آلومینیوم، فلزی سبک و قابل بازیافت

در دنیای امروز، با افزایش آگاهی‌های زیست‌محیطی و توجه به بهره‌وری انرژی، فناوری سبک به کلید توسعه بسیاری از صنایع تبدیل شده است. آلومینیوم، به عنوان یک فلز سبک، به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد خود، مانند چگالی کم، استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت بازیافت، به طور گسترده در صنایعی مانند خودرو، هوافضا و بسته‌بندی مورد استفاده قرار می‌گیرد. تحقیقات در مورد مواد آلومینیومی سبک نه تنها به بهبود بهره‌وری انرژی و کاهش مصرف سوخت کمک می‌کند، بلکه انتشار دی اکسید کربن را نیز به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد که نقش مثبتی در حفاظت از محیط زیست ایفا می‌کند. در این مقاله، به کاربردهای آلومینیوم و آلیاژهای آن در فناوری سبک و راه‌های پیشبرد توسعه مرزی علم و فناوری آلومینیوم از طریق فناوری‌های نوآورانه مانند ریخته‌گری یکپارچه و توسعه فوم آلومینیومی خواهیم پرداخت تا آینده را سبزتر و پایدارتر کنیم. در ادامه مطلب همراه گروه مهندسی فیلت باشید.

فهرست مطالب

• خواص اساسی آلومینیوم
• توسعه آلومینیوم
• کاربرد آلومینیوم در صنایع حیاتی
• کاربرد نوآورانه آلومینیوم
• پیام‌هایی برای به خاطر سپردن

مقاله پیشنهادی: پوشش پودری الکترواستاتیک آلومینیوم

گروه مهندسی فیلت؛
طراحی نقشه، ساخت قالب اكستروژن و تولید كننده پروفیل آلومینیوم در مقاطع عمومی و اختصاصی همراه با خدمات آندایزینگ و رنگ پودری الکترواستاتیک و برشکاری در خدمت مشتریان محترم و بزرگوار می باشد.

خواص اساسی آلومینیوم

در ۱۳۰ سالی که از کشف آن می‌گذرد، آلومینیوم از یک «فلز گرانبها» به ظرفیت مازاد و اکنون به عنوان یک تقاضای زیاد در بازار مواد سبک وزن گذار کرده است. آلومینیوم به دلیل خواص سبک وزنی، مقاومت در برابر خوردگی، شکل پذیری، قابلیت نورد شدن و قابل بازیافت بودن، پس از آهن (فلز آهنی) دومین فلز پرکاربرد است.

وزن سبک (Light weight)

جرم اتمی نسبی آلومینیوم در بین فلزات بسیار کم است. در مقایسه با آهن (۵۵.۸۵ گرم بر مول) و مس (۶۳.۵۵ گرم بر مول)، آلومینیوم تنها ۲۶.۹۸ گرم بر مول است و چگالی آن تنها ۲.۷۰ گرم بر سانتی‌متر مکعب است که بسیار کمتر از آهن (۷.۸۷ گرم بر سانتی‌متر مکعب) و مس (۸.۹۲ گرم بر سانتی‌متر مکعب) است. این خواص، آلومینیوم را به یک ماده سبک وزن ایده‌آل تبدیل می‌کند. در صنایعی مانند هوافضا، خودرو، حمل و نقل و تولید ماشین‌آلات، استفاده از آلومینیوم می‌تواند وزن سازه‌ها را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و در نتیجه باعث افزایش بهره‌وری انرژی و عملکرد زیست‌محیطی شود. به دلیل وزن سبک، آلومینیوم به طور گسترده در مواد مورد استفاده در هواپیماها استفاده می‌شود و به همین دلیل به عنوان “فلزی با بال‌های پرنده” شهرت یافته است.

مقاومت در برابر خوردگی (Corrosion resistance)

اگرچه آلومینیوم از نظر شیمیایی فعال است، اما اکسیدی که در حالت طبیعی تشکیل می‌دهد نسبتاً پایدار است. در نتیجه، آلومینیوم عنصری در طبیعت وجود ندارد. این واقعیت که سطح آلومینیوم با هوا واکنش می‌دهد و یک لایه اکسید بی‌اثر تشکیل می‌دهد، مقاومت در برابر خوردگی آن را بهبود می‌بخشد و کاربرد آن را در صنایع و زندگی روزمره ارتقا می‌دهد. مقاومت در برابر خوردگی آلومینیوم به کیفیت و خواص لایه اکسید روی سطح آن بستگی دارد. از آنجایی که لایه اکسیدی که به طور طبیعی تشکیل می‌شود، قابلیت‌های محافظتی محدودی دارد، عملیات حرارتی سطح آن مورد نیاز است.

ضخامت لایه اکسید غیرفعال که به طور طبیعی روی آلومینیوم تشکیل می‌شود، تنها 5 تا 20 نانومتر است که برای آلیاژهای آلومینیوم پرکاربرد به هیچ وجه کافی نیست. بنابراین، لازم است که به صورت مصنوعی یک لایه اکسید محافظ ایده‌آل ایجاد شود. ضخامت لایه اکسید شیمیایی عموماً 1 تا 3 میکرومتر است، در حالی که ضخامت لایه آنودایز شده معمولی می‌تواند به 3 تا 30 میکرومتر برسد. در نتیجه، فناوری‌های عملیات حرارتی سطحی مانند اکسیداسیون آندی و اکسیداسیون میکروقوس برای آلومینیوم توسعه یافته‌اند.

