Πώς γίνεται η επεξεργασία του αλουμινίου και ποια στοιχεία περιέχει;

Το αλουμίνιο (Al) είναι ένα ελαφρύ, ασημί λευκό μέταλλο που κατατάσσεται ως το τρίτο πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της Γης, μετά το οξυγόνο και το πυρίτιο. Ωστόσο, λόγω της υψηλής χημικής του αντιδραστικότητας, δεν εμφανίζεται ποτέ φυσικά στην καθαρή μεταλλική του μορφή. Αντίθετα, βρίσκεται σε ενώσεις, κυρίως μέσα στο μετάλλευμα βωξίτη, ένα μείγμα ένυδρων οξειδίων του αργιλίου, συμπεριλαμβανομένου του γιβσίτη (Al(OH)₃), του βαιμίτη (AlO(OH)) και των διασπορίων.

Η διαδικασία διύλισης σε δύο στάδια

Το ταξίδι από τον ακατέργαστο βωξίτη στονυψηλής καθαρότητας αλουμίνιο περιλαμβάνειδύο ξεχωριστές βιομηχανικές διαδικασίες.

Το πρώτο στάδιο είναι η διαδικασία Bayer, η οποία αναπτύχθηκε το 1888. Ο θρυμματισμένος βωξίτης αναμειγνύεται με ένα θερμό διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου υπό πίεση, διαλύοντας τα ορυκτά που περιέχουν αλουμίνιο, αφήνοντας πίσω ακαθαρσίες όπως οξείδια του σιδήρου και πυριτία. Το προκύπτον διάλυμα αργιλικού νατρίου στη συνέχεια διηθείται για να απομακρυνθεί το υπόλειμμα κόκκινης λάσπης, εμβολιάζεται με κρυστάλλους υδροξειδίου του αργιλίου και φρύσσεται στους 1.100°C περίπου για να παραχθεί καθαρή λευκή αλουμίνα ή οξείδιο του αργιλίου (Al₂O₃). Πάνω από το 90% της αλουμίνας παγκοσμίως παράγεται πλέον μέσω αυτής της μεθόδου.

Το δεύτερο στάδιο είναι η διαδικασία Hall Héroult. Η αλουμίνα έχει σημείο τήξης πάνω από 2.000°C, καθιστώντας την άμεση ηλεκτρόλυση μη πρακτική. Η λύση έγκειται στη διάλυση του Al₂O₃ σε τηγμένο κρυόλιθο (Na₃AlF₆), η οποία μειώνει τη θερμοκρασία λειτουργίας σε περίπου 950~1.000°C. Στη συνέχεια, διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του μείγματος. Το τηγμένο αλουμίνιο συλλέγεται στον πυθμένα (την κάθοδο), ενώ το οξυγόνο συνδυάζεται με τις ανόδους άνθρακα για να σχηματίσει CO₂. Αυτή η ηλεκτρολυτική μέθοδος παραμένει η μόνη βιομηχανική διαδικασία για την παραγωγή πρωτογενούς αλουμινίου, αποδίδοντας μέταλλο καθαρότητας 99,5~99,8%.

Ποια στοιχεία περιέχει το αλουμίνιο;

Το καθαρό αλουμίνιο αποτελείται αποκλειστικά από το στοιχείο Al, με ατομικό αριθμό 13 και ατομικό βάρος περίπου 26,98 g/mol. Το αλουμίνιο εμπορικής καθαρότητας (98,8–99,7% Al) περιέχει μικρά ίχνη σιδήρου και πυριτίου ως φυσικές ακαθαρσίες. Ωστόσο, οι περισσότεροιΟι εφαρμογές βασίζονται σε κράματα αλουμινίου, όπου συγκεκριμένα στοιχεία προστίθενται σκόπιμα για την προσαρμογή των μηχανικών ιδιοτήτων.

Για δομικές εφαρμογές, η σειρά 6000 (π.χ., 6061) χρησιμοποιεί μαγνήσιο και πυρίτιο ως κύρια στοιχεία κράματος, συνήθως 0,8~1,2% Mg και 0,400~0,8% Si. Αυτό το κράμα προσφέρει μια εξαιρετική ισορροπία μέτριας αντοχής, καλής συγκολλησιμότητας και ανώτερης μηχανικής κατεργασίας.

Για απαιτήσεις υψηλής αντοχής, η σειρά 7000 (π.χ., 7075) ενσωματώνει ψευδάργυρο και χαλκό ως κύρια στοιχεία κράματος, με περίπου 5,16~0,1% Zn και 1,2~2,0% Cu. Η σκληρότητα T6 του 7075 προσφέρει σχεδόν διπλάσια αντοχή σε εφελκυσμό από το 6061-T6, καθιστώντας το το υλικό επιλογής για αεροδιαστημική και δομικά στοιχεία υψηλής απόδοσης.

Ίχνη χρωμίου, μαγγανίου και τιτανίου υπάρχουν επίσης συνήθως σε εμπορικά κράματα, καθένα από τα οποία παίζει ρόλο στη βελτίωση των κόκκων και στην αντοχή στη διάβρωση. Η κατανόηση της ακριβούς στοιχειακής σύνθεσης κάθε κράματος είναι απαραίτητη για την επιλογή του σωστού υλικού για συγκεκριμένες απαιτήσεις κατεργασίας ή κατασκευής.