آلومینیوم یا آلومینیم چیست

(به فرانسوی: aluminium) عنصری شیمیایی با عدد اتمی ۱۳ و نشان شیمیایی Al است. چگالی آلومینیوم کمتر از سایر فلزات رایج است، و تقریباً یک سوم چگالی فولاد است. این عنصر میل زیادی به اکسیژن دارد و هنگام قرار گرفتن در معرض هوا ، یک لایه اکسید محافظ بر روی سطح تشکیل می‌دهد. آلومینیوم از نظر ظاهری، هم از نظر رنگ و هم از نظر توانایی زیاد در انعکاس نور، به نقره شباهت دارد. این عنصر نرم، غیر مغناطیسی و شکل پذیر است. آلومینیوم یک ایزوتوپ پایدار دارد، ^۲۷Al؛ این ایزوتوپ بسیار رایج است و آلومینیوم را به دوازدهمین عنصر رایج در جهان تبدیل می‌کند. خاصیت رادیواکتیویته ^۲۶Al در تاریخ‌یابی رادیومتریک استفاده می‌شود.

پایین بودن نسبی قیمت و بالا بودن استحکام آلومینیوم و آلیاژهای آن سبب شده‌است که آلومینیوم در بین فلزات غیر آهنی بیشترین کاربرد را در ساخت قطعات داشته باشد. قطعات آلومینیومی را می‌توان به روش‌های ریخته‌گری ماسه ای، ریخته‌گری تحت فشار، کارسرد (Cold Working) یا کار گرم (Hot Working) و اکستروژن ساخت.

آلیاژهای آلومینیوم دارای قابلیت ماشینکاری، پرسکاری، لحیم کاری نرم، لحیم کاری سخت و جوشکاری می‌باشند. آلومینیوم خالص در دمای ۶۶۰ درجه سلسیوس ذوب می‌شود، که برای تولید قطعات به روش ریخته‌گری ماسه ای یا ریخته‌گری تحت فشار بسیار مناسب است.

آلومینیوم به صورت ورق، مفتول، تسمه، فویل، میل گرد، لوله و پروفیل‌های ساختمانی و اکسترود شده در بازار موجود است. در جوشکاری یا لحیم کاری قطعات آلومینیومی بایستی به نکات خاصی توجه کرد چرا که همه آلیاژهای آلومینیوم قابلیت جوشکاری ندارند.

مقاومت به خوردگی آلیاژهای آلومینیوم بستگی به کیفیت پوشش اکسیدی نازکی دارد که بر روی آنها تشکیل می‌شود. از آنجا که آلومینیوم فلز فعالی است، این پوشش به سرعت بر روی آن شکل می‌گیرد. خراش یا سایش این پوشش امکان خوردگی این فلز را به وجود می‌آورد. به روش آنودایز کردن می‌توان یک پوشش اکسیدی ضخیم بر روی سطح آلومینیوم ایجاد کرد.

استخراج، تولید و خالص سازی

برای تولید آلومینیم به انرژی فراوانی نیاز است، به همین دلیل تولیدکنندگان سعی می‌کنند کارخانه‌های ذوب خود را در مکان‌هایی بنا کنند که هم برق فراوان موجود و هم ارزان باشد. در سال ۲۰۱۲ بزرگترین کارخانه‌های ذوب آلومینیم در چین، روسیه، بحرین، امارات متحده عربی و آفریقای جنوبی واقع شده بود. در سال ۲۰۱۶، چین بزرگترین تولیدکننده آلومینیوم در جهان با سهم ۵۵ درصد بود. بزرگترین کشورهای تولیدکننده بعدی روسیه، کانادا، هند و امارات متحده عربی بودند.

در سال ۲۰۱۹ چین با تولید ۳۶ میلیون تن بزرگترین تولیدکننده آلومینیوم بوده‌است

 

خط طیف نوری آلومینیوم

 

 

آلیاژهای آلومینیم

آلیاژ آلومینیوم یک ترکیب شیمیایی است که در آن عناصر دیگر به منظور تقویت خواص آلومینیوم خالص، (به ویژه استحکام) به آن اضافه می‌شوند. این عناصر شامل: آهن، سیلیکن، مس، منگنز، منیزیم و روی هستند و روی هم رفته می‌توانند تا ۱۵ درصد جرمی آلیاژ را تشکیل دهند. آلیاژهای آلومینیوم را با اعداد چهار رقمی مشخص می‌کنند، که در آن رقم اول یک کلاس عمومی یا سری خاص را مشخص می‌کند، که تعیین‌کننده دسته خاصی با عناصر آلیاژی اصلی می‌باشد.