پلاستیسیته (Plasticity)

وقتی نیرویی اعمال می‌شود، لایه‌های اتم‌ها در شبکه آلومینیوم می‌توانند بلغزند. از آنجایی که برهمکنش بین یون‌های آلومینیوم و الکترون‌های آزاد (یعنی پیوند فلزی) غیر جهت‌دار و غیر اشباع است، حتی پس از وقوع حرکت، برهمکنش بین لایه‌ها همچنان حفظ می‌شود و پیوند فلزی از بین نمی‌رود (یعنی یون‌های آلومینیوم هنگام لغزش نیازی به جذب انرژی برای غلبه بر پیوند فلزی ندارند). بنابراین، لغزش به راحتی اتفاق می‌افتد. علاوه بر این، الکترون‌های آزاد یا ابر الکترونی که در داخل شبکه حرکت می‌کنند به عنوان “روان‌کننده” عمل می‌کنند. ساختار کریستالی آلومینیوم مکعبی با وجوه مرکزپر است و فاصله بین اتم‌ها بسیار نزدیک‌تر از ساختارهای مکعبی ساده آهن است که تغییر شکل پلاستیک را تسهیل می‌کند. به دلیل خاصیت پلاستیسیته و شکل‌پذیری خوب آلیاژهای آلومینیوم، تغییر شکل بسیار آسان است. روش پردازش برای تغییر شکل و ساختار مواد آلومینیومی از طریق تغییر شکل پلاستیک، پردازش پلاستیک نامیده می‌شود. این روش را می‌توان از طریق اکستروژن، کشش، نورد و غیره به دست آورد. فرآوری پلاستیک آلومینیوم می‌تواند برای تولید انواع محصولات آلیاژ آلومینیوم، مانند درب و پنجره‌های آلیاژ آلومینیوم، لوله‌های آلیاژ آلومینیوم، صفحات یا حتی فویل‌های آلیاژ آلومینیوم و غیره استفاده شود.

قابلیت بازیافت (Recyclability)

آلومینیوم که در برابر خوردگی بسیار مقاوم است، معمولاً در طول استفاده به سختی خورده می‌شود، مگر در ظروف و دستگاه‌های خاصی که از آن ساخته شده‌اند. آلومینیوم را می‌توان با حداقل اتلاف، بارها بازیافت کرد. بنابراین، قابلیت بازیافت بالایی دارد و استفاده از آلومینیوم استفاده شده برای تولید مجدد آلیاژهای آلومینیوم مزایای اقتصادی قابل توجهی نسبت به استفاده از آلومینیوم الکترولیتی دارد. به دلیل قابلیت بازیافت، به عنوان یک فلز سبز با اهمیت استراتژیک شناخته می‌شود. در مقایسه با تولید آلومینیوم الکترولیتی، تولید آلومینیوم بازیافتی مزایای مصرف انرژی کمتر، هزینه‌های کمتر، انتشار کربن کمتر و تأثیر زیست‌محیطی کمتر را دارد. در آینده، بهبود بهره‌وری انرژی همچنان مورد توجه جهانی خواهد بود. این فناوری‌ها و سایر اقدامات مؤثر در کل صنعت آلومینیوم و در شیوه‌های تولید و عملیاتی بلندمدت اجرا خواهند شد.

توسعه آلومینیوم

مبداء و تاریخچه (Origin and History)

آلومینیوم از کلمه لاتین “alum” گرفته شده است که در اصل به معنی “زاج پتاس” است. آلومینیوم به عنوان فراوان‌ترین عنصر فلزی در پوسته زمین شناخته می‌شود، اما در طبیعت به شکل ترکیبات وجود دارد. دلیل آن این است که پیکربندی الکترونیکی محیطی اتم آلومینیوم، 3s²3p¹، که در آن سه الکترون آزاد وجود دارد، امکان از دست دادن الکترون و همچنین به دست آوردن الکترون را فراهم می‌کند. بنابراین خود را به عنوان یک ماده آمفوتریک اسیدی و قلیایی نشان می‌دهد. آلومینیوم به شکل یک ماده اولیه وجود ندارد، که منجر به کشف آن بسیار دیرتر از آهن، مس و سایر فلزات می‌شود. در سال 1827، فردریش وولر آلومینیوم را از طریق واکنش جابجایی با پتاسیم تولید کرد، اما تولید آلومینیوم از طریق این روش بسیار کم بود و آلومینیوم را نادر و گرانبها می‌کرد. در سال 1884، ساخت بنای یادبود واشنگتن با قرار دادن یک هرم 8.9 اینچی و 100 اونسی از آلومینیوم جامد در بالای سنگ بنای یادبود برای محافظت از بنای یادبود در برابر رعد و برق به پایان رسید. این کلاهک آلومینیومی هرمی شکل، بزرگترین قطعه آلومینیومی جهان در آن زمان بود . بعدها کشف شد که قسمت بالای بنای یادبود واشنگتن کاملاً از آلومینیوم خالص ساخته نشده است. در نامه‌ای بدون تاریخ، یک دانشمند ناشناس اشاره کرد که ترکیب قسمت بالای آن 97.75٪ آلومینیوم، 1.70٪ آهن و 0.55٪ سیلیکون است.

