آلومینیم چيست

آلومینیوم عنصری نقره‌ای و انعطاف‌پذیر است، عمدتأ به صورت سنگ معدن بوکسیت یافت می‌شود.

آلومینیوم یکی از فلزات واسطه است که در ایالات متحده آمریکا و کانادا برخلاف سایر کشورها به «آلومینیُم»، «آلومینُم» می‌گویند. هر دو تلفظ از واژه لاتین Lumen به معنی «نور» گرفته شده‌است.

پیش از جداسازی فلز آلومینیم، اکسید آن آلومین نامید می‌شد. هامفری دیوی که موفق نشده بود از آلومین، آلومینیم تهیه کند، گفت که می‌خواهد نام این فلز را «آلومیم» بگذارد. ولی بعداً آن را به «آلومینم» تغییر داد تا با آلومین مطابقت داشته باشد. با این حال واژهٔ آلومینیم کاربرد عمومی پیدا کرد، زیرا نام بسیاری از عنصرهای فلزی به «یُم» ختم می‌شود.

آلومینیم با علامت شیمیایی AL و شبکه کریستالی FCC می تواند اتم های عناصری مثل کربن ،نیتروژن ، بر ، هیدروژن و اکسیژن را به دلیل شعاع اتمی کوچک که دارد در خود به شکل محلول جامد بین نشین حل نماید. نقطه ذوب 660   درجه سانتیگراد و نقطه جوش آن 2750 درجه می باشد. آلومینیم را در دماهای 1000  درجه و بالاتر از آن استفاده نمی کنند به دلیل اینکه شدیدا اکسید شده و تلفات آن زیاد می باشد. ولی منیزیم و روی این مقدار بیشتری از آلومینیم تلفات دارند.

وزن مخصوص 7/2 می باشد و در حالت مذاب 3/2 بنابراین می توان نتیجه گرفت در حالت مذاب انبساط آن زیاد می باشد.در صد انقباض آن در فاز مایع 10% و در حین انجماد 8/6% است و به دلیل انقباض های زیاد به تغذیه در قعات آلومینیم ضرورت می یابد.مهمترین آیاژهای آلومینیم عبارتند از : آلیاژ آلومینیم با منیزیم – مس و سیلیسیم و یا آلیاژهای با ترکیب این سه عنصر لذا در اثر آلیاژ نمودن خواص مکانیکی مقاومت به خوردگی و ماشین کاری آلومینیم افزایش می یابد .

به هر حال آلومینیم  و آلیاژهای آن به دلیل نقطه ذوب پایین ، سیالیت زیادی که دارد افزایش خواص مکانیکی در اثر آلیاژ سازی  و همچنین قابلیت عملیات حرارتی را دارد. منحنی سرد شدن تعادلی مواد فلزی با یکدیگر متفاوت است مثلا یک آلومینیم خاص را با یک آلیاژ  دیگر در نظر بگیرید در فلز خاص در یک دمای خاص انجماد صورت می گیرد .

در صورتی که در یک آلیاژ انجماد در یک فاصله در جه حرارتی صورت می گیرد. عملیات گاز زدایی با استفاده از گازهای فعال مثل کلر : اگر درجه حرارت 180 درجه برسد ترکیب فوق به شکل حباب در آمده ( فرار می باشد ) و هید روژن به داخل آن نفوذ می کند هر چه عمق مذاب بیشتر باشد گاز زدایی یا بازده ی آن بیشتر می شود. عملا باید 6/0 % گاز کلر مصرف شود که بستگی به نوع آلیاژ نوع کوره و شرایط وارد کردن گاز و روش تهیه قالب و رطوبت هوا دارد. گاز زدایی باکلر نسبت با ازت برتری دارد چون گاز کلر حباب کارید آلومینیم ریز و بیشتری تولید می کند

تاریخچه کشف آلومینیوم

فردریک وهلر” بطور کلی به آلومینیوم خالص اعتقاد داشت. اما این فلز دو سال پیشتر به‌وسیله «هانس کریستین ارستد» شیمیدان و فیزیکدان دانمارکی بدست آمد. در روم و یونان باستان این فلز را به‌عنوان ثابت کننده رنگ در رنگرزی و نیز به‌عنوان بند آورنده خون در زخمها بکار می‌بردند و هنوز هم به‌عنوان داروی بند آورنده خون مورد استفاده‌است. در سال ۱۷۶۱، «گویتون دموروو» پیشنهاد کرد تا alum را آلومین   (alumin) بنامند.

پیدایش و منابع

اگر چه Al، یک عنصر فراوان در پوسته زمین است(۱۸٪)، این عنصر در حالت آزاد خود بسیار نادر است و زمانی یک فلز گرانبها و ارزشمندتر از طلا به حساب می‌آمد. بنابراین، به‌عنوان فلزی صنعتی اخیرأ مورد توجه قرار گرفته و در مقیاسهای تجاری تنها بیش از ۱۰۰ سال است که مورد استفاده‌است. در ابتدا که این فلز کشف شد، جدا کردن آن از سنگها بسیار مشکل بود و چون کل آلومینیوم زمین بصورت ترکