آلومینیوم ، فلز متحول کننده دنیا
آلومینیوم ، فلز متحول کننده دنیا
آلومینیوم (ویا آلومینیم) یک فلز نرم و نقره ای رنگ با چگالی ۲.۷ می باشد. این عنصر پس از اکسیژن و سیلیکون فراوان ترین ماده در پوسته ی زمین بوده که به دلیل واکنش پذیری بالای خود بندرت به صورت خالص به طور طبیعی یافت می شود. آلومینیوم خالص عموماً از سنگ بوکسید بدست می آید.
خصوصیات
ازجمله خصوصیات آلومینیوم می توان به نسبت استحکام به وزن بالا، جوش پذیری خوب، شکل پذیری عالی و مقاومت به خوردگی خوب اشاره کرد. این فلز به دلیل دارا بودن خصوصیات مذکور در صنایع گسترده ای، بویژه؛ صنعت دریایی، نیرو و خطوط انتقال برق، صنعت هوا و فضا و…مورد استفاده قرار گرفته است.
تاریخچه کشف و خالص سازی آلومینیوم
تلاش ها برای تولید فلز آلومینیوم به تاریخ ۱۷۶۰ میلادی برمی گردد. با این حال اولین تلاش موفق در سال ۱۸۲۴ میلادی توسط فیزیکدان و شیمیدان دانمارکی هانس کریستین ارستد به انجام رسید. او کلرید آلومینیوم بی آب را با آمالگام پتاسیم واکنش داد، که محصول این واکنش کلوخی از فلز مشابه قلع بود. او نتایج خود را ارائه داد و نمونه ای از این فلز جدید را در سال ۱۸۲۵ میلادی به نمایش گذاشت. در سال ۱۸۲۷ میلادی، فردریش وولر، شیمیدان آلمانی، آزمایشات ارستد را تکرار کرد اما هیچگونه آلومینیومی را شناسایی نکرد. او آزمایش مشابهی را در سال ۱۸۲۷ میلادی با مخلوط کردن کلرید آلومینیوم بدون آب با پتاسیم انجام داد و یک پودر آلومینیوم تولید کرد. در سال ۱۸۴۵ میلادی او قادر به تولید قطعات کوچکی از فلز بود و برخی از خواص فیزیکی این فلز را شرح داد. سال ها پس از آن، وهلر به عنوان کاشف آلومینیوم شناخته شد. با استفاده از روش وهلر نمی توان مقدار زیادی از آلومینیوم تولید کرد بطوری که هزینه استخراج آن حتی از فلز طلا هم بیشتر می شود.
شیمیدان فرانسوی هنری اتین یک روش صنعتی برای تولید آلومینیوم در سال ۱۸۵۴ میلادی در فرهنگستان علوم فرانسه ارائه کرد. تری کلرید آلومینیوم را می توان با سدیم کاهش داد، که فرآیندی راحت تر و ارزان‌تر از پتاسیم بود. در سال ۱۸۵۶ میلادی، دویل همراه با همکارانش اولین شرکت تولید صنعتی آلومینیوم را تأسیس کردند. از سال ۱۸۵۵ میلادی تا ۱۸۵۹ میلادی، قیمت آلومینیوم به ترتیب از ۵۰۰ دلار تا ۴۰ دلار به ازای هر کیلوگرم کاهش یافت. حتی پس از آن، آلومینیوم تولیدی هنوز خلوص زیادی نداشت و آلومینیوم تولید شده از نظر خواص از نمونه ای به نمونه دیگر متفاوت بود.
اولین روش تولید صنعتی در مقیاس بزرگ به‌طور مستقل در سال ۱۸۸۶ میلادی توسط مهندس فرانسوی پل هرولت و مهندس آمریکایی چارلز مارتین هال توسعه یافت، اکنون به عنوان فرایند هال-هرولت معروف است. فرایند هال-هرولت آلومینا را به فلز تبدیل می‌کند. کارل جوزف بایر، شیمیدان اتریشی، در سال ۱۸۸۹ میلادی راهی برای خالص سازی بوکسیت برای تولید آلومینا، که در حال حاضر به عنوان فرایند بایر شناخته می‌شود، کشف کرد. تولید مدرن فلز آلومینیوم بر اساس فرایندهای بایر و هال-هرولت است.