نظریه الکترولیز (Electrolysis Theory)

برای بزرگداشت روش تولید آلومینا که توسط کی. جی. بایر بین سال‌های ۱۸۸۹ تا ۱۸۹۲ پیشنهاد شد، مردم آن را فرآیند بایر نامیدند. در طول سال‌ها، این روش ارتقا یافته و بهینه شده است، اما اصل شیمیایی اساسی آن بدون تغییر باقی مانده و تاکنون مورد استفاده قرار گرفته است. اساس فرآیند بایر انجام واکنش‌های شیمیایی زیر تحت شرایط مختلف فرآیند است:

معادلات شیمیایی این فرآیند بسیار پیچیده هستند، اما می‌توان آنها را به صورت زیر ساده کرد:

• واکنش در کاتد: 4 Al 3+ + 12 e– = 4 Al
• واکنش در آند: 6 O 2- + 3 C – 12 e– = 3 CO2
• واکنش کلی: 2 Al 2 O 3 + 3 C = 4 Al + 3 CO2

فرآیند شیمیایی واقعی پیچیده‌تر است و در اینجا به تفصیل توضیح داده نخواهد شد.

ظهور فرآیند هال هرولت در سال 1886 نقطه عطفی در توسعه آلومینیوم بود. در سال 1888، فرآیند بایر، روشی کم‌هزینه برای استخراج آلومینای با خلوص بالا از بوکسیت، نیاز به تولید آلومینیوم کم‌هزینه و با بازده بالا را برآورده کرد و آلومینیوم به تولید صنعتی در مقیاس بزرگ دست یافت.

تکامل فناوری الکترولیتی (Evolution of electrolytic technology)

توسعه فناوری مدرن الکترولیتی آلومینیوم دو ریشه اصلی دارد.

شرکت آلومینیوم آلکوا، پیشگام در صنعت آلومینیوم

آلکوا در سال ۱۸۸۸ توسط چارلز هال تأسیس شد. آلکوا به عنوان یکی از بزرگترین تولیدکنندگان آلومینیوم در جهان، در خط مقدم فناوری ذوب و بخش تولید آلومینیوم بوده است. از دهه ۱۹۴۰، آلکوا انواع فناوری‌های سلول احیای آلومینیوم پیش‌پخت‌شده، از جمله P155 (170 کیلوآمپر)، آلکوا ۶۹۷ (۲۳۰ کیلوآمپر) و آلکوا ۸۱۷ (۲۸۰ کیلوآمپر) را توسعه داده است که هر کدام با شدت جریان بالاتر و افزایش متناظر در راندمان تولید مشخص می‌شوند. آلکوا با دنبال کردن جریان بالا توانسته است تولید را افزایش دهد، هزینه واحد را کاهش دهد و راندمان انرژی را بهبود بخشد تا رشد اقتصادی را افزایش داده و تقاضای بازار را برآورده کند. با این حال، افزایش جریان، نیروی الکترومغناطیسی و اثر حرارتی را در الکترولیز به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد و منجر به افزایش دامنه و فرکانس نوسان فصل مشترک کریولیت آلومینیوم و پیچیدگی الگوی نوسان می‌شود و در نتیجه بر پایداری و کارایی فرآیند الکترولیز تأثیر می‌گذارد. شرکت آلکوا، هم در فناوری مدرن الکترولیت آلومینیوم در جهان و هم در توسعه صنعت و علم و فناوری مدرن، نمونه‌ای بارز است. به طور مشابه، پیشرفت‌های فنی آن در پیشبرد پیشرفت صنعتی قابل توجه بوده است.

پچینی؛ پیشرو در فناوری مدرن الکترولیز آلومینیوم

پچینی نماینده برجسته صنعت آلومینیوم در جهان است و رهبری بین‌المللی در فناوری الکترولیز آلومینیوم را بر عهده دارد. پچینی از منابع فراوان برق آبی خود در جنوب فرانسه برای به دست آوردن برق کم‌هزینه و به حداکثر رساندن راندمان تولید الکترولیز آلومینیوم از طریق بهینه‌سازی فناوری و بهبود تولید استفاده می‌کند. از سال ۱۹۴۰ تا ۱۹۷۸، کارخانه الکترولیز آلومینیوم سنت ژان دو مورلن چندین فرآیند نوسازی را پشت سر گذاشت که منجر به افزایش مداوم ظرفیت سلول‌های الکترولیتی آن و پیشرفت فناوری شد. در اینجا بود که نمونه اولیه سری AP فناوری‌های الکترولیز آلومینیوم توسعه یافت و این کارخانه را به زادگاه نوآوری‌های مدرن الکترولیز آلومینیوم تبدیل کرد.

با این حال، فرآیند الکترولیز آلومینیوم گازهای خروجی از جمله فلوراید، دی اکسید گوگرد، فلوروکربن‌ها و گرد و غبار تولید می‌کند و این آلاینده‌ها تأثیر جدی بر محیط زیست دارند. در دهه ۱۹۷۰، با گسترش مقیاس تولید کارخانه آلومینیوم پچینی، آلودگی ناشی از آن نیز به ویژه انتشار فلوراید به طور فزاینده‌ای جدی شد. فلوراید ماده‌ای سمی است که خطر جدی برای محیط زیست و سلامت انسان ایجاد می‌کند. به دلیل سیستم تصفیه نامناسب گازهای خروجی، مقدار زیادی فلوراید مستقیماً در هوا منتشر می‌شود و محیط اطراف را آلوده می‌کند. با تشدید آلودگی، ساکنان محلی و سازمان‌های محیط زیستی شروع به اعتراض کردند و خواستار اتخاذ تدابیری از سوی شرکت برای کاهش آلودگی شدند. پوشش گسترده رسانه‌ای نیز توجه ملی را به خود جلب کرد.

