الألومنيوم وسبائكه يتسمون نسبياً بالكثافة المنخفضة(2.[1][2][3]7 جم/سم^3 مقارنة بالحديد7.9 جم/سم^3)ودرجة توصيله للكهرباء والحرارة عالية ومقاوم للتاكل في بعض البيئات، تشمل الجو المحيط. الكثير من هذه السبائك سهل تشكيلهم بسبب مرونتهم وهذا يحدث بدليل ورق الألومنيوم الرفيع ودرفلة الألومنيوم النقي وحيث أن الألومنيوم له(fcc structure)تكون مرونته عند درجات الحرارة المنخفضة. أول حدود المقيدة للألومنيوم أن درجة انصهاره منخفضة(660 درجة سيليزيوس(1220 درجة فهرنهايت)) هي التي تحدد أقصى درجة حرارة للألومنيوم ممكن أن يستخدم فيها. من الممكن تحسين خواص الألومنيوم الميكانيكية بواسطة التشغيل البارد أو خلطه مع عناصر أخرى. كلا من العمليتين تهدف إلى تقليل عملية التآكل. و هؤلاء هم العناصر الهامة التي تدخل مع الألومنيوم في سبائك وتشمل(النحاس والماغنسيوم والسليكون والزنك). السبائك الغير قابلة لدرجة الحرارة تتكون من طور واحد، لزيادة صلابة الألومنيوم تتم بواسطة الأحلال المقوي للمعدن الخام. المعادن الأخرى يتقدمون في المعالجة الحرارية(قادرون على تسريع التصلب)كنتيجة للسبيكة. العديد من هذه السبائك يتصلبوا سريعاً بسبب سرعة العنصرين الآخرين غير الألومنيوم لتكوين سبيكة مركبة(MgZn2). عاماً سبائك الألومنيوم يتم تصنيفهم اما صب أو مطاوع. تركيب كلا من النوعين يتم تصميمهم على حسب اربع خانات للأرقام التي تشير إلى كمية الشوائب، وفي بعض الحالات، مستوى النقاء. للسبائك المصبوبة، العلامة العشرية تقع بين آخر خانتين. بعد وصلة هذة الخانات والتصنيف الرئيسي لهم-الحرف والخانات من واحد إلى ثلاثة التي تشير إلى المعالجة الحرارية والخواص الميكانيكية وهذا ما يتم عليه اختيار السبيكة. لنعطي مثلاً(F,H andO)dufv)يعبرون بالترتيب عن كيف صنعت والتصلد الأنفعالي والتصلب. T3 تعني بأن السبيكة تم معالجتها حرارياً وتشغيلها على البارد. تركيب وخصائص وتطبيقات أنواع السبائك المطاوعة والمصبوبة موجودة في هذا الجدول.
| تصنيف سبيكة الالومنيوم | UNSرقم | نسبة تركيب | حالة المعالجة الحرارية | مقاومة الشد(MPa) | اجهاد الخضوع(MPa) | نسبة الاستطالة في50mm | التطبيقات |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1100 | A91100 | نحاس Cu 0.12 | لدنة | 90 | 35 | 35-45 | أجهزة تبادل حراري وعاكس الضوء |
| 3003 | A93003 | نحاسCU 0.12 وزنكZu0.1 ومنجنيزMn 1.2 | لدنة | 110 | 40 | 30-40 | اوعية الضغط ومواسير |
| 5052 | A95052 | ماغنسيومMg2.5 وكروم0.25 | تصلب انفعاليH32 | ر230 | 195 | 12-18 | خطوط البترول ونانكات الوقود |
| 2024 | A92024 | نحاس4.4 وماغنسيوم1.5 ومنجنيز0.6 | معالجة حرارية(T4) | ر470 | 325 | 20 | وصلة البرشام وبناء الطائرات ومنتجات ماكينة القلاوظ |
| 6061 | A96061 | ماغنسيومMg1.0 وسليكونSi0.6 ونحاسCu0.30 وكروم0.23 | معالجة حرارية(T4) | ر240 | 145 | 22-25 | اثاث والشاحنات |
| 7057 | A97075 | نحاس1.6 وزنك5.6 وماغنسيومMg2.5 وكرومCr0.23 | معالجة حرارية(T6) | ر570 | 505 | 11 | الطائرات ومنتجات تحمل الأجهاد العالي |
| 295.0 | A02950 | نحاس4.5 وسيليكون1.1 | معالجة حرارية(T4) | ر221 | 110 | 8.5 | الأتوبيس وعمود الكرانك |
| 356.0 | A03560 | ماغنسيوم0.3 وسيليكون7.0 | معالجة حرارية(T6) | ر228 | 164 | 3.5 | الطائرات |
| 2090 | - | نحاس2.7 وماغنسيوم0.25 وليثيوم2.25 وزرنيخ0.12 | معالجة حرارية(T83)على البارد | ر455 | 455 | 5 | الطائرات |
| 8090 | - | نحاس1.3 وماغنسيوم0.95 وليثيوم2.0 وزرنيخ0.1 | معالجة حرارية(T651)على البارد | ر360 | 360 | - | الطائرات |
- "معلومات عن سبيكة ألومنيوم على موقع psh.techlib.cz". psh.techlib.cz. مؤرشف من الأصل في 12 سبتمبر 2019.