پس از این کشف، قیمت آلومینیوم کاهش یافت و آلومینیوم در سال های ۱۸۹۰ میلادی و اوایل قرن بیستم به‌طور گسترده ای در جواهرات، وسایل روزمره، قاب عینک، ابزارهای نوری، کارد و چنگال و فویل مورد استفاده قرار گرفت. توانایی آلومینیوم برای تولید آلیاژهای سخت در عین حال سبک در قیاس با فلزات دیگر، باعث شد که بصورت گسترده ای مورد استفاده قرار گیرد. در طول جنگ جهانی اول، دولت ها، خواستار حمل محموله های آلومینیومی برای ساخت هواپیماهای سبک مستحکم بودند.
در اواسط قرن بیستم، آلومینیوم به بخشی از زندگی روزمره و جزئی از لوازم خانگی تبدیل شده بود. در اواسط قرن بیستم، آلومینیوم به عنوان یک ماده در مهندسی عمران، با کاربردهای ساختمانی در هر دو مرحله ساخت و ساز پایه ای و کار داخلی پایانی، و به‌طور فزاینده ای در مهندسی نظامی برای هواپیما و همچنین موتورهای وسایل نقلیه زره پوش مورد استفاده قرار گرفت. اولین ماهواره ای که به فضا پرتاب شد، شامل دو نیم کره آلومینیومی جدا از هم بود و تمام وسایل نقلیه هوایی پس از آن از آلومینیوم ساخته شدند. قوطی های آلومینیومی در سال ۱۹۵۶ میلادی اختراع شده و به عنوان ذخیره سازی برای نوشیدنی ها در سال ۱۹۵۸ میلادی به کار گرفته شدند.
کاربردها
از نظر کیفیت و از نظر ارزش، آلومینیوم کاربردی‌ترین فلز بعد از آهن است، به عبارتی آلیاژهای آلومینیوم پرکاربردترین آلیاژ غیر آهنی است و تقریباً در تمامی بخش های صنعت دارای اهمیت می باشد. آلومینیوم خالص، نرم و ضعیف است، اما می تواند آلیاژهایی را با ترکیب مقادیر کمی از مس،منیزیوم، منگنز، سیلیکون و دیگر عناصر بوجود آورد که این آلیاژها ویژگی های مفید گوناگونی دارند. از آلیاژهای فوق برای ساخت اجزای مهم هواپیما، راکت، اتومبیل، کامیون، کشتی، ناوگان های دریایی، راه‌آهن، پرندههای بدون سرنشین و… استفاده می شود.
وقتی آلومینیوم را در خلاء تبخیر کنند، پوششی تشکیل می دهد که هم نور مرئی و هم گرمای تابشی را منعکس می کند. این پوشش ها لایه نازک اکسید آلومینیوم محافظ را بوجود می‌آورند که همانند پوشش های نقره خاصیت خود را از دست نمی دهند. یکی دیگر از موارد استفاده از این فلز در لایه آینه های تلسکوپ های نجومی است.
آلیاژهای آلومینیم
به منظور بهبود استحکام و دیگر ویژگی های آلومینیوم، از ترکیب آن با فلزات مختلف آلیاژهای گوناگونی ساخته شده اند که در ادامه به معرفی ویژگی ها و خصوصیات آن ها می پردازیم. برای مشخص شدن نوع آلیاژ آلومینیوم از روش های استاندارد عددی استفاده می گردد، همانند؛
۱xxx : آلومینیم با خلوص ۹۹٫۹۹ درصد یا بالاتر
۲xxx : مس، اصلی ترین عنصر استفاده شده در این نوع آلیاژ
۳xxx : منگنز، اصلی ترین عنصر ناخالصی در آلیاژ فوق
۴xxx : سیلیسیم، اصلی ترین عنصر ناخالصی در آلیاژ فوق
۵xxx : منیزیم، اصلی ترین عنصر ناخالصی در آلیاژها فوق
۶xxx : منیزیم و سیلیسیم، اصلی ترین عنصر ناخالصی در آلیاژ فوق
۷xxx : روی، با میزان ۱ تا ۸ درصد، اصلی ترین عنصر آلیاژی در آلیاژ فوق
روش نام گذاری آلیاژهای آلومینیوم
در کل آلیاژهای آلومینوم به دو روش کلی ساخته می شوند؛
۱) آلیاژهای آلومینیوم ریختگی
۲) آلیاژهای آلمینیوم نورد شده
این شماره‌ها نشان می‌دهند که در فرایند ساخت چه عناصری به آلیاژهای فوق اضافه‌شده و گروه ویژه ای از این فلزات را ساخته اند.