با تلاش‌های مشترک دولت و شرکت‌ها، فناوری تصفیه گازهای خروجی آلومینیوم الکترولیتی به تدریج بهبود یافته است. امروزه، شرکت‌های بیشتری از تصفیه خشک برای تصفیه گازهای خروجی استفاده می‌کنند. تصفیه خشک می‌تواند تقریباً با تمام گازهای خروجی مقابله کند و ۹۹٪ هیدروژن فلوراید، فلوراید نامحلول و گرد و غبار را جذب کند و از ورود مقدار زیادی گاز زائد به محیط زندگی جلوگیری کند. جاذب تصفیه خشک از آلومینا، ماده اولیه الکترولیز آلومینیوم، استفاده می‌کند. پس از تصفیه، آلومینای حامل فلوئور می‌تواند به عنوان ماده اولیه وارد مخزن الکترولیز شود که نه تنها از دست دادن نمک‌های فلوراید را جبران می‌کند، بلکه ماده اولیه الکترولیز را نیز فراهم می‌کند. تصفیه خشک، حفاظت از محیط زیست و تولید پایدار صنعت آلومینیوم الکترولیتی را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد. در طول 50 سال گذشته، دستاوردهای پچینی در بهبود راندمان سلول احیا، آن را به عنوان یک رهبر جهانی در توسعه فناوری ذوب آلومینیوم قرار داده است.

توسعه سریع آلومینیوم الکترولیتی در چین

توسعه آلومینیوم الکترولیتی در چین شروع نسبتاً دیرهنگامی دارد. با حمایت سیاست‌های ملی ترجیحی و رشد سریع اقتصادی، در سال ۱۹۷۹، سلول پیش‌پخت‌شده ۱۶۰ کیلوآمپری با بارگذاری مرکزی (راندمان جریان ۸۷.۵٪، ظرفیت تولید ۸ وزنی در سال) از ژاپن به چین معرفی شد. در اواسط دهه ۱۹۸۰، سلول آزمایشی الکترولیز آلومینیوم ۱۸۰ کیلوآمپری (راندمان جریان ۹۳.۵٪) توسعه یافت. بعداً، «مدل ریاضی و سیستم نرم‌افزاری شبیه‌سازی سلول کاهش آلومینیوم» بر اساس فناوری‌های وارداتی طراحی شد که نظریه‌های اساسی و ابزارهای طراحی را برای سلول‌های کاهش آلومینیوم بزرگ فراهم می‌کرد. متعاقباً، چین به‌طور مستقل فناوری‌های موفقی را برای سلول‌های کاهش آلومینیوم فوق‌العاده بزرگ ۱۶۵ کیلوآمپر، ۱۸۶ کیلوآمپر و بالاتر از ۲۸۰ کیلوآمپر توسعه داد. موفقیت «سلول آزمایشی ۲۸۰ کیلوآمپری در پایگاه آزمایشی الکترولیز آلومینیوم بزرگ ملی» نشان می‌دهد که چین وارد خط مقدم فناوری الکترولیز آلومینیوم مدرن شده و سیستم فناوری الکترولیز آلومینیوم مدرن خود را ایجاد کرده است. از آن زمان، فناوری‌های سلول احیای آلومینیوم آندی پیش‌پخت‌شده با ظرفیت 320 کیلوآمپر (راندمان جریان 94.43%)، 400 کیلوآمپر (راندمان جریان بیش از 93%، ظرفیت تولید 34 wt/a)، 500-600 کیلوآمپر (راندمان جریان 94.6%) با ابعاد بسیار بزرگ به طور متوالی توسعه یافتند، و شاخص‌های فنی مختلف به سطوح پیشرفته بین‌المللی رسیده یا از آنها فراتر رفته‌اند. دقیقاً به دلیل توسعه کارآمد فناوری سلول احیا است که تولید آلومینیوم چین افزایش یافته است. این واقعیت که تولید آلومینیوم چین 50% از کل تولید جهان را تشکیل می‌دهد، همانطور که توسط انجمن بین‌المللی آلومینیوم (طبق آراء) ارزیابی شده است، در بین 50 رویداد برتر تاریخ آلومینیوم در رتبه دهم قرار گرفت. تولید آلومینیوم اولیه چین از حدود 16 میلیون تن در سال 2010 به 26.5 میلیون تن در سال 2013 افزایش یافت که 50% از کل تولید جهان را تشکیل می‌دهد. از آن زمان، تولید آلومینیوم چین به رشد خود ادامه داده و در سال 2021 به 39 میلیون تن رسیده است که حدود 58 درصد از کل تولید جهان را تشکیل می‌دهد.

تا به امروز، در خط تولید تازه تأسیس سلول احیا توسط گروه پیشگامان ویکیائو در استان شاندونگ، شدت جریان به 600 کیلوآمپر (با ظرفیت 100 وزن در سال) رسیده است. فناوری صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش کربن سلول احیا آلومینیومی 600 کیلوآمپر، نوآوری پیشگامانه‌ای در تحقیقات جهانی الکترولیز آلومینیوم است. این فناوری در بهره‌وری انرژی، کاهش کربن، طول عمر و حفاظت از محیط زیست برتری دارد و پیشرفت‌هایی را در صنعت آلومینیوم ایجاد کرده و رقابت‌پذیری بین‌المللی فناوری‌های اصلی الکترولیز آلومینیوم را تقویت می‌کند.