- "معلومات عن سبيكة ألومنيوم على موقع id.loc.gov". id.loc.gov. مؤرشف من الأصل في 07 ديسمبر 2019.
- "معلومات عن سبيكة ألومنيوم على موقع babelnet.org". babelnet.org. مؤرشف من الأصل في 12 سبتمبر 2019.
Adapted from ASM Handbook,Vol.2,Properties and Selection:Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials,1990.Reprinted by premission of ASM International, Materials Park,OH 44073-0002.
بعض من التطبيقات الأكثر شهرة لسبائك الألومنيوم تشمل هياكل الأتوبيسات وأجزاء بناء الطائرات والمعلبات وأجزاء السيارات(المكابس وهيكل الماتور والأنابيب المتفرعة). العالم الصناعي يتجه حالياً إلى سبائك الألومنيوم والمعادن التي كثافتها منخفضة(مثل:التيتانيوم والماغنسيوم)تكون مواد هندسية لوسائل المواصلات لأنها تقدر على تقليل استهلاك الوقود.الخصائص المهمة لهذة المواد هي قوتها والتي تتضح بواسطة خاصية مقاومة الشد والثقل النسبي.بالرغم من ذلك ممكن واحدة من هذة المعادن لديه مقاومة شد رديئة مقاؤنة الصلب؛وعلى حسب قوانين الوزن يكون الطلب أكبر تحمل للحمل الذي عليه. الجيل الجديد لسبائك الألومنيوم-اليثيوم تم تطويرها حالياً ليتم استخدمها في صناعة الطائرات وسفن الفضاء.هذه المواد لديها نسبياً كثافة منخفضة (ما بين 2.5 إلى 2.6 جم/سم^3),لديها معاملات رجوعية عالية(معامل المرونة والثقل النوعي نسبة)و مقاومة لتحمل الأجهادات المتكررة وخاصية الجساءة عند درجات الحرارة المنخفضة.إضافة إلى أن بعض من هذه فابلة للمعالجة.لكن هذه المواد تكون مكلفة في صناعتها مقارنة بسبائك الألومنيوم التقليدية لأن بعض التقنيات الفنية الخاصة بعملية الصناعة تحتاج إلى تفاعل اليثيوم كيميائياً.
الألومنيوم الخام
- تحتوي القشرة الأرضية على 8.07% من الألومنيوم.
- الألومنيوم يعتبر من خام البوكسيت(AL2O3)و ذلك نتيجة شدة تفاعله مع الأكسجين.
- العملية الكهربائية ل(Hall-Heroult)تم تطويرها في أواخر القرن التاسع عشر لاستخراج الألومنيوم من خام البوكسايت.
- تجارياً يكون الألومنيوم النقي أقل من 1% نسبة شوائب.
- قوته العالية إلى الوزن النسبي لبعض سبائك الألومنيوم تجعله العمود الفقري لصناعة مركبات الفضاء من سبعين سنة.
لمحة تاريخية
البشر أعتادو على استخدام الألومنيوم لألاف السنين.
- الاستخدامات كانت في وقت مبكر نتيجة التجارب الطبيعية لمركبات الألومنيوم.
- عام 5000 سنة قبل الميلاد صنعوا الفرس الأواني من الطين التي تحتوي على الومنيوم اوكسيد.
