الألومنيوم هو أكثر المعادن وفرةً في العالم، وهو ثالث أكثر العناصر شيوعًا، إذ يُشكل 8% من قشرة الأرض. وتجعله تعدد استخداماته أكثر المعادن استخدامًا بعد الفولاذ.

إنتاج الألومنيوم

يُشتق الألومنيوم من معدن البوكسيت. يُحوَّل البوكسيت إلى أكسيد الألومنيوم (الألومينا) عبر عملية باير. ثم تُحوَّل الألومينا إلى معدن الألومنيوم باستخدام الخلايا التحليلية الكهربائية 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 المُعاد تدويرها. يُعد استخدام الألومنيوم المُعاد تدويره مُجديًا اقتصاديًا وبيئيًا. يتطلب إنتاج طن واحد من الألومنيوم الجديد 14,000 كيلوواط/ساعة، بينما يتطلب إعادة صهر وإعادة تدوير طن واحد من الألومنيوم 5% فقط من هذه الكمية. لا يوجد فرق في الجودة بين سبائك الألومنيوم الخام والمعاد تدويرها.

تطبيقات الألومنيوم

نقيالألومنيوميتميز الألومنيوم بأنه ناعم، ومرن، ومقاوم للتآكل، وذو موصلية كهربائية عالية. ويُستخدم على نطاق واسع في صناعة كابلات الرقائق والموصلات، إلا أن خلطه بعناصر أخرى ضروري لتوفير المتانة العالية اللازمة لتطبيقات أخرى. يُعد الألومنيوم من أخف المعادن الهندسية، حيث تتفوق نسبة قوته إلى وزنه على الفولاذ.

بفضل استغلاله لخصائصه المميزة، كالقوة وخفة الوزن ومقاومة التآكل وقابلية إعادة التدوير والتشكيل، يُستخدم الألومنيوم في عدد متزايد من التطبيقات. وتتراوح هذه المجموعة من المنتجات بين المواد الإنشائية ورقائق التغليف الرقيقة.

تسميات السبائك

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

هناك أكثر من 300 سبيكة مشغولة، منها 50 سبيكة شائعة الاستخدام. تُعرف عادةً بنظام الأرقام الرباعية، الذي نشأ في الولايات المتحدة الأمريكية وأصبح الآن مقبولاً عالميًا. يصف الجدول 1 نظام السبائك المشغولة. تحمل السبائك المصبوبة تسميات مماثلة وتستخدم نظامًا من خمسة أرقام.

الجدول 1.تسميات لسبائك الألومنيوم المشغولة.

بالنسبة لسبائك الألومنيوم المشغولة غير المخلوطية، والمُرمز لها بالرمز 1XXX، يُمثل الرقمان الأخيران نقاء المعدن. وهما يُعادلان الرقمين الأخيرين بعد العلامة العشرية عند التعبير عن نقاء الألومنيوم لأقرب 0.01%. يشير الرقم الثاني إلى تعديلات في حدود الشوائب. إذا كان الرقم الثاني صفرًا، فهذا يعني أن الألومنيوم غير المخلوط يتمتع بحدود شوائب طبيعية، بينما تُشير الأرقام من 1 إلى 9 إلى شوائب فردية أو عناصر سبائك.

بالنسبة للمجموعات من 2XXX إلى 8XXX، يُشير الرقمان الأخيران إلى سبائك ألومنيوم مختلفة في المجموعة. يشير الرقم الثاني إلى تعديلات السبائك. يشير الرقم الثاني (صفر) إلى السبائك الأصلية، وتشير الأعداد الصحيحة من 1 إلى 9 إلى تعديلات متتالية للسبائك.

الخصائص الفيزيائية للألمنيوم

كثافة الألومنيوم

تبلغ كثافة الألومنيوم حوالي ثلث كثافة الفولاذ أو النحاس، مما يجعله من أخف المعادن المتاحة تجاريًا. وتجعله نسبة القوة إلى الوزن العالية الناتجة عنه مادة هيكلية مهمة، مما يسمح بزيادة الحمولات أو توفير الوقود في قطاعات النقل تحديدًا.

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 بخصائص مصممة خصيصًا لتطبيقات محددة.

الألومنيوميتلاءم جيدًا مع البيئات الباردة. يتميز عن الفولاذ بميزة زيادة قوة الشد مع انخفاض درجة الحرارة مع الحفاظ على متانته. من ناحية أخرى، يصبح الفولاذ هشًا في درجات الحرارة المنخفضة.

مقاومة التآكل للألمنيوم

عند تعرضه للهواء، تتشكل طبقة من أكسيد الألومنيوم على سطحه بشكل شبه فوري. تتميز هذه الطبقة بمقاومة ممتازة للتآكل، كما أنها مقاومة بشكل جيد لمعظم الأحماض، ولكنها أقل مقاومة للقلويات.