فناوری و نوآوری آلیاژ (Alloy technology and innovation)

دورالومین (Duralumin)

در سال ۱۹۰۶، شیمیدان آلمانی آلفرد ویلم کشف کرد که با افزودن مقدار کمی مس به آلومینیوم، می‌توان سختی آلومینیوم را به میزان قابل توجهی افزایش داد. این یافته منجر به تولد آلومینیوم سخت شد که بعدها به عنوان دورالومین شناخته شد، زیرا برای اولین بار توسط شرکت آلمانی Dürener Metallwerke به تولید صنعتی معرفی شد. دورالومین معمولاً دارای استحکام کششی بین ۳۰۰ تا ۵۰۰ مگاپاسکال است که استحکام و سختی بالایی را ارائه می‌دهد. این ویژگی‌ها منجر به کاربرد گسترده آن در زمینه‌هایی مانند هوافضا و هوانوردی شده است.

ترویج دورالومین عصر جدیدی از آلیاژسازی آلومینیوم را آغاز کرده است، جایی که سایر عناصر فلزی از طریق تکنیک‌های خاص پردازش به آلومینیوم خالص اضافه می‌شوند تا به عملکرد متنوعی دست یابند. استحکام کششی آلیاژهای آلومینیوم می‌تواند به ۲۰۰ تا ۶۰۰ مگاپاسکال برسد که نه تنها انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر خوردگی خوبی را ارائه می‌دهد، بلکه برای کاربردهای مختلف صنعتی نیز مناسب است و آلیاژهای آلومینیوم را به دومین فلز صنعتی بزرگ پس از فولاد تبدیل می‌کند.

استحکام و سختی آلیاژهای آلومینیوم عمدتاً به دلیل وجود عناصر آلیاژی مختلف مانند مس، منگنز و منیزیم بهبود می‌یابد که از طریق تقویت محلول جامد، ماتریس آلومینیوم را بهبود می‌بخشند. عناصر دیگر مانند تیتانیوم، وانادیوم و بور با اصلاح اندازه دانه و افزایش هسته‌زایی، عملکرد را بهبود می‌بخشند، در حالی که کادمیوم و اسکاندیم عمدتاً از طریق تقویت فاز دوم، عملکرد را بهبود می‌بخشند. ترکیبات و چیدمان‌های متنوع این عناصر آلیاژی منجر به طیف گسترده‌ای از کاربردها و خواص برای آلیاژهای آلومینیوم می‌شود.

آلیاژهای با آنتروپی بالا (High entropy alloys) (HEAs)

در سال ۱۹۹۵، جین-وی یه، استاد دانشگاه ملی تسینگ هوآ در تایوان، ایده جدیدی را برای طراحی آلیاژها – آلیاژهای با آنتروپی بالا (HEAs)  ارائه داد. این آلیاژها معمولاً شامل پنج یا چند عنصر با نسبت تقریباً مساوی هستند که غلظت هر عنصر از ۵٪ تا ۳۵٪ متغیر است و نسبت اتمی زیادی را حفظ می‌کنند. ویژگی تعیین‌کننده HEAها، آنتروپی اختلاط آنهاست که از آنتروپی ذوب بیشتر است. آنها معمولاً محلول‌های جامد ساده‌ای از جمله ساختارهای مکعبی با وجوه مرکز پر (FCC)، مکعبی با حجم مرکز پر (BCC) و شش ضلعی فشرده (HCP) تشکیل می‌دهند.

آلیاژهای با چگالی بالا (HEAs) به دلیل دارا بودن عناصر متعدد با اندازه‌ها و خواص شیمیایی مختلف، مورد توجه زیادی هستند و منجر به اثر اعوجاج شبکه می‌شوند. این اعوجاج نه تنها بر فاصله اتمی و پایداری ساختارهای شبکه، بلکه بر حرکت نابجایی‌ها نیز تأثیر می‌گذارد و در نتیجه خواص مکانیکی و پایداری حرارتی آلیاژها را بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، ترکیب عناصر متعدد، نفوذ اتم‌ها را کند می‌کند و در نتیجه اثر نفوذ کند ایجاد می‌شود. این امر به آلیاژها کمک می‌کند تا پایداری بهتری را در دماهای بالا حفظ کنند، مانع مهاجرت اتم‌ها و رشد دانه شوند و در نتیجه مقاومت آنها در برابر تغییر شکل و خزش را بهبود بخشند. این ترکیب همچنین اثر به اصطلاح “کوکتل” را ایجاد می‌کند، که در آن خواص آلیاژ نه تنها تحت تأثیر عناصر منفرد، بلکه تحت تأثیر عمل جمعی بسیاری از عناصر نیز قرار می‌گیرد. این اثر HEAs را قادر می‌سازد تا خواص متنوعی را از خود نشان دهند و به تعادل و بهینه‌سازی جنبه‌های مختلف عملکرد دست یابند و در نتیجه عملکرد کلی آنها را افزایش دهند.

به دلیل ساختار و خواص شبکه‌ای منحصر به فردشان، HEAها در سال‌های اخیر به عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین موضوعات تحقیقاتی در علم مواد ظهور کرده‌اند. آن‌ها استحکام، سختی، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر خوردگی بالایی ارائه می‌دهند و پتانسیل کاربرد گسترده‌ای را در بسیاری از زمینه‌ها، مانند ابزارها، برش‌دهنده‌ها، قالب‌ها، سرهای چوب گلف، پره‌های توربین و مواد مقاوم در برابر کوره‌های دمای بالا نشان می‌دهند.

