برای بررسی آلومینیم و آلیاژهای آن

آلومینیم و آلیاژهای آن
برای بررسی آلومینیم و آلیاژهای آن (Aluminium & Aluminium Alloys) ابتدا به تاریخچه آن پرداخته می شود. آلومینیم در سال 1855 برای نخستین بار در کشور فرانسه و به روش احیا کلرید آلومینیم با سدیم تهیه شد. مصرف نظامی این عنصر سبب گردید که این فلز مورد توجه قرار گیرد. در سال 1886، هال (Hall) در آمریکا و هرولت (Heroult) در فرانسه به طور مستقل از هم به روشی اقتصادی برای تولید آلومینیم دست یافتند. ابداع این روش جدید منجر به کاهش قابل ملاحظه قیمت آلومینیم شد که در نتیجه آن در عرض دو سال بعد قیمت آلومینیم به هر کیلو 4 دلار افت پیدا کرد. از این پس لزوم تولید آلومینیم به عنوان یک فلز کاربردی تجاری، به در دسترس بودن مقادیر زیاد انرژی برق ارزان قیمت منوط شد.

استخراج آلومینیم
آلومینیم از کانی {{بوکسیت}} استخراج می شود که حاوی 40 الی 60 درصد {{آلومینا}}ی هیدراته به همراه اکسید آهن، سیلیس و تیتان است. این اسم از نام les Baux، ناحیه ای در فرانسه که اولین بار این سنگ معدن را از آنجا استخراج کردند، گرفته شده است. بوکسیت از هوازدگی سنگ هایی مانند گرانیت و بازالت که حاوی مقادیر زیادی از آلومینیم هستند، ایجاد می شود. بزرگترین منابع این کانی در مناطق گرمسیر مانند شمال استرالیا، گینه و برزیل است. ذخایر بوکسیت با عیار بالا و مقادیر کم سیلیس عمر طولانی ندارند و برای استفاده از بوکسیت با مقادیر زیاد سیلیس، باید از روش فلوتاسیون استفاده کرد که استفاده از روش فلوتاسیون به بهای این فلز می افزاید.
در خاک رس، سنگ های رسی و سایر مینرال ها مقادیر بسیار زیادی آلومینیم وجود دارد ولی استخراج آن از این مواد مشکل و غیر اقتصادی است. یک استثنا در این مورد کشور روسیه است که در آن ذخایر بوکسیت پرعیار موجود نیست و چند کارخانه تولیدی در مناطقی دور از منابع این سنگ معدن وجود دارد.

برای تولید آلومینیم از کانی بوکسیت باید از دو مرحله مجزا استفاده کرد:

1- تولید آلومینا (اکسید آلومینیم)

2-استخراج آلومینیم از آلومینا.

برای تهیه آلومینا از بوکسیت از روش بایر استفاده می شود. در روش بایر، بوکسیت را در سود غلیظ و در دمای 240oC حل می کنند. ناخالصی های اکسید آهن و سیلیکا به صورت لجن قرمز رسوب کرده و به وسیله فیلتر کردن از محلول جدا می شوند. بلورهای تری هیدرات آلومینیم را به عنوان جوانه های اولیه به محلول اضافه می کنند و مطابق رابطه زیر سود و تری هیدروکسید آلومینیم تولید می شوند. 
سود بازیافت شده از مرحله فوق مجددا به ابتدای خط باز می گردد و مورد استفاده قرار می گیرد. برای تهیه آلومینا از هیدروکسید آلومینیوم باید تکلیس صورت بگیرد. تکلیس هیدروکسید آلومینیوم در دمای 1200 درجه سانتی گراد انجام گرفته که در نتیجه آن، آب ساختاری آن خارج شده و پودر آلومینا تهیه می شود. برخی کیفیت این بخش را تاثیر گذار در میزان قیمت آلومینیوم میدانند.
در مرحله دوم، آلومینا را در کریولیت مذاب (Na2ALF6) حل می کنند. نمونه ای از ترکیب این محلول، دارای 80 الی 90 درصد کریولیت و 2 الی 8 درصد آلومینا به همراه فلورایدهای آلومینیوم و کلسیم است. از طریق فرآیند الکترولیز از این محلول، آلومینیم بدست می آید.
مکانیزم واکنش الکترولیتی در سلول هنوز مشخص نیست، ولی گمان می رود که یون های Na+، AlF4-، AlF63- و یون های پیچیده تری مانند AlOF32- حامل جریان برق باشند. یون های فلوراید آلومینیوم و یون های فلوئور در کاتد و یون های پیچیده تر در آند تجمع می کنند. واکنش آند به شکل زیر است:

تولید شمش آلومینیم 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.