شود. تهیه شمش ها معمولا به وسیله روش عمودی صورت می گیرد. مقاطع کوچک تر توسط روش افقی تهیه می شوند که در این روش کنترل اندازه دانه دشوار است. در شکل روبرو این دو روش نمایش داده شده اند.

قالب های متحرک، ریخته گری آلیاژهای آلومینیم را متحول کرده و امکان تولید اشکالی نزدیک به محصول نهایی را ایجاد نموده است. از جمله این روش ها می توان به روش ریخته گری میله و ورق اشاره کرد.

پس از تهیه شمش، باید عملیات همگن کردن انجام گیرد. همگن سازی برای آلیاژ های پر استحکام از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا رسوب گذاری و توزیع ترکیبات بین فلزی مانند MnAl6، Al12Mg2Cr و ZrAl3 در این مرحله صورت می گیرد. بنابراین، زمان، دما و نرخ گرم کردن تا دمای همگن سازی اهمیت بسزایی بر خواص محصول دارد. برای جوانه زنی و توزیع یکنواخت این ترکیبات، سرعت گرم کردن در حدود 75 درجه سانتی گراد بر ساعت است.

طبقه بندی آلیاژهای آلومینیوم

آلیاژهای آلومینیم در حالت کلی به دو دسته کار پذیر و ریختگی تقسیم بندی می شوند و هر کدام از این گروه ها به دو دسته عملیات حرارتی پذیر و غیر قابل عملیات حرارتی تقسیم بندی می شوند.

آلیاژهای کارشده آلومینیم

در میان آلیاژهای کار پذیر آلومینیم، آلیاژهای سری 2xxx، 6xxx،7xxx قابلیت انجام عملیات حرارتی را دارند.
در میان آلیاژهای کار پذیر آلومینیم، آلیاژهای آلومینیم -منگنز (3xxx) و آلیاژهای آلومینیم-منیزیم (5xxx) قابلیت انجام عملیات حرارتی را ندارند.

آلیاژهای ریختگی آلومینیم

از جمله آلیاژهای ریختگی آلومینیم می‏ توان به موارد زیر اشاره کرد:

آلیاژهای ریختگی آلومینیم-سیلیسیم

آلیاژهای ریختگی آلومینیم-مس

آلیاژهای ریختگی آلومینیم-منیزیم

آلیاژهای ریختگی آلومینیم-روی-منیزیم

معرفی

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

خواص فیزیکی

خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی آلومینیوم
13	عدد اتمی
26.98 g.mol^-1	وزن اتمی یا عدد جرمی
143 pm	شعاع اتمی
2.7 g.cm^-3	چگالی در 20°C
660.4 °C	نقطه ذوب
2467 °C	نقطه جوش
184 pm	شعاع وان دروالس
121 pm	شعاع کوالانسی
0.05 nm	شعاع یونی
3	ایزوتوپ
16	ایزوتوپ مصنوعی
1s²2s²2p⁶ 3s²3p¹	پوسته الکترونی
577.4 kJ.mol^-1	انرژی اولین یونیزاسیون
1816.1 kJ.mol ^-1	انرژی دومین یونیزاسیون
kJ.mol ^-1 2744.1	انرژی سومین یونیزاسیون
3	ظرفیت
1.5	الکترونگاتیویته
-1.67 V	پتانسیل استاندارد
68.3 GPa	مدول الاستیسیته
70 GPa	مدول یانگ
0.34	نسبت پواسون
2.75	سختی موس
245 MPa	سختی برینل
167 MPa

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

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

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

خواص حرارتی آلومینیم

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

خواص مکانیکی آلومینیم

1. استحکام

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

2. انعطاف پذیری

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

آلیاژهای آلومینیم

آلیاژهای آلومینیوم می تواند به 9 گروه تقسیم شوند.

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

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

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

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

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

سری 6xxx. آلیاژهای این سری حاوی سیلیسیوم و منیزیم تقریبا در نسبت مورد نیاز برای تشکیل سیلیسید منیزیم (Mg₂Si) می باشند. بنابراین این گروه را قابل عملیات حرارتی می سازد. اگر چه استحکام آنها به اندازه آلیاژهای گروه 2xxx و 7xxx و 6xxx نمی باشد ولی دارای شکل پذیری، جوش پذیری و ماشین کاری خوب و مقاومت به خوردگی نسبتا خوب و استحکام متوسط می*باشد. آلیاژها در این گروه قابل عملیات حرارتی ممکن است در حالت T₄ (عملیات حرارتی محلول سازی بدون رسوب سختی) تشکیل شوند و پس از تشکیل، با عملیاتT₆ کامل بوسیله عملیات حرارتی رسوب سختی، استحکام یابند.

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

استخراج آلومینیم

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

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

فرایند بایر در مقیاس صنعتی

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

روش Hall-Heroult

کاربردهای آلومینیوم

قوطی های کنسرو و فویل ها
وسایل آشپزخانه
درب منازل مسکونی
کاربردهای صنعتی در جایی که استحکام، سبکی و مواد ساده مورد نیاز است.
سیم های الکتریکی، اگرچه هدایت الکتریکی تنها در حدود 60% مس می باشد، از این فلز در خطوط انتقال الکتریسته به دلیل وزن کم و قیمت پایین استفاده می*شود.
آلیاژهای آلومینیوم در ساخت هواپیما و موشک ها، بسیار مهم و حیاتی هستند.

شرايط ريخته گري آلياژهاي Al

آلومینیوم

تولید شمش آلومینیوم و عملیات پس از آن

آلومینیم ( خواص ، کاربرد ، معرفی آلیاژها )

آلومینیم ( استخراج ، خواص ، کاربرد ، معرفی آلیاژها )