کاربرد آلومینیوم در صنایع حیاتی

یک عامل تغییر در صنعت خودرو (A change-maker in the automobile industry)

خودروها وسیله نقلیه رایج ما در زندگی روزمره هستند. اولین خودروها نه با بنزین، بلکه با بخار کار می‌کردند که آنها را سنگین و پرانرژی می‌کرد. طبق تحقیقات مربوطه، اگر وزن خالص خودرو (CVE) یک خودرو 10٪ کاهش یابد، راندمان سوخت آن می‌تواند 6 تا 8 درصد افزایش یابد. علاوه بر این، کاهش وزن ناخالص خودرو به میزان 100 کیلوگرم می‌تواند منجر به کاهش مصرف سوخت در هر 100 کیلومتر به میزان 0.3 تا 0.6 لیتر شود. امروزه، صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای یک مأموریت جهانی است، اما خودروها نیز به بخش جدایی‌ناپذیری از زندگی ما تبدیل شده‌اند. بنابراین، سبک‌سازی خودرو به یک روند جهانی در صنعت خودرو تبدیل شده است و اولویت خودروسازان برای توسعه و تولید محصولات نسل بعدی است. آلیاژهای آلومینیوم مدرن، با نسبت وزن به استحکام برتر، هزینه کم و مقاومت بالای سایش، به طور گسترده در بسیاری از اجزای سازه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند و آنها را برای روند سبک‌سازی خودرو در بازار امروز ایده‌آل می‌کنند.

سبک‌سازی خودرو رویکردی مؤثر برای افزایش ترمز، ایمنی و شتاب خودرو است. مواد آلیاژ آلومینیوم به طور گسترده در ساختار بدنه خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرند و به طور قابل توجهی بر کاهش وزن تأثیر می‌گذارند. در چین، تولیدکنندگان نوظهور خودروهای الکتریکی داخلی معمولاً آلیاژهای آلومینیوم سبک را به عنوان ماده اصلی ساختاری و قطعات برای برآورده کردن نیازهای برد طولانی‌تر انتخاب می‌کنند. دستیابی به سبک‌سازی بدون به خطر انداختن استحکام، الزامات بیشتری را بر خواص ساختاری آلیاژهای آلومینیوم تحمیل می‌کند. این امر معمولاً از طریق بهینه‌سازی سازه‌ها و افزایش ضخامت مواد حاصل می‌شود. استفاده از آلیاژهای آلومینیوم سبک، راه‌حل بهینه برای رفع چالش‌های سبک‌سازی خودرو است. انتظار می‌رود در آینده، آلیاژهای آلومینیوم شاهد توسعه گسترده‌تری در صنعت تولید خودرو باشند.

مواد ترجیحی برای هوافضا (Preferred materials for aerospace)

علاوه بر الزامات سبک‌سازی در صنعت خودرو، وقتی با خیال راحت در هواپیماهایی که در آسمان اوج می‌گیرند سفر می‌کنیم، ممکن است از خود بپرسیم: چرا چنین بدنه به ظاهر نازکی می‌تواند با خیال راحت این همه مسافر را حمل کند؟ آلیاژهای آلومینیوم به دلیل هزینه متوسط ​​و کارایی عالی (از جمله اکستروژن، نورد، خم شدن و تولید افزایشی)، به انتخابی عالی برای مواد هوافضا تبدیل شده‌اند، که تا 80٪ از مواد هواپیما را تشکیل می‌دهند و عمدتاً در تولید سازه‌های سبک، پوسته‌های بال بالایی و پایینی و استرینگرهای بال استفاده می‌شوند. علاوه بر این، پرکاربردترین آلیاژهای آلومینیوم آلیاژهای Al-Cu، آلیاژهای Al-Zn-Mg-Cu و آلیاژهای Al-Li هستند.

پیشرو در مواد بسته‌بندی (Leader in Packaging Material)

در تابستان گرم، نوشیدنی‌های مختلف موجود در فروشگاه مورد علاقه اکثر مردم هستند که قوطی‌های آنها از آلیاژهای آلومینیوم ساخته شده است، همانطور که در تصویر نشان داده شده است (شکل 10). کارخانه‌های قوطی‌سازی الزامات سختگیرانه‌ای برای مواد قوطی‌های آلومینیومی دارند و نه تنها کیفیت ذاتی خوب، ترکیب شیمیایی یکنواخت و میزان گاز و آخال کم، بلکه مواد ورق با ضخامت یکنواخت، شکل خوب و یکپارچگی سطح عالی را نیز مطالبه می‌کنند. در حال حاضر، پرکاربردترین قوطی‌ها، قوطی‌های کشیده و اتو شده (DI) هستند، یعنی قوطی‌های دو طرفه که با فرآیند نازک شدن و کشش عمیق تولید می‌شوند. برای به دست آوردن آلومینیوم با کیفیت بالا، هر فرآیند ساخت قوطی، از ریخته‌گری گرفته تا نورد گرم، نورد سرد، پرداخت و سایر موارد، به شدت کنترل می‌شود. از طریق این فرآیندها، صفحه آلیاژ آلومینیوم 3104 H19 تولید می‌شود که دارای خواص مکانیکی خوب، خواص کشش عمیق و یکپارچگی سطح است. روند فعلی قوطی‌های DI به سمت طرح‌های دیواره نازک و سبک است، به طوری که ضخامت آلیاژ آلومینیوم برای بدنه قوطی از 0.35 میلی‌متر به 0.27 میلی‌متر و 0.25 میلی‌متر کاهش می‌یابد. انتظار می‌رود در آینده این مقدار به حدود ۰.۲۰ میلی‌متر کاهش یابد.

