آلومینیوم و اکستروژن

الف – عنصر آلومینیوم را بشناسیم

آلومینیوم عنصری فلزی است با عدد اتمی 13 و جرم اتمی 98/26.

این عنصر سومین عنصر پس از اکسیژن و سیلیکون به لحاظ فراوانی، در پوسته کره زمین است، این فلز نیز مانند اکثر فلزات دیگر به صورت اکسید در پوسته زمین موجود است. اتم آلومینیوم دارنده 13 الکترون در سه لایه اوربیتالی است که تعداد الکترون های لایه نهایی تعیین کننده ظرفیت آن است. این بدان معنی است که آلومینیوم سه الکترون در لایه ظرفیتی خود دارد ، از همین رو عنصری سه ظرفیتی محسوب میگردد .

همه فلزات پس ازمذاب به حالت جامد تغییر حالت می دهند که پس از این تغییر حالت ،ساختاری در آنها ایجاد میگردد بنام ساختار کریستالی، دراین وضعیت اتم های فلز تحت الگوهای خاصی در کنار هم قرارمی گیرند و ساختار خاصی را پدید می آورند که به عنوان شبکه کریستالی نامیده میشوند.

آلومینیوم نیز مانند طلا ، نقره و مس واجد بافتار کریستالی مکعب با سطوح مرکز دار می باشد. در این بافتار، اتمها در زوایای مکعب و مراکز ابعاد کریستالی فلز قرار دارند، این شکل آرایش اتم ها امکان بیشترین حرکت و لغزش را فراهم می سازد که سبب افزایش امکان شکل و فرم پذیری آن فلز میگردد. آلومینیوم، مس و سایر فلزات با قابلیت شکل پذیری بالا دارای این شبکه کریستالی هستند.

آلومینیوم در برابر خوردگی از مقاومت بسیار بالایی برخوردار است و این امر ناشی از میل ترکیبی فوق العاده این فلز با اکسیژن است که لایه اکسیدی پایداری را در سریعترین زمان بر روی سطح فلز ایجاد می نماید.

این فلز در اسیدها قابلیت حلالیت اندکی دارد، اما در بازهای قوی به خوبی حل می گردد.

آلومینوم خالص در 660 درجه در فشار اتمسفرذوب می گردد این مقدار برای آلومینیوم با خلوص 5/99 درصد 635 درجه سانتیگراد می باشد. اضافه کردن عناصر آلیاژی نقطه ذوب را تغییر میدهد برای مثال برخی آلیاژهای Al-Mgحتی در 500 درجه سانتیگراد ذوب می شوند.

ویژگی های آلومینیوم و آلیاژهای آن که موجب گردیده عنوان فلز جادویی به آن داده شود به طور خلاصه از این قرار است:

1-چگالی پایین – وزن مخصوص تنها 2.7 Mg/m3 ( حدود0/1 اینچ مکعب ) که به تقریب 3/1 وزن مخصوص فولا و مس و برنج می باشد .

2- مقاومت به خوردگی بالا

3- نسبت استحکام به وزن بالا – آلومینیوم ، فلز بسیار محکمی است و برخی آلیاژهای آن به مراتب از فولادهای سازه ای

محکم ترند .

4- چقرمگی شکست بالا

5- انتقال حرارت عالی

6- هدایت الکتریکی بالا و بازتاب انرژی تابشی بسیار بالا

7- غیر سمی بودن

8- جرقه نزدن و غیر مغناطیسی بودن

9- افزایش استحکام در دماهای پایین

10- شکل پذیری عالی

11- جوش پذیری خوب در برخی از آلیاژها

12- ظاهری بسیار زیبا و کارپذیر

13- بهای بالای ضایعات (آلومینیوم بعنوان بانک انرژی شناخته می شود)

14- قابلیت بازیافت آسان

فلز آلومینیوم در جهان امروز نقشی تعیین کننده و قابل ملاحظه دارد ، به نحوی که یکی از شاخصه های توسعه صنعتی کشورهای جهان، سرانه تولید و مصرف آن می باشد.

 

ب- تاریخچه آلومینیوم و شیوه استخراج و استحصال آن

جالب است بدانیم در حالی که تاریخ تولید و استفاده از فلز آلومینیوم در جهان به دو قرن هم نمی رسد اما پس از فولاد دومین فلز پرمصرف جهان است، در حالی که مس و فولاد پیشینه ی هزاره ای دارند و آلومینیوم در مقایسه با آنها فلز جوانی است و این فلز به واسطه خواص جادویی خود با وجود عمر اندک، دامنه مصرف و ارزش بسیار بالایی در صنایع مختلف پیدا نموده است.

علت جوانی و عمر اندک این فلز را باید در نوع سنگ معدن و روشها و هرینه تمام شده بسیار بالای استخراج و استحصال آن جستجوکرد، آلومینیوم نیز مانند بیشتر فلزات میل ترکیبی با اکسیژن دارد لذا آلومینیوم خالص در طبیعت موجود نیست و باید آن را از سنگ معدن اکسیدی استحصال نمود که بشر در آغاز قرن نوزدهم به شیوه ها و روش های تولید صنعتی آن دست یافت.

بنا به شواهد تاریخی اولین تلاشها برای دست یابی به این فلز جادویی از سال 1760 میلادی آغاز گردیده است و اولین موفقیت بیش ازشصت سال بعد یعنی در سال 1824 بوسیله هانس کریستین آریستید شیمیدان دانمارکی بدست آمد، او در سال 1825 نتایج اولیه آزمایشات خود را ارائه داد و کلوخه ای شبیه به فلز قلع را به نمایش گذاشت.

پس از آریستید، فردریش وهلر شیمیدان آلمانی قطعات کوچکی از آلومینیوم را در آزمایشگاه تولید نمود و موفق شد برخی خواص فیزیکی این فلز را شرح دهد، با روش وهلر نمیتوان آلومینیوم زیادی تولید نمود زیرا هزینه تولید آن بیش از طلا خواهد بود در عین حال سالها بعد نام فردریش وهلر بعنوان کاشف آلومینیوم شناخته شد.

در سال 1855 هنری اتین سن کلردویل شیمیدان فرانسوی با استفاده از سدیم، تری کلرید آلومینیوم را کاهش داد که فرایندی ارزانتر وسهل تر از پتاسیم بود که وهلر به آن دست یافته بود، و اینگونه بود که آلومینیوم در مقیاس تجاری آن تولید شد و بدین ترتیب آلومینیوم بعنوان فلزی بسیار کمیاب و گران قیمت (حدود 500 دلار در کیلو به قیمت امروز ) حتی به قصر ناپلئون سوم به جای ظروف طلا راه یافت و مورد استفاده قرار گرفت.

در سال 1886 اولین روش صنعتی تولید آلومینیوم در مقیاس بزرگ و به طور مستقل توسط چارلز مارتین هال شیمیدان و مهندس 23 ساله نابغه امریکایی کشف شد، جالب اینکه هم زمان نیز پائول هرولت شیمیدان اهل فرانسه از همان مسیر هال، یعنی دستیابی به فلز آلومینیوم از آلومینا با روش الکترولیز، به تولید آلومینیوم به روش اقتصادی دست یافت. و اکنون نیز فرایند تولید آلومینیوم به فرایند هال – هرولت مشهور است و در حال حاضر نیز مبنای تولید صنعتی آلومینیوم قرار دارد.

در سال 1889 کارل جوزف بایر دانشمند شهیر آلمانی فرایند هال – هرولت را به طرز چشمگیری بهبود بخشید به نحوی که پس از آن تحویل بسیار عظیمی در تولید تجاری فلز آلومینیوم با روش الکترولیز و استخراج آلومینیوم از بوکسیت پدید آمد، به نحوی که هم اینک تولید مدرن و تکنولوژیک فلز آلومینیوم بر اساس فرایندهای هال – هرولت – بایر است.

