تاریخچه کشف "آلومینیوم"

به گزارش خبرنگار اقتصادی باشگاه خبرنگاران، آلومینیوم یکی از فلزات واسطه است که در ایالات متحده آمریکا و کانادا برخلاف سایر کشورها به «آلومینیُم»، «آلومینُم» می‌گویند. هر دو تلفظ از واژه لاتین Lumen به معنی «نور» گرفته شده‌است. 

پیش از جداسازی فلز آلومینیم، اکسید آن آلومین نامید می‌شد. هامفری دیوی که موفق نشده بود از آلومین، آلومینیم تهیه کند، گفت که می‌خواهد نام این فلز را «آلومیم» بگذارد. ولی بعداً آن را به «آلومینم» تغییر داد تا با آلومین مطابقت داشته باشد. با این حال واژهٔ آلومینیم کاربرد عمومی پیدا کرد، زیرا نام بسیاری از عنصرهای فلزی به «یُم» ختم می‌شود.

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 .

*** تاریخچه کشف آلومینیوم

فردریک وهلر" بطور کلی به آلومینیوم خالص اعتقاد داشت. اما این فلز دو سال پیشتر به‌وسیله «هانس کریستین ارستد» شیمیدان و فیزیکدان دانمارکی بدست آمد. در روم و یونان باستان این فلز را به‌عنوان ثابت کننده رنگ در رنگرزی و نیز به‌عنوان بند آورنده خون در زخمها بکار می‌بردند و هنوز هم به‌عنوان داروی بند آورنده خون مورد استفاده‌است. 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(۱۸٪)، این عنصر در حالت آزاد خود بسیار نادر است و زمانی یک فلز گرانبها و ارزشمندتر از طلا به حساب می‌آمد. بنابراین، به‌عنوان فلزی صنعتی اخیرأ مورد توجه قرار گرفته و در مقیاسهای تجاری تنها بیش از ۱۰۰ سال است که مورد استفاده‌است. در ابتدا که این فلز کشف شد، جدا کردن آن از سنگها بسیار مشکل بود و چون کل آلومینیوم زمین بصورت ترکیب بود، مشکل‌ترین فلز از نظر تهیه به شمار می‌آمد.
آلومینیوم برای مدتی از طلا با ارزش‌تر 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 تازه‌ای نیست، بلکه از قرن نوزدهم یک روش رایج برای این کار وجود داشت. با اینهمه تا اواخر دهه ۶۰ این یک کار کم منفعت بود تا زمانیکه بازیافت قوطیهای آلومینیومی آشامیدنیها بالاخره بازیافت این فلز را مورد توجه قرار داد. منابع بازیافت آلومینیوم عبارت‌اند از: اتومبیلها، پنجره‌ها، درها، لوازم منزل، کانتینرها و سایر محصولات.

آلومینیوم، عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی دارای علامت Al و عدد اتمی ۱۳ می‌باشد. آلومینیوم که عنصری نقره‌ای و انعطاف‌پذیر است، عمدتأ به صورت سنگ معدن بوکسیت یافت می‌شود و از نظر مقاومتی که در برابر اکسیداسیون دارد، همچنین وزن و قدرت آن، قابل توجه‌است. آلومینیوم در صنعت برای تولید میلیونها محصول مختلف بکار می‌رود و در جهان اقتصاد، عنصر بسیار مهمی است.

اجزای سازه‌هایی که از آلومینیوم ساخته می‌شوند، در صنعت هوانوردی و سایر مراحل حمل و نقل بسیار مهم هستند. همچنین در سازه‌هایی که در آنها وزن پایداری و مقاومت لازم هستند، وجود این عنصر اهمیت زیادی دارد.

*** ویژگی‌های قابل توجه
 
آلومینیوم، فلزی نرم و سبک، اما قوی است، با ظاهری نقره‌ای - خاکستری مات و لایه نازک اکسایش که در اثر برخورد با هوا در سطح آن تشکیل می‌شود، از زنگ خوردگی بی. ِ چکش خوار، انعطاف پذیر و به راحتی خم می‌شود. همچنین بسیار بادَوام و مقاوم در برابر زنگ خوردگی است. بعلاوه، این عنصر غیر مغناطیسی، بدون جرقه، دومین فلز چکش خوار و ششمین فلز انعطاف‌پذیر است.