با توجه به محبوبیت گسترده نوشیدنی‌های کنسروی، در سال ۱۹۷۰ صنعت قوطی‌سازی یک سیستم بازیافت حلقه بسته مبتنی بر قابلیت بازیافت آلیاژهای آلومینیوم ایجاد کرد. با تکامل فناوری، این سیستم بازیافت سازگارتر با محیط زیست و کارآمدتر شده و استفاده مجدد از آلومینیوم را تا حد زیادی تسهیل می‌کند. فرآیند بازیافت حلقه بسته شامل چندین مرحله است: جمع‌آوری، مرتب‌سازی و تمیز کردن، ذوب، ریخته‌گری، تولید و استفاده مجدد. هر مرحله بر قابلیت بازیافت بالای آلومینیوم تأکید دارد. در طول فرآیند ذوب و ریخته‌گری مجدد، آلومینیوم قادر به حفظ خلوص و خواص فلزی خود است و امکان بازیافت چندگانه را فراهم می‌کند. به این ترتیب، نه تنها می‌توانیم تا ۹۵٪ در مصرف انرژی صرفه‌جویی کنیم، انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهیم و هزینه‌های تولید را کاهش دهیم، بلکه می‌توانیم ردپای دفن زباله محصولات آلومینیومی را نیز به میزان قابل توجهی کاهش دهیم و در نتیجه به استفاده کارآمد از منابع و حفاظت از محیط زیست دست یابیم.

کاربرد نوآورانه آلومینیوم

فناوری یکپارچه و کارآمد «ریخته‌گری تحت فشار» (Efficient integrated “die casting” technology)

فناوری «ریخته‌گری تحت فشار» یک روش ریخته‌گری ویژه را نشان می‌دهد. با این تکنیک، آلومینیوم مایع و نیمه مایع تحت شرایط سرعت و فشار بالا در حفره قالب ریخته‌گری تحت فشار پر می‌شود و به فلز مایع اجازه می‌دهد تا تحت فشار خاصی به سرعت به یک قطعه ریخته‌گری تبدیل شود. فناوری ریخته‌گری تحت فشار یکپارچه شامل طراحی مجدد چندین قطعه مستقل است که معمولاً در طراحی صنعتی نیاز به مونتاژ دارند. با استفاده از ماشین‌های ریخته‌گری تحت فشار بسیار بزرگ، این قطعات در یک ریخته‌گری واحد تشکیل می‌شوند و در نتیجه قطعات کاملی ایجاد می‌شوند که وظایف اصلی خود را انجام می‌دهند. واضح است که در مقایسه با ریخته‌گری تحت فشار معمولی، ریخته‌گری تحت فشار یکپارچه بر ادغام در مساحت بزرگ تأکید دارد و اساساً با ریخته‌گری قطعات جداگانه متفاوت است. در مقایسه با فرآیندهای سنتی پرس‌کاری، جوشکاری، رنگ‌آمیزی و مونتاژ، ریخته‌گری تحت فشار یکپارچه با قالب‌گیری یک تکه مشخص می‌شود.

در مقایسه با ریخته‌گری جوش داده شده با شکاف، این روش ریخته‌گری تعداد قطعاتی را که باید مونتاژ شوند کاهش می‌دهد، در نتیجه پیچیدگی تولید و هزینه‌های مونتاژ را کاهش می‌دهد، وزن کل خودرو را کاهش می‌دهد، راندمان سوخت را بهبود می‌بخشد و انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش می‌دهد و هندلینگ و پایداری خودرو را برای یک تجربه رانندگی بهتر بهبود می‌بخشد.

توسعه و کاربرد فوم آلومینیومی

مواد آلومینیومی سنتی که با آنها آشنا هستیم با ساختارهای متراکم خود مشخص می‌شوند، اما فوم آلومینیومی ساختار کاملاً متفاوتی دارد. برخلاف آلومینیوم سنتی، فوم آلومینیومی شامل منافذ و ماتریس اسکلتی (که از نظر فیزیکی منافذ را پشتیبانی می‌کند) است. سایر قسمت‌ها پر از منافذ هستند که باعث می‌شود ماده مانند اسفنج متخلخل باشد. ما به این نوع ماده آلومینیومی با تعداد زیادی حفره حباب متراکم، فوم آلومینیومی می‌گوییم. برجسته‌ترین ویژگی فوم آلومینیومی، سبکی و چگالی کم آن است که حتی می‌تواند روی آب شناور شود (همانطور که در شکل 12 نشان داده شده است). ظهور فوم آلومینیومی، ساختار متراکم مواد آلومینیومی سنتی را شکسته است. همچنین دارای مزایای بسیاری مانند مقاومت در برابر دمای بالا، عایق صدا و کاهش نویز و عملکرد خوب محافظ الکترومغناطیسی است. این ماده در صنایع هوافضا، ساخت و ساز و خودرو کاربرد داشته و به تدریج به نقطه کانونی در تحقیقات مواد جدید برای دوران مدرن تبدیل می‌شود.