با ابداع این روش بدیع و علمی و عملی قیمت آلومینیوم در جهان کاهش بسیار چشمگیری یافته و بعنوان فلزی اقتصادی و در دسترس همگان شناخته شد و لذا در قرن بیستم این فلز جوان و جادویی عرصه های صنعتی گوناگونی را در نوردید و صنعت آلومینیوم شکوفا شد و نشانه های این شکوفایی استفاده بخش بزرگی از طیف های گوناگون صنعتی از این فلز است به نحوی که آلومینیوم پر کاربرد ترین آلیاژ غیر آهنی است.

برای دستیابی به فلز آلومینیوم باید سه مرحله پیموده شود: اول – بوکسیت از معادن روباز استخراج گردیده و در محل شکسته شده ودانه بندی میگردد و سپس تحت عمل پر عیار نمودن قرار میگیرد و برای تصفیه آماده می شود. دوم – عمل تصفیه بوکسیت به روش انجام می گردد. فرایند تصفیه یک فرایند شیمیایی است که طی آن آلومینا از ناخالصی های موجود در بوکسیت جدا می شود 

سوم – در این مرحله عملیات ذوب صورت می پذیرد، در این مرحله به روش الکترولیز که شیوه ی ابداعی هال – هرولت بوده است فلز آلومینیوم از آلومینا استحصال میشود.

ترتیب وزنی استحصال آلومینیوم از بوکسیت همواره مضرب دو برابر می باشد، بدین ترتیب که برای تولید هر تن آلومینیوم به دو تن آلومینا و حدود 4 تن بوکسیت (عیار شده ) نیاز است و علاوه بر آن در فرایند تولید 500 کیلوگرم کربن نیز بعنوان آند مورد نیاز می باشد.

عملیات احیاء آلومینیوم در کارخانجات بسیار بزرگ و با مصرف بسیار زیاد انرژی صورت می پذیرد. دراین کارخانجات دیگ های بزرگی به ابعاد 1*4*8 متر وجود دارند که هر کدام یک سلول الکترولیز هستند، در فرایند احیا، آند از بالا وارد سلول الکترولیز گردیده و کاتد در کف آن قرار دارد، جنس آند و کاتد از کربن است، هنگامی که جریان مستقیم اتصال پیدا می کند الکترولیت مقاومت بسیار زیادی در برابر جریان نموده و به همین دلیل جریان الکتریکی به حرارت تبدیل شده و دمال سلول الکترولیز را به بیش از 950 درجه سانتیگراد می رساند.

این انرژی موجب احیاء یون در کاتد و احیاء اکسیژن در آند می شود.

در این میزان حرارت الکترولیت ذوب شده و اکسید آلومینیوم را نیز در خود حل می کند، اکسید آلومینیوم حل شده در الکترولیت درمیدان الکترولیز تجزیه شده و یون حاوی آلومینیوم در کاتد به فلز آلومینیوم تبدیل گریده و یون اکسیژن نیز به آند انتقال می یابد و در تماس با کربن آند به شکل CO2 یا CO از سلول الکترولیز خارج می گردد.

انقلاب در روش تولید آلومینیوم: در سال 2019 اعلام شد که دو غول بزرگ صنعت آلومینیوم جهان، ریوتینتو و آلکوا با همکاری وسرمایه گذاری مشترک شرکت اپل و دولت کانادا به فناوری دست یافته اند که تولید کربن را از فرایند تولید آلومینیوم حذف نموده و به جای آن اکسیژن تولید شده و تولید مستقیم تمامی گازهای گلخانه ای از فرایند تولید حذف میگردد و این بدان معنی است که تحول وانقلابی بسیار عظیم در صنعت آلومینیوم ایجاد خواهد شد که یک نمونه آن اینکه اگر SMELTERS به طور کامل اجرا شود کاهش انتشار سالانه 5/6 میلیون تن گازهای گلخانه ای فقط در کشور کانادا را به همراه خواهد داشت.