*** کاربردها

چه از نظر کیفیت و چه از نظر ارزش، آلومینیوم کاربردی‌ترین فلز بعد از آهن است و تقریبأ در تمامی بخش‌های صنعت دارای اهمیت می‌باشد. آلومینیوم خالص، نرم و ضعیف است، اما می‌تواند آلیاژهایی را با مقادیر کمی از مس، منیزیوم، منگنز، سیلیکون و دیگر عناصر بوجود آورد که این آلیاژها ویژگی‌های مفید گوناگونی دارند. این آلیاژها اجزای مهم هواپیماها و راکتها را می‌سازند.
وقتی آلومینیوم را در خلاء تبخیر کنند، پوششی تشکیل می‌دهد که هم نور مرئی و هم گرمای تابشی را منعکس می‌کند. این پوششها لایه نازک اکسید آلومینیوم محافظ را بوجود می‌آورند که همانند پوششهای نقره خاصیت خود را از دست نمی‌دهند. یکی دیگر از موارد استفاده از این فلز در لایه آینه‌های تلسکوپ‌های نجومی است.

*** فهرست کاربردها

برخی از کاربردهای فراوان آلومینیوم عبارت‌اند از: حمل و نقل (اتومبیل‌ها، هواپیماها، کامیون‌ها، کشتی‌ها، ناوگانهای دریایی، راه آهن و...) بسته‌بندی (قوطی‌ها، فویل و...) ساختمان (درب، پنجره، دیوار پوشها و...) کالاهای با دوام مصرف کننده (وسایل برقی خانگی، وسایل آشپزخانه، ...) خطوط انتقال الکتریکی (به‌علت وزن سبک اگرچه هدایت الکتریکی آن تنها ۶۰٪ هدایت الکتریکی مس می‌باشد) ماشین آلات اکسید آلومینیوم (آلومینا) بطور طبیعی و بصورت کوراندوم، سنگ سنباده، یاقوت و یاقوت کبود یافت می‌شود که در صنعت شیشه‌سازی کاربرد دارد. یاقوت و یاقوت کبود مصنوعی در لیزر برای تولید نور هم‌نوسان بکار می‌روند. آلومینیوم با انرژی زیادی اکسیده می‌شود و در نتیجه در سوخت موشکهای با سوخت و دمازاها مورد استفاده واقع می‌شود.

*** استخراج آلومینیوم

آلومینیوم یک فلز واکنشگر است و نمی‌تواند از سنگ معدن خود بوکسیت (Al۲O۳) به‌وسیله کاهش با کربن جدا شود. در عوض روش جداسازی این فلز از طریق برق‌کافت است. (این فلز در محلول اکسیده شده، سپس بصورت فلز خالص جدا می‌شود.) لذا جهت این کار، سنگ معدن باید درون یک مایع قرار بگیرد. اما بوکسیت دارای نقطه ذوب بالایی است (۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد) که تامین این مقدار انرﮊی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.

برای سالهای زیادی بوکسیت را در فلورید سدیم و آلومینیوم مذاب قرار می‌دادند و نقطه ذوب آن تا ۹۰۰درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یافت. اما امروزه مخلوط مصنوعی ازآلومینیوم، سدیم و فلوئورید کلسیم، جایگزین فلورید سدیم و آلومینیوم شده‌است. این فرایند هنوز مستلزم انرژی بسیار زیاد است و کارخانجات آلومینیوم دارای ایستگاههای برق مخصوص خود در اطراف این کارخانه‌ها هستند.

الکترودهایی که در الکترولیز بوکسیت بکار می‌روند، هر دو کربن هستند. وقتی سنگ معدن در حالت مذاب است، یونهای آن آزادانه حرکت می‌کنند. واکنش در کاتد منفی اینگونه‌است:
Al₃+3e \longrightarrow Al   در اینجا یون آلومینیوم در حالت کاهش است (الکترونها اضافه می‌شوند) سپس فلز آلومینیوم به سمت پایین فرو می‌رود و خارج می‌شود.
آند مثبت، اکسیژن بوکسیت را اکسیده می‌کند که بعد از آن با الکترود کربنی واکنش کرده تا تولید دی‌اکسید کربن نماید.

این کاتد باید عوض شود، چون اغلب تبدیل به دی‌اکسید کربن می‌شود. بر خلاف هزینه الکترولیز، آلومینیوم فلزی، ارزان با کاربرد وسیع است. امروزه آلومینیوم را می‌توان از خاکه معدنی استخراج کرد، اما این فرایند، اقتصادی نیست.

*** ایزوتوپها

آلومینیوم، دارای ۹ ایزوتوپ است که عمده‌ترین آنها بین ۲۳ تا ۳۰ مرتب شده‌اند. تنها Al-۲۷ (ایزوتوپ پایدار) و Al-۲۶ (ایزوتوپ رادیواکتیو) بطور طبیعی وجود دارند.  Al-۲۶  از پراشیدن ذرات اتم آرگون در اتمسفر که در نتیجه پروتونهای اشعه کیهانی رخ می‌دهد، تولید می‌شود.

 ایزوتوپهای آلومینیوم، کاربردهای عملی در تعیین قدمت رسوبات دریایی، خاستگاه منگنز، یخهای دوران یخبندان، کوارتز در صخره‌ها و شهاب سنگها دارد.

Al-۲۶  اولین بار در مطالعات ماه و شهاب‌سنگها بکار رفت.  اجزاء شهاب‌سنگها 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 می‌شود. بعد از سقوط روی زمین، حفاظ اتمسفر مانع از تولید Al-۲۶ بیشتر از قطعات شهاب‌سنگها می‌شود و واپاشی آن در تعیین عمر زمینی آنها موثر است. تحقیقات روی شهاب‌سنگها ثابت کرده‌است که Al-۲۶ در زمان شکل‌گیری سیاره ما نسبتاً به مقدار فراوان وجود داشته‌است. احتمالاً انرژی آزاد شده در نتیجه واپاشی Al-۲۶، ذوب شدن مجدد و جدایی سیارکها بعد از شکل گیری آنها را ۲-۴ میلیارد سال پیش در پی داشته‌است.

*** هشدارها

آلومینیوم یکی از معدود عناصر فراوانی است که ظاهراً هیچ فعالیت موثری در سلولهای زنده ندارد. اما درصد کمی از مردم به آن حساسیت دارند. آنها تجربه کرده‌اند تماس هر نوع از آن موجب التهاب پوستی می‌شود. مصرف داروهای بند آورنده خون و مواد ضد عرق باعث ایجاد جوشهای خارش آور و سوء هاضمه می‌گردد. 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 مانند فلزات سنگین، سمی نیست، اما در صورت مصرف زیاد علائمی از مسمومیت دیده شده‌است. 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 نشده‌است. 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 شده‌است، گرچه اخیرا این فرضیه رد شده‌است. مصرف زیاد این عنصر باعث کم خونی نیز می‌گردد

*** املای انگلیسی

املاء رسمی این عنصر در زبان انگلیسی، IUPAK) Aluminium) است، گرچه عموماً آمریکایی‌ها و کانادایی‌ها آنرا بصورت Aluminum نوشته و تلفظ می‌کنند. «همفری دیوی» در سال۱۸۰۷ Aluminum را برای عنصر کشف شده در آن زمان ارائه کرد، اما بعداً تصمیم گرفت تا این نام را به Aluminium تغییر دهد که با وجود ium در نام بیشتر عناصر تطبیق کند. بعدها املا Aluminium در بریتانیا و آمریکا متداول شد، اما بعد بتدریج آمریکایی‌ها برای اهداف غیرتخصصی این نام را به Aluminum برگرداندند. نام رسمی این عنصر در آمریکا و در رشته شیمی تا سال ۱۹۲۶ بصورت Aluminium بکار رفت. از این تاریخ به بعد انجمن شیمی آمریکا تصمیم به استفاده از املاء Aluminum در نشرِات خود گرفت.
کلر معایبی هم دارد که عبارتست از : - 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 .
 
انتهای پیام/