فوم آلومینیومی با ترکیب برجسته خواص مکانیکی، حرارتی، صوتی، جذب انرژی، میرایی و محافظ الکترومغناطیسی، به نمونه‌ای قابل توجه از مواد کاربردی یکپارچه تبدیل شده است. این ماده نشان‌دهنده یک پیشرفت قابل توجه در کاربرد مواد آلومینیومی سنتی است و راه‌های جدیدی را برای پروژه‌های مهندسی متنوع و رشته‌های علمی باز می‌کند. امروزه، «فوم آلومینیوم» در خط مقدم تحقیقات علوم مواد قرار دارد و به موضوعی محبوب در این حوزه تبدیل شده است.

با این حال، فوم آلومینیوم به عنوان ماده‌ای ساختاری و کاربردی، هنوز با چالش‌های متعددی در کاربردهای فناوری مهندسی روبرو است. اولاً، در مقایسه با فلزات جامد، استحکام و سختی ویژه نسبتاً کمتری از خود نشان می‌دهد که کاربردهای گسترده آن را در مهندسی محدود کرده است. علاوه بر این، تحقیقات فعلی در مورد فوم آلومینیوم عمدتاً بر شرایط دمای اتاق متمرکز است و مطالعات عمیق‌تری در مورد خواص و عملکرد آن در محیط‌های سخت مانند دما و فشار بالا مورد نیاز است. علاوه بر این، یکنواختی منافذ در فوم آلومینیوم همچنان موضوعی است که باید به آن پرداخته شود.

فوم آلومینیوم، به عنوان یک آلیاژ سبک وزن تازه توسعه یافته، به اندازه مواد سنتی مورد استفاده گسترده قرار نمی‌گیرد. با این حال، قابل پیش‌بینی است که در قرن بیست و یکم، که به عنوان «قرن مواد» شناخته می‌شود، فشار فزاینده بر حفاظت از محیط زیست و تغییر چین به سمت توسعه با کیفیت بالا، پیشرفت مواد جدید از جمله فوم آلومینیوم را به شدت ارتقا خواهد داد.

پیام‌هایی برای به خاطر سپردن

روش بایر، که فرآیند اساسی آن از زمان اختراعش در سال ۱۸۸۸ عملاً بدون تغییر باقی مانده است، همچنان روش اصلی تولید اکسید آلومینیوم است.

فرآیند هال-هرولت برای تولید آلومینیوم از طریق الکترولیز، اصلی که اولین بار به طور مستقل توسط چارلز مارتین هال و پاول ال.تی. هرولت در سال ۱۸۸۶ اختراع شد، امروزه نیز روش کلیدی تولید جهانی آلومینیوم است.

قوطی‌های آلومینیومی در ابتدا توسط شرکت‌هایی مانند Coors Brewing و Royal Crown در سال ۱۹۶۰ تولید می‌شدند. وزن قوطی‌های آلومینیومی دو تکه از ۸۵ گرم اولیه به تقریباً ۱۵ گرم امروزی کاهش یافته است. آنها سبک‌تر و بازیافت آنها آسان‌تر از قوطی‌های فولادی سه تکه است. از طریق بازیافت حلقه بسته، یک قوطی آلومینیومی استفاده شده می‌تواند در کمتر از ۶۰ روز وارد بازار شود. حلقه موبیوس، که توسط گری اندرسون در سال ۱۹۷۰ طراحی شده است، مفهوم کاهش ضایعات، استفاده مجدد و قابلیت بازیافت را تقویت می‌کند.

«موسسه بین‌المللی آلومینیوم: ۵۰ لحظه برتر در تاریخ صنعت آلومینیوم جهان» رویدادهای تاریخی کلیدی در توسعه صنعت آلومینیوم از قرن نوزدهم را پوشش می‌دهد. این نقاط عطف در مجموع نقش مهم آلومینیوم را در صنعت مدرن و زندگی روزمره نشان می‌دهند.

بازیافت آلومینیوم تنها ۵٪ از انرژی مورد استفاده برای تولید آلومینیوم خام را مصرف می‌کند و می‌تواند انتشار دی‌اکسید کربن و اکسید گوگرد را بیش از ۹۰٪ کاهش دهد. بازیافت آلومینیوم می‌تواند هزینه تولید را کاهش دهد، از محیط زیست محافظت کند و مزایای اقتصادی و اجتماعی زیادی به همراه داشته باشد.

گروه مهندسی فیلت (Fillet Engineering Group)

گروه مهندسی فیلت، کیفیت و رضایت مشتری را در تولید پروفیل آلومینیوم در اولویت قرار می دهیم. ما می توانیم انواع پروفیل های خاص را مطابق با خواسته های خاص مشتریان خود تولید کنیم و در هر مرحله از طراحی تا تحویل، پشتیبانی ارائه دهیم. گروه مهندسی فیلت با داشتن کادر متخصص و خطوط تولید به روز، مفتخریم که برندی قابل اعتماد در بازارهای داخلی و بین المللی هستیم.

گروه مهندسی فیلت؛
طراحی نقشه، ساخت قالب اكستروژن و تولید كننده پروفیل آلومینیوم در مقاطع عمومی و اختصاصی همراه با خدمات آندایزینگ و رنگ پودری الکترواستاتیک و برشکاری در خدمت مشتریان محترم و بزرگوار می باشد.
جهت مشاوره فنی و سفارش تماس حاصل فرمایید.
02144675798 – 09123018710