-آلومینیم خالص تجاری

1xxx

آلیاژهای سری 1xxx آلومینیوم با خلوص ۹۹ درصد یا بالاتر هستند. این سری از مقاومت در برابر خوردگی عالی، قابلیت شکل‌پذیری و کار عالی و همچنین هدایت الکتریکی و حرارتی بالایی برخوردار است. به همین دلیل از آلیاژهای سری 1xxx به‌طور معمول در خطوط انتقال برق استفاده می‌شود. از آلیاژهای معروف این سری می‌توان به آلیاژ ۱۳۵۰ برای کاربردهای الکتریکی و ۱۱۰۰ برای جعبه‌های بسته‌بندی غذا اشاره کرد.

-آلیاژهای قابل عملیات حرارتی

2xxx

در سری 2xxx، مس به عنوان عنصر آلیاژی اصلی مورد استفاده قرار می‌گیرد و می‌توان به‌طور چشمگیری استحکام آن را از طریق عملیات حرارتی محلول افزایش داد. این سری از آلیاژها ترکیب خوبی از استحکام بالا و سفتی از خود نشان می‌دهند، اما برخلاف بسیاری از آلیاژهای دیگر آلومینیوم، مقاومت به خوردگی اتمسفری بالایی ندارند. به همین دلیل در چنین کاربردهایی اغلب رنگ شده یا روکش کاری می‌شوند. برای روکش کاری این آلیاژ معمولاً از آلیاژهای سری 6xxx یا آلومینیوم خلوص بالا استفاده می‌شود، چرا که این آلیاژها مقاومت بالایی در مقابل خوردگی دارند. آلیاژ ۲۰۲۴ که در صنعت هواپیماسازی کاربرد دارد یکی از معروف‌ترین آلیاژهای این سری می‌باشد.

6xxx

سری 6xxx آلیاژ همه‌کاره است؛ قابل عملیات حرارتی بوده، قابلیت شکل دهی بالایی دارد. همچنین قابل جوشکاری بوده و از استحکام تقریباً بالا، به همراه مقاومت به خوردگی خوبی برخوردار است. برای شکل دهی منیزیم سلیسید، این آلیاژها حاوی منیزیم و سلیسیم هستند. در کاربردهای معماری و ساخت سازه آلومینیومی، آلیاژهای 6xxx اولین انتخاب هستند. آلیاژ ۶۰۶۱ پرکاربردترین آلیاژ در این سری است و اغلب در ساخت فریم‌های کامیون‌ها و سازه‌های دریایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین قاب گوشی آیفون ۶ از این آلیاژ ساخته شده‌است.

7xxx

عنصر روی ماده اصلی آلیاژی این سری است و وقتی منیزیم به مقدار کمتری اضافه شود، نتیجه یک آلیاژ قابل عملیات حرارتی و استحکام بسیار بالا خواهد بود. عناصر دیگری مانند مس و کروم را نیز می‌توان به مقدار کمی اضافه کرد. شناخته شده‌ترین آلیاژهای این سری، آلیاژهای ۷۰۵۰ و ۷۰۷۵ هستند که در صنعت ساخت هواپیما بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. ساعت آلومینیومی اپل، که در سال ۲۰۱۵ منتشر شد، از آلیاژ سری 7xxx سفارشی ساخته شده‌است.

-آلیاژهای غیرقابل عملیات حرارتی

استحکام آلیاژهای غیرقابل عملیات حرارتی را از طریق کار سرد (Cold Working) افزایش می‌دهند. «کار سرد» در فرایندهایی مانند نورد و آهنگری در دماهای معمولی اتفاق می‌افتد و به عملیات «کار» بر روی فلز برای افزایش استحکام آن گفته می‌شود. برای مثال هر چه یک ورق بیشتر نورد می‌شود و نازکتر می‌گردد استحکام آن افزایش می‌یابد و این به دلیل از بین رفتن حفره‌ها و ترک‌های میکروسکوپی موجود در فلز است. عناصر آلیاژی مانند منیزیم به افزایش این اثر کمک می‌کنند.