سیستم نام گذاری ANSI و AA
در سیستم نامگذاری ANSI و AA (Aluminum Association) برای آلیاژهای کارشده از یک مکانیزم شماره دهی چهاررقمی و برای آلیاژهای ریختگری از سیستم شماره دهی سه رقمی استفاده می شود که اولین عدد، معرف گروه بندی فلز و مهم ترین عنصر آلیاژی اضافه شده به آلیاژ است.
آلیاژهای آلمینیوم نورد شده
سری ترکیب
۱XXX آلومینیوم تقریباً خالص
۲XXX آلیاژ آلومینیوم و مس
۳XXX آلومینیوم منگنزدار
۴XXX آلومینیوم سیلیسیم‌دار
۵XXX آلیاژ آلومینیم و منیزیم
۶XXX آلیاژهایی با ترکیب منیزیم، سیلیسیم و آلومینیوم
۷XXX آلیاژهایی با ترکیب روی و آلومینیوم و منیزیم
۸XXX آلیاژ آلومینیوم با عناصر کمتر متعارف همچون لیتیم
آلیاژهای آلومینیوم ریخته‌گری شده
سری ترکیب
۱xx.x آلومینیوم تقریباً خالص
۲xx.x آلیاژ آلومینیوم و مس
۳xx.x آلومینیوم داری مس، سیلسیم و اندکی منیزیم
۴xx.x آلومینیوم سیلیسیم‌دار
۵xx.x آلیاژ آلومینیم و منیزیم
۶xx.x آلیاژهایی با ترکیب منیزیم، سیلیسیم و آلومینیوم
۷xx.x آلیاژهایی با ترکیب روی و آلومینیوم و منیزیم
۸xx.x آلیاژ آلومینیوم با عناصر کمتر متعارف همچون قلع و لیتیم
پسوندها در نامگذاری آلیاژهای آلومینیوم
علاوه بر شماره گذاری آلیاژها، برای مشخص کردن یک آلیاژ، نوع فرایند عملیات حرارتی یا فرایند ساخت آلیاژ نیز مبنای شماره گذاری است. برای این نامگذاری از حروف انگلیسی در انتهای نام آلیاژ استفاده می شود، به عنوان مثال AA 2024-T4این نامگذاری تحت استاندارد ملی آمریکا با شماره ANSI H35.1 و با عنوان سیستم تعریف شده تمپر نامیده می شود و برای تمامی روش های تولید کاربرد دارد. بسته به نوع فرایند تولید یکی از حروف؛
F برای حالت بدون تغییر
O برای حالت آنیل شده
H برای حالت کرنش سخت شده (کار سرد شده)
برای عدد اول در رده HXX
H1 کرنش سخت شده بدون عملیات حرارتی
H2 کرنش سخت شده و جزیی آنیل شده
H3 کرنش سخت شده و پایداره شده از طریق عملیات حرارتی دمای پایین
عدد دوم در رده HXX بیانگر مقدار سختی به دست آمده نسبت به حالت سختی حداکثر در آن عملیات سخت کاری است.
HX2 بیانگر سختی به میزان ۱/۴ سختی حداکثر است.
HX4 بیانگر سختی به میزان ۱/۲ سختی حداکثر است.
HX6 بیانگر سختی به میزان ۳/۴ سختی حداکثر است.
HX8 بیانگر سختی به میزان حداکثر است.
HX9 بیانگر سختی بیشتر از سختی حداکثر است.
T برای حالتی است که آلیاژها تحت عملیات حرارتی قرار گرفته باشند. این حالت بیانگر تمپرهایی است که پایدار هستند، البته به غیر از حالات Fو O یا H.