الموصلية الحرارية للألمنيوم

الموصلية الحرارية للألمنيوم أعلى بثلاث مرات تقريبًا من الفولاذ. هذا يجعل الألومنيوم مادةً مهمةً في تطبيقات التبريد والتدفئة، مثل المبادلات الحرارية. وإلى جانب كونه غير سام، تُستخدم هذه الخاصية على نطاق واسع في أدوات الطهي والمطبخ.

الموصلية الكهربائية للألمنيوم

إلى جانب النحاس، يتمتع الألومنيوم بموصلية كهربائية عالية تُمكّنه من استخدامه كموصل كهربائي. مع أن موصلية سبيكة التوصيل الشائعة الاستخدام (1350) لا تتجاوز حوالي 62% من موصلية النحاس المُلدّن، إلا أنها تُعادل ثلث وزنها فقط، وبالتالي تُوصل ضعف كمية الكهرباء المُستخدمة في النحاس ذي الوزن نفسه.

انعكاسية الألومنيوم

من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء، يُعد الألومنيوم عاكسًا ممتازًا للطاقة الإشعاعية. بفضل انعكاسية الضوء المرئي التي تبلغ حوالي 80%، يُستخدم على نطاق واسع في تركيبات الإضاءة. نفس خصائص الانعكاسية تجعله...الألومنيوممثالي كمواد عازلة للحماية من أشعة الشمس في الصيف، مع توفير العزل ضد فقدان الحرارة في الشتاء.

الجدول 2.خصائص الألومنيوم.

الخصائص الميكانيكية للألمنيوم

يمكن للألمنيوم أن يتشوه بشدة دون أن يتعرض للتلف. وهذا يسمح بتشكيله بالدرفلة، والبثق، والسحب، والتشغيل الآلي، وغيرها من العمليات الميكانيكية. كما يمكن صبه بتحمل عالٍ.

يمكن الاستفادة من السبائك والعمل البارد والمعالجة الحرارية لتخصيص خصائص الألومنيوم.

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

معايير الألومنيوم

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

الجدول 4.معايير EN للألمنيوم

تختلف معايير EN عن المعيار القديم BS1470 في المجالات التالية:

• التركيب الكيميائي - لم يتغير.
• نظام ترقيم السبائك – لم يتغير.
• تشمل تسميات التطبيع للسبائك القابلة للمعالجة حرارياً الآن نطاقاً أوسع من التطبيعات الخاصة. وقد أُضيفت حتى أربعة أرقام بعد حرف T للتطبيقات غير القياسية (مثل T6151).
• تسميات التطبيع للسبائك غير القابلة للمعالجة حرارياً - التطبيعات الحالية لم تتغير، ولكن التطبيعات أصبحت الآن أكثر شمولاً من حيث كيفية إنتاجها. التطبيع الناعم (O) أصبح H111، وتم إدخال تطبيع متوسط ​​H112. بالنسبة للسبائك 5251، تُعرض التطبيعات الآن على هيئة H32/H34/H36/H38 (أي ما يعادل H22/H24، إلخ). يُعرض H19/H22 وH24 الآن بشكل منفصل.
• الخصائص الميكانيكية - تظل مشابهة للأرقام السابقة. يجب الآن ذكر إجهاد الإثبات بنسبة 0.2% في شهادات الاختبار.
• لقد تم تشديد التسامحات إلى درجات مختلفة.
  

  المعالجة الحرارية للألمنيوم

  يمكن تطبيق مجموعة من المعالجات الحرارية على سبائك الألومنيوم:

  • التجانس - إزالة الفصل عن طريق التسخين بعد الصب.
  • التلدين – يستخدم بعد العمل البارد لتليين سبائك التصلب بالعمل (1XXX، 3XXX و 5XXX).
  • الترسيب أو التصلب بسبب التقدم في السن (السبائك 2XXX و 6XXX و 7XXX).
  • المعالجة الحرارية للمحلول قبل شيخوخة سبائك التصلب الترسيبي.
  • التسخين لمعالجة الطلاءات
  • بعد المعالجة الحرارية تتم إضافة لاحقة إلى أرقام التعيين.
  • اللاحقة F تعني "كما تم تصنيعه".
  • O تعني "المنتجات المشغولة الملدنة".
  • تعني "T" أنه تم "معالجته حرارياً".
  • W يعني أن المادة تمت معالجتها بالحرارة المحلولية.
  • يشير H إلى السبائك غير القابلة للمعالجة بالحرارة والتي يتم "معالجتها على البارد" أو "تصلبها بالإجهاد".
  • السبائك غير القابلة للمعالجة الحرارية هي تلك الموجودة في مجموعات 3XXX و4XXX و5XXX.