3xxx

منگنز عنصر اصلی آلیاژی در این سری است که اغلب با مقادیر کمتری منیزیم اضافه می‌شود. با این حال، تنها درصد محدودی از منگنز را می‌توان به‌طور مؤثر به آلومینیوم اضافه کرد. ۳۰۰۳ یک آلیاژ محبوب برای مقاصد عمومی است زیرا از استحکام متوسط و کارایی خوبی برخوردار است و ممکن است در کاربردهایی مانند مبدل‌های حرارتی و وسایل آشپزی استفاده شود. آلیاژ ۳۰۰۴ و اصلاح شده‌های آن در بدنه قوطی‌های نوشیدنی آلومینیومی استفاده می‌شود.

4xxx

آلیاژهای سری 4xxx با سیلیسیم ساخته می‌شوند، و می‌توان برای کاهش دمای ذوب آلومینیوم مقادیر مناسبی از آن را اضافه کرد، بدون اینکه در آلیاژ تردی و شکنندگی ایجاد شود. به همین دلیل از آلیاژهای سری 4xxx، به دلیل دمای ذوب نسبتاً پایین می‌توان سیم جوش‌ها و سیم لحیم‌های فوق‌العاده ای ساخت. آلیاژ ۴۰۴۳ یکی از پرکاربردترین آلیاژهای این سری محسوب شده و از آن برای تولید سیم جوش در جوشکاری آلیاژهای سری 6xxx در صنایع خودروسازی و سازه‌ها استفاده می‌شود.

5xxx

منیزیم ماده آلیاژی اصلی در سری 5xxx است و یکی از مؤثرترین و پرکاربردترین عناصر آلیاژی آلومینیوم است. آلیاژهای این سری از استحکام متوسط تا زیاد، و قابلیت جوشکاری و مقاومت به خوردگی در محیط‌های دریایی بالایی برخوردار هستند. به همین دلیل از آلیاژهای منیزیم-آلومینیوم به‌طور گسترده‌ای در ساختمان سازی و ساخت مخازن ذخیره‌سازی، مخازن تحت فشار و ساخت تجهیزات دریایی استفاده می‌شود. نمونه‌هایی از کاربردهای آلیاژی متداول این سری عبارتند از: ۵۰۵۲ در صنعت الکترونیک، ۵۰۸۳ در کاربردهای دریایی، ورق ۵۰۰۵ آنودایز شده برای مصارف معماری و ۵۱۸۲ در ساخت در قوطی‌های آلومینیومی. خودروی جنگی برادلی ارتش آمریکا از آلیاژ ۵۰۸۳ و آلومینیوم سری 7xxx ساخته شده‌است.

ویژگی‌های اتمی

 

عدد اکسایش	−۲, −۱, +۱,[۲] +۲,[۳] +۳ (an amphoteric اکسید)
الکترونگاتیوی	مقیاس پائولینگ: ۱.۶۱
انرژی یونش	(بیشتر)
شعاع اتمی	empirical: 143 pm
شعاع کووالانسی	pm ۱۲۱±۴
شعاع واندروالسی	۱۸۴ pm

 

ویژگی‌های فیزیکی
فاز در STP	جامد
نقطه ذوب	۹۳۳.۴۷ K ​(۶۶۰.۳۲ °C, ​۱۲۲۰.۵۸ °F)
نقطه جوش	۲۷۴۳ K ​(۲۴۷۰ °C, ​۴۴۷۸ °F)
چگالی (near r.t.)	۲.۷۰ g/cm۳
در حالت مایع (at m.p.)	۲.۳۷۵ g/cm۳
حرارت همجوشی	۱۰.۷۱ kJ/mol
آنتالپی تبخیر	۲۸۴ kJ/mol
ظرفیت حرارتی مولی	۲۴.۲۰ J/(mol·K)

عدد اتمی (Z)	۱۳
گروه	گروه ۱۳ (گروه بور)
دوره	دوره ۳
بلوک	بلوک-p
دسته	Post-transition metal
آرایش الکترونی	[Ne] 3s۲ 3p۱
لایه الکترونی	۳,۸,۲