يُعدّ الألومنيوم أكثر المعادن وفرةً في العالم، وثالث أكثر العناصر شيوعاً، إذ يشكّل 8% من قشرة الأرض. وبفضل تنوّع استخداماته، يُعتبر الألومنيوم ثاني أكثر المعادن استخداماً بعد الفولاذ.

إنتاج الألومنيوم

يُستخرج الألومنيوم من معدن البوكسيت. يُحوّل البوكسيت إلى أكسيد الألومنيوم (الألومينا) عبر عملية باير. ثم تُحوّل الألومينا إلى معدن الألومنيوم باستخدام الخلايا الإلكتروليتية وعملية هول-هيرولت.

الطلب السنوي على الألومنيوم

يبلغ الطلب العالمي على الألومنيوم حوالي 29 مليون طن سنويًا. منها حوالي 22 مليون طن من الألومنيوم الجديد، و7 ملايين طن من خردة الألومنيوم المعاد تدويرها. يُعدّ استخدام الألومنيوم المعاد تدويره خيارًا اقتصاديًا وبيئيًا مُجديًا. يتطلب إنتاج طن واحد من الألومنيوم الجديد 14000 كيلوواط/ساعة، بينما لا يتطلب إعادة صهره وتدويره سوى 5% من هذه الطاقة. ولا يوجد فرق في الجودة بين سبائك الألومنيوم الجديدة والمعاد تدويرها.

تطبيقات الألومنيوم

نقيالألومنيوميتميز الألومنيوم بنعومته وليونته ومقاومته للتآكل وموصليته الكهربائية العالية. ويُستخدم على نطاق واسع في صناعة الرقائق والكابلات الموصلة، إلا أن مزجه بعناصر أخرى ضروري لتوفير القوة العالية اللازمة لتطبيقات أخرى. يُعد الألومنيوم من أخف المعادن الهندسية، إذ يتفوق على الفولاذ في نسبة القوة إلى الوزن.

بفضل استغلال خصائصه المميزة المتعددة، كالقوة والخفة ومقاومة التآكل وإمكانية إعادة التدوير والتشكيل، يُستخدم الألومنيوم في عدد متزايد من التطبيقات. وتشمل هذه التطبيقات مجموعة واسعة من المنتجات، بدءًا من المواد الإنشائية وصولًا إلى رقائق التغليف الرقيقة.

تصنيفات السبائك

يُصنع الألومنيوم عادةً من سبائك النحاس والزنك والمغنيسيوم والسيليكون والمنغنيز والليثيوم. كما تُضاف إليه كميات صغيرة من الكروم والتيتانيوم والزركونيوم والرصاص والبزموت والنيكل، ويوجد الحديد دائمًا بكميات ضئيلة.

يوجد أكثر من 300 سبيكة مطروقة، منها 50 سبيكة شائعة الاستخدام. تُعرف هذه السبائك عادةً بنظام ترقيم مكون من أربعة أرقام، نشأ في الولايات المتحدة الأمريكية، وهو الآن نظام معتمد عالميًا. يوضح الجدول 1 نظام ترقيم السبائك المطروقة. أما السبائك المصبوبة، فلها تسميات مماثلة، وتستخدم نظام ترقيم مكون من خمسة أرقام.

الجدول 1.تسميات سبائك الألومنيوم المطروقة.

بالنسبة لسبائك الألومنيوم المطروقة غير المخلوطة المصنفة بـ 1XXX، يمثل الرقمان الأخيران نقاء المعدن. وهما يعادلان آخر رقمين بعد الفاصلة العشرية عند التعبير عن نقاء الألومنيوم لأقرب 0.01%. يشير الرقم الثاني إلى تعديلات في حدود الشوائب. إذا كان الرقم الثاني صفرًا، فهذا يدل على ألومنيوم غير مخلوط ذي حدود شوائب طبيعية، بينما تشير الأرقام من 1 إلى 9 إلى شوائب أو عناصر سبائك فردية.

بالنسبة للمجموعات من 2XXX إلى 8XXX، يُحدد الرقمان الأخيران سبائك الألومنيوم المختلفة في المجموعة. ويشير الرقم الثاني إلى تعديلات السبيكة. يشير الرقم الثاني الصفر إلى السبيكة الأصلية، بينما تشير الأرقام من 1 إلى 9 إلى تعديلات السبيكة المتتالية.

الخواص الفيزيائية للألمنيوم

كثافة الألومنيوم

يتميز الألومنيوم بكثافة تبلغ حوالي ثلث كثافة الفولاذ أو النحاس، مما يجعله من أخف المعادن المتوفرة تجارياً. وتجعله نسبة القوة إلى الوزن العالية الناتجة عنه مادة هيكلية مهمة، تسمح بزيادة الحمولة أو توفير الوقود، لا سيما في قطاع النقل.

قوة الألومنيوم

لا يتمتع الألومنيوم النقي بقوة شد عالية. ومع ذلك، فإن إضافة عناصر سبائكية مثل المنغنيز والسيليكون والنحاس والمغنيسيوم يمكن أن تزيد من خصائص قوة الألومنيوم وتنتج سبيكة ذات خصائص مصممة خصيصًا لتطبيقات معينة.

الألومنيوميُعدّ هذا المعدن مناسبًا تمامًا للبيئات الباردة. ويتميز عن الفولاذ بأن مقاومته للشد تزداد مع انخفاض درجة الحرارة مع الحفاظ على صلابته. أما الفولاذ، فيصبح هشًا عند درجات الحرارة المنخفضة.

مقاومة الألومنيوم للتآكل

عند تعرض الألومنيوم للهواء، تتشكل طبقة من أكسيد الألومنيوم على سطحه بشكل فوري تقريبًا. تتميز هذه الطبقة بمقاومة ممتازة للتآكل، وهي مقاومة إلى حد ما لمعظم الأحماض، ولكنها أقل مقاومة للقلويات.

الموصلية الحرارية للألمنيوم

تزيد الموصلية الحرارية للألمنيوم عن موصلية الفولاذ بثلاثة أضعاف تقريبًا، مما يجعله مادةً مهمةً لتطبيقات التبريد والتدفئة، مثل المبادلات الحرارية. وبفضل كونه غير سام، يُستخدم الألمنيوم على نطاق واسع في أواني الطهي وأدوات المطبخ.

الموصلية الكهربائية للألمنيوم

يتمتع الألومنيوم، إلى جانب النحاس، بموصلية كهربائية عالية كافية لاستخدامه كموصل كهربائي. ورغم أن موصلية سبيكة الألومنيوم الشائعة الاستخدام (1350) لا تتجاوز 62% من موصلية النحاس المُلدّن، إلا أن وزنها لا يتجاوز ثلث وزن النحاس، وبالتالي فهي قادرة على توصيل ضعف كمية الكهرباء مقارنةً بالنحاس ذي الوزن نفسه.

انعكاسية الألومنيوم

من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء، يُعدّ الألومنيوم عاكسًا ممتازًا للطاقة الإشعاعية. وبفضل انعكاسه للضوء المرئي بنسبة تقارب 80%، يُستخدم على نطاق واسع في تجهيزات الإضاءة. وتجعله خصائص الانعكاس نفسها...الألومنيوممثالية كمادة عازلة للحماية من أشعة الشمس في الصيف، مع عزلها ضد فقدان الحرارة في الشتاء.

الجدول 2.خصائص الألومنيوم.

الخواص الميكانيكية للألمنيوم

يمكن تشكيل الألومنيوم بشكل كبير دون أن يتعرض للكسر. وهذا ما يسمح بتشكيله عن طريق الدرفلة، والبثق، والسحب، والتشغيل الآلي، وغيرها من العمليات الميكانيكية. كما يمكن صبه بدقة عالية.

يمكن استخدام عمليات السبائك والتشكيل على البارد والمعالجة الحرارية لتخصيص خصائص الألومنيوم.

تبلغ قوة الشد للألمنيوم النقي حوالي 90 ميجا باسكال، ولكن يمكن زيادة ذلك إلى أكثر من 690 ميجا باسكال لبعض السبائك القابلة للمعالجة الحرارية.

معايير الألمنيوم

تم استبدال معيار BS1470 القديم بتسعة معايير EN. ترد معايير EN في الجدول 4.

الجدول 4.معايير EN للألمنيوم

تختلف معايير EN عن المعيار القديم BS1470 في المجالات التالية:

• التركيبات الكيميائية – لم تتغير.
• نظام ترقيم السبائك – لم يتغير.
• تشمل تسميات الصلابة للسبائك القابلة للمعالجة الحرارية الآن نطاقًا أوسع من الصلابة الخاصة. وقد تم إدخال ما يصل إلى أربعة أرقام بعد حرف T للتطبيقات غير القياسية (مثل T6151).
• تسميات درجات التصليد للسبائك غير القابلة للمعالجة الحرارية - لم يطرأ أي تغيير على درجات التصليد الحالية، ولكن تم تعريفها الآن بشكل أكثر شمولاً من حيث كيفية تكوينها. درجة التصليد اللينة (O) أصبحت الآن H111، وتم استحداث درجة تصليد متوسطة H112. بالنسبة لسبيكة 5251، تُعرض درجات التصليد الآن على النحو التالي: H32/H34/H36/H38 (ما يعادل H22/H24، إلخ). يتم الآن عرض H19/H22 وH24 بشكل منفصل.
• الخواص الميكانيكية – تبقى مماثلة للأرقام السابقة. يجب الآن ذكر إجهاد الخضوع بنسبة 0.2% في شهادات الاختبار.
• تم تشديد معايير التفاوت بدرجات متفاوتة.
  

  المعالجة الحرارية للألمنيوم

  يمكن تطبيق مجموعة من المعالجات الحرارية على سبائك الألومنيوم:

  • التجانس - إزالة الانفصال عن طريق التسخين بعد الصب.
  • التلدين - يستخدم بعد التشكيل على البارد لتليين السبائك التي تتصلب بالتشكيل (1XXX و 3XXX و 5XXX).
  • الترسيب أو التصلب بالتقادم (السبائك 2XXX و 6XXX و 7XXX).
  • المعالجة الحرارية بالمحلول قبل تقادم سبائك التصليد بالترسيب.
  • التسخين لمعالجة الطلاءات
  • بعد المعالجة الحرارية، تتم إضافة لاحقة إلى أرقام التسمية.
  • اللاحقة F تعني "كما تم تصنيعها".
  • يشير الحرف O إلى "المنتجات المشغولة المعالجة حرارياً".
  • يشير الحرف T إلى أنه قد تم "معالجته حرارياً".
  • يشير الحرف W إلى أن المادة قد خضعت لمعالجة حرارية بالمحلول.
  • يشير الحرف H إلى السبائك غير القابلة للمعالجة الحرارية والتي يتم تشكيلها على البارد أو تقويتها بالتشكيل.
  • السبائك غير القابلة للمعالجة الحرارية هي تلك الموجودة في المجموعات 3XXX و 4XXX و 5XXX.