- أستخدم قدماء المصريين مركبات الألومنيوم في مستحضرات تجميل والأدوية والأصباغ.
أستخراج الألومنيوم
- عملية(bayer brocess)لتنقيح الألومنيوم من البوكسايت.
- البوكسيت يكون من 30-55% ألومينا.
- يتم تكرير الألومينا من البوكسايت عن طريق (bayer process).
- يذوب البوكسيت في التوصل إلى حل تحويل الألومينا إلى هيدروكسيد الألومنيوم.
- بعد تبريد هيدروكسيد الألومنيوم تتم ازالة الرواسب وإعادة تسخينها لترك الألومينا النقي.
العملية الكهربائية ل(Hall-heroult)
تشارلز هال (كيميائي) هو من قدر على اختراق هذا.في عام1886 مرر هول تيار كهربائي من خلال بوتقة كربون مليئة بحمام من الكريوليت تحتوي على ألومينا. وبعد أن تجمدت الكتلة فام بدقها وفتحها ليرى الألومنيوم بداخلها.و بذلك تم اكتشاف هذة الطريق الكهربائية لاستخراج الألومنيوم.
إنتاج الألومنيوم
طريق هول تستخدم اليوم لإنتاج الألومنيوم.تخفيض كهربائيا يحمل إلى حمام من فلور في درجة حرارة 950 درجة مئوية تحت التيار الكهربائي العالي.هذا يحدث في "أواني" حيث كاثودات الكربون بمثابة القطب السالب.و الآنود يتم استهلاكة في العملية عندما يتم تفاعل الألومنيوم مع الأكسجين. مثال لإنتاج الألومنيوم:4 طن بوكسايت يعطي 2 طن ألومينا يعطي 1 طن ألومنيوم.
تطبيقات الألومنيوم
عالمياً يمثل الألومنيوم 7.8% من إنتاج السيارات موديل 2009 التي تمثل 1448 كيلو جرام.يزداد الألومنيوم في السيارات ما بين 2 إلى 2.5 كيلو جرام سنوياً ويتوقع الخبراء ان كمية الألومنيوم قد تصل إلى 137 كيلو جرام في السيارة بحلول عام 2020.أمريكا الشمالية هي في استخدام الألومنيوم في السيارات والشاحنات الخفيفة والعربات التي تحتوي على 10% ألومنيوم.شركتا هوندا وبي إم دبليو هما الأكثر استخداماً للألومنيوم حيث يستخدمون نحو 154 كيلو جرام في العربة.
سبيكة ألومنيوم-سكانديوم
بإضافة سكانديوم إلى الألومنيوم يخلق Al3Sc النانو الرواسب التي تحد من نمو الحبوب المفرط الذي يحدث في المنطقة المتضررة من حرارة مكونات الألمنيوم الملحوم. هذا واثنين من آثار مفيدة: لAl3Sc عجلت تشكل بلورات أصغر من يتم تشكيلها في سبائك الالومنيوم أخرى ويتم خفض عرض راسب المناطق الخالية التي توجد عادة في حدود الحبوب من سبائك الألومنيوم في العمر hardenenable ] الإسكنديوم. هو أيضا تكرير الحبوب فعالة في سبائك الألمنيوم، والذرة للذرة، ومقوي أقوى في الألومنيوم، على حد سواء نتيجة لتكرير الحبوب وتعزيز التساقط. ومع ذلك، سبائك التيتانيوم، التي هي أقوى ولكن أثقل، وأرخص وأكثر من ذلك بكثير يستخدم على نطاق واسع. التطبيق الرئيسي للسكانديوم المعدنية بالوزن هو في الألومنيوم سكانديوم سبائك قاصر على مكونات صناعة الطيران. هذه السبائك تحتوي على ما بين 0.1٪ و 0.5٪ (بالوزن) من سكانديوم. كانت تستخدم في الطائرات العسكرية الروسية ميج 21 وميج-29. وقد بذلت بعض البنود من المعدات الرياضية، والتي تعتمد على المواد عالية الأداء، مع سكانديوم-خلائطه، بما في ذلك مضارب البيسبول، العصي لاكروس، فضلا عن دراجة الأطر والمكونات، وأعمدة خيمة. الولايات المتحدة gunmaker سميث اند ويسون وتنتج المسدسات مع إطارات تتألف من سبيكة سكانديوم واسطوانات من التيتانيوم.