T1 سرد شده از یک فرایند شکل دهی، با درجه حرارت بالا و پیر شده به صورت طبیعی
T2 سرد شده از یک فرایند شکل دهی، با درجه حرارت بالا، کار سرد شده و پیر شده به صورت طبیعی
T3 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده، کار سرد شده و پیر شده به صورت طبیعی
T4 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده و پیر شده به صورت طبیعی
T5 سرد شده از یک فرایتد شکل دهی با دمای بالا و پیر شده به صورت مصنوعی
T6 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده و پیر شده به صورت مصنوعی
T7 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده و پایدار شده
T8 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده، کار سرد و پیر شده به صورت مصنوعی
T9 عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده، پیر شده به صورت مصنوعی و سپس کار سرد شده
T10 سرد شده از یک فرایند شکل دهی با درجه حرارت بالا، کار سرد شده و پیر شده به صورت مصنوعی
در بعضی موارد پسوندهای رده T دارای اعدادی بیش از یک رقم هستند مانند AA 224-T351 یا AA 6061- T651 که در این صورت باید موارد زیر را در نظر داشت.
TX51 بیانگر تنش زدایی بوسیله کشش بعد از عملیات حرارتی
TX52 بیانگر تنش زدایی بوسیله تنش فشاری بعد از عملیات حرارتی
TX54 بیانگر تنش زدایی بوسیله کشش و فشار بعد از عملیات حرارتی
TX6 بیانگر کار سرد به وسیله نورد تا کاهش ۶ درصد از سطح مقطع، بعد از محلول سازی و سرد کردن است.
در بین آلیاژهای بیان شده، آلیاژ ۷۰۷۵ از سختی و استحکام قابل توجهی نسبت به دیگر آلیاژهای آلومینیوم و حتی برخی از فولادها برخوردار بوده که استفاده از آن را در صنایع نظامی و هوایی بسیار گسترده کرده است.
آلیاژ آلومینیوم ۷۰۷۵
آلیاژ ۷۰۷۵ از سری آلیاژهای آلومینیوم است که در آن روی به عنوان عنصر اصلی آلیاژی به حساب می آید. از مزایای آن می توان به استحکام قابل مقایسه با بسیاری از فولادها، استحکام خستگی خوب و سطح متوسط ماشین‌کاری و از معایب آن می توان به مقاومت کمتر در برابر خوردگی در مقایسه با بسیاری از آلیاژهای آلومینیومی اشاره کرد. هزینه تولید آن بسیار بالا بوده که به همین خاطر استفاده آن را در صنایع محدود می سازد. آلیاژ آلومینیوم ۷۰۷۵ از مهمترین آلیاژهای آلومینیوم با استحکام بالا به شمار می رود که به صورت گسترده ای برای ساخت اجزاء مختلف در صنایع هوافضا، دفاعی و نظامی به کار می رود. به طوریکه در بین ۲۵ آلیاژ آلومینیوم کارپذیر رایج، آلیاژ ۷۰۷۵ به عنوان مشکل ترین آلیاژ جهت اکستروژن ارزیابی شده است.
ترکیب آلیاژ آلومینیوم ۷۰۷۵ تقریباً شامل ۵٫۶–۶٫۱٪ روی، ۲٫۱–۲٫۵٪ منیزیم، ۱٫۲–۱٫۶٪ مس و کمتر از نیم درصد سیلیکون، آهن، منگنز، تیتانیوم، کروم و دیگر فلزات می‌باشد. از مهمترین مشتقات این آلیاژ که در عملیات برگشت دادن یا تمپر کردن تولید می‌شوند می‌توان به O-7075, T6-7075 ,T651-7075 اشاره کرد.
ویژگی های مکانیکی آلیاژ ۷۰۷۵
خواص مکانیکی ۷۰۷۵ تا حد زیادی به عملیات بازپخت (Tempering) مواد بستگی دارد.
۷۰۷۵O-
در عملیات حرارتی بازگشت دهی آلیاژ ۷۰۷۵–O حداکثر مقاومت کششی PSI 40.000 و حداکثر استحکام تسلیم آن PSI 21.000 می باشد. این آلیاژ می تواند (کشش قبل از شکست نهایی) به میزان ۹ تا ۱۰ درصد طول خود افزایش طول پیدا کند. همچنین مقاومت به خوردگی و استحکام خوبی از خود به نمایش می گذارد.
۷۰۷۵-T6
آلیاژ آلومینیوم ۷۰۷۵-T6 دارای ویژگی‌هایی از جمله مقاومت به خوردگی مناسب، نسبت استحکام به وزن بالا و هدایت حرارتی خوب می باشد ولی این آلیاژها در مقابل روش‌های جوشکاری ذوبی قابلیت جوش‌پذیری ضعیفی از خود نشان می دهند.
آلیاژ عملیات حرارتی شده ۷۰۷۵-T6 دارای استحکام کششی نهایی PSI 74.000-78.000 و استحکام تسلیم PSI 63.000-69.000 می باشد. همچنین در حدود ۵ تا ۱۱ درصد افزایش طول شکست دارد.
دمای عملیات T6 معمولاً به صورت یکسان‌سازی شده از آلیاژ ۷۰۷۵ در ۴۵۰ درجه سانتی‌گراد به مدت چندین ساعت به کوئنچ و سپس در دمای ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۲۴ ساعت به پیر سختی می رسد. نوع T6 بالاترین حد استحکام تسلیم را در بین آلیاژهای ۷۰۷۵ داراست. عمدتاً منشأ اصلی این استحکام به پراکندگی و زمان رسوب‌دهی بین درون دانه ها و در امتداد مرز دانه ها بستگی دارد و در مقابل مقاومت به خوردگی تنشی کاهش می یابد.
۷۰۷۵-T651
آلیاژ عملیات حرارتی شده‌ی ۷۰۷۵-T651 دارای استحکام کششی نهایی PSI 83.000 و استحکام تسلیم PSI 73.000 می باشد. همچنین ۳ تا ۹ درصد افزایش طول شکست دارد. این خواص می تواند بسته به نوع مواد مورد استفاده تغییر کند.
۷۰۷۵-T7
آلیاژ عملیات حرارتی شده‌ی۷۰۷۵-T7 دارای استحکام کششی نهایی PSI 73.000 و استحکام تسلیم PSI 63.100 می باشد. همچنین ۱۳ درصد افزایش طول شکست دارد. دمای عملیات T7 توسط میانگین مواد (meaning aging past the peak hardness) بدست می‌آید. این امر اغلب به وسیله پیر سختی در دمای ۱۰۰-۱۲۰ درجه سانتی گراد برای چندین ساعت صورت می‌پذیرد و سپس به مدت ۲۴ ساعت یا بیشتر در دمای ۱۶۰-۱۸۰ درجه سانتی گراد نگهداشته می شود. دمای عملیات T7 یک میکرو ساختار ازeta تولید می کند. در مقابل در دمای عملیات T6 این ذرات eta بسیار بزرگ هستند و تمایل به رشد در امتداد مرز دانه ها دارند. این امر حساسیت تنش ترک خوردگی را کاهش می دهد. دمای عملیات T7 یکسان با دمای عملیات T73 می باشد.
۷۰۷۵-RRA
همان‌طور که در بالا ذکر شد در عملیات حرارتی T6 استحکام و سختی افزایش و در عوض، مقاومت به خوردگی تنشی(SCC) کاهش می یابد. برای افزایش مقاومت به SCC همراه با حفظ یا تقویت استحکام و سختی عملیات حرارتی برگشت پیرسازی مجدد (RRA) بر روی نمونه های آلومینیومی ۷۰۷۵ فورج شده در شرایط T6 مورد استفاده قرار می گیرد.
کاربردها آلیاژ ۷۰۷۵ آلومینیوم
آلیاژهای سری ۷۰۰۰ از قبیل ۷۰۷۵ اغلب در صنایع حمل و نقل از جمله حمل و نقل دریایی، نظامی، هوایی و خودروها به دلیل بالا بودن نسبت استحکام به چگالی مورد استفاده قرار می گیرد و همچنین این قابلیت سبکی و استحکام بالا باعث شده تا این آلیاژ در تجهیزات صخره نوردی، قطعات دوچرخه، قاب اسکیت‌ها و بدنه گلایدرها نیز به کار برده شود.
در بدنه اغلب مدل‌های سرگرمی رادیو کنترل معمولاً از آلیاژهای ۷۰۷۵ و ۶۰۶۱ برای صفحات شاسی استفاده شود.
به اشتراك گذاری این نوشته
باسلام
متن مختصر و بسیار مفید و کاربردی بود.
ضمنا بسیار باعث خوشحالی است که شرکت داخلی ای توانسته موتور براشلس تولید کند و به عنوان محصول عرضه کند.
آرزوی موفقیت روزافزون
بسیار عالی و جامع
آرزوی توفیق روزافزون