ج – با اکستروژن آلومینیوم آشنا شویم

مقاطع آلومینیومی با روشهای: ریخته گری ماسه ای، ریخته گری تحت فشار، Cold working ، Hot working و اکستروژن،ساخته می شود.

اکسترود آلومینیوم یک روش تولید مقاطع و اشکال از ساده تا پیچیده در طول های بلند می باشد که ضمن دقت هندسی

بالا، از بهای تمام شده مناسب برخوردار است، بنا بر این بعنوان روشی به نسبت ارزان و در نتیجه پر اقبال شناخته

می شود.

با اینکه طول عمر صنعت اکستروژن آلومینیوم در جهان قریب یک قرن می باشد، اما چنان تقاضا برای استفاده از مقاطع مختلف آلومینیومی اکسترود شده رو به فزونی است که هر روزه شاهد جایگزینی و بهسازی آن در رشته ها و شاخه های گوناگون صنعت هستیم، به گونه ای که امروزه آلومینیوم پس از فولاد پر مصرف ترین فلز دنیا شناخته می شود.

بعنوان نمونه مصنوعات و مقاطع اکسترود شده آلومینیوم پنجاه درصد بازار محصولات آلومینیومی اروپا را شامل  می گردد که در نوع خود عدد بزرگی است، علاوه بر صنعت ساختمان که بزرگترین مصرف کننده محصولات اکسترود شده آلومینیومی است، در سایر صنایع از قبیل صنعت حمل و نقل، صنعت برق – الکتریک و الکترونیک، صنعت انواع مبلمان، صنایع پزشکی و توانبخشی، صنایع لوازم خانگی، صنت نساجی، صنعت کشاورزی – دام و طیور،صنایع ماشین سازی، صنایع هوایی، صنعت تهویه و تبرید و سایر صنایع نیز کاربردهای فراوان دارد.

چنانچه ملاحظه میگردد میزان وزنی وتنوع میزان صنایع متقاضی مقاطع اکسترود شده آلومینیومی اهمیت این صنعت جوان را درجهان بازتاب می دهد و بیان گر این نکته است که این صنعت تازه در آغاز راه است و نوآوری های پی در پی در این صنعت و صنایع تبعی، نویدگر توسعه و پیشرفت روزافزون این صنعت در دنیای فردا است.

اکستروژن یک فرایند متراکم سازی غیر مستقیم است که طی این فرایند بلوک آلومینیوم (بیلت) با تغییر شکل پلاستیک بر اثر اعمال نیرو از قالبی فولادی با سطح مقطعی کوچکتر عبور میکند. تماس بیلت با محفظه قالب (سنبه ) و قالب (ماتریس) تنش های فشاری بالایی ایجاد مینماید که این تنش ها احتمال ایجاد ترک سطحی بیلت حین انجام فرایند تزریق را کاهش می دهند.

بهترین شیوه تولید برای شکستن ساختار ریختگی بیلت، عملیات اکستروژن است زیرا در این فرایند بیلت تنها تحت نیروهای فشاری است.

اکستروژن به طور معمول به دوروش سرد و گرم انجام میگردد که بستگی به نوع آلیاژ و روش تولید دارد. در عملیات اکسترود گرم به منظور تسهیل عملیات تغییر شکل پلاستیک، بیلت پیش گرم می شود.

فرآیندهای اکستروژن به دو دسته اصلی تقسیم میشوند: 1- اکستروژن مستقیم و 2- اکستروزن غیر مستقیم.

اکستروژن مستقیم : این روش متداول ترین و رایج ترین روش تولید است که در آن حرکت محصول و پیستون هم جهت می باشد.

در این روش قالب ثابت است و نیروی وارده بوسیله پیستون، بیلت را به درون قالب فشار می دهد به بیان دیگر سیلان فلز هم جهت با حرکت رام است.

به طور تجربی سیکل نیرو درفرایند اکسترود مستقیم برای هر بیلت در سه مرحله قابلیت تشخیص دارد:

1-در ابتدای قرار گرفتن بیلت در پشت قالب، فشار در سریعترین زمان افزایش یافته تا به حداکثر میزان خود برسد به این فشار به اصطلاح فشار اولیه نیز می گویند (این فشار بسته به آلیاژ آلومینیوم – توان دستگاه اکستروژن در تولید نیرو – ابعاد بیلت و شکل سطح مقطع خروجی قالب متغیر است ).

2- در این مرحله اکستروژن به حالت پایدار رسیده و فشار اولیه کاهش می یابد.

3- فشار به کمترین مقدار می رسد و سپس بطور ناگهانی و لحظه ای افزایش می یابد، علت افزایش ناگهانی فشار، فشرده شدن نهایی آلومینیوم در Dead Zone کنتینر می باشد.

اکستروژن بیلت به بیلت: برخی از آلیاژهای آلومینیوم که در دما و فشار اکستروژن به راحتی به یکدیگر جوش می خورند به روش بیلت به بیلت تولید می شوند. در این روش علاوه بر اینکه شکل هندسی مقاطع حفظ میگردد امکان پیوستگی طولی مقاطع را تا هر بر روی آنها انجام میگیرد بسیار مناسب است.

در عملیات اکستروزن بیلت به بیلت برای اتصال مناسب مقطع شرایط ذیل می بایست مراعات شود:

1-در دمای تغییر شکل، آلیاژ جوش پذیر باشد

2- دمای فرآیند حتی المقدور قابل کنترل باشد

3-سطح بیلت قبلی و بیلت بعدی تمیز بوده و عاری از هرگونه چربی باشد

4- هواگیری کنتینر و محفظه قالب در آغاز فرایند اکسترود

اکستروژن غیر مستقیم: در این روش حرکت نسبی بین محفظه قالب و بیلت وجود ندارد، یک قالب که در قسمت جلویی سنبه توخالی قراردارد ( نسبت به قطر محفظه قالب ) حرکت می کند. به بیان دیگر در اکستروژن غیر مستقیم حرکت پیستون و محصول مخالف یکدیگر بوده و به خلاف اکستروژن مستقیم هم جهت نیستند.

مزایای اکستروزن به روش غیر مستقیم عبارتند از:

1-تزریق بیلت های با طول بیشتر به دلیل کاهش اثرات نیروی اصطکاک

2- به حداقل رسیدن احتمال ایجاد ترک در سطح محصول بدلیل کاهش حرارت ناشی از اصطکاک

3- کاهش عیوب ناشی از عملیات اکسترود

معایب این روش نیز به طور عمده عبارتند از:

1-اثرگذاری ناخالصی ها و عیوب احتمالی بیلت بر سطح محصول

2- محدودیت کاربردی بدلیل محدودیت ابعادی قالب و بالتبع سطح مقطع تولیدی

اکستروژن هیدرو استاتیک: اکستروژن هیدرواستاتیک یکی از روشهای شکل دهی شدید به فلزات می باشد که به منظور نهایی دستیابی به ریز ساختار انجام میگردد که حاصل آن تولید مواد نانو ساختار می باشد.

این روش اکستروژن که از شیوه های نوین می باشد به سه روش سرد و گرم و داغ انجام می گردد. فرایند تولید این روش مشابه

اکستروژن مستقیم می باشد با این تفاوت که در اکستروژن مستقیم فشار رام از طریق بلوک دامی بطور مستقیم به پشت بیلت که با بدنه محفظه کنتینر اصطکاک دارد وارد میگردد اما در اکستروژن هیدرو استاتیک بیلت هیچگونه اصطکاکی با محفظه کنتینر نداشته و فشار رام به یک سیال روانکار (fluid) در دخل محفظه وارد آمده و سیال روانکار به طور یکنواخت بر روی بیلت فشار وارد کرده و فشار وارده بیلت را به سمت خروجی مواد هدایت نموده و تولید انجام میگردد.

در حال حاضر بدلیل محدودیت های تکنیکی، این روش اکستروزن خیلی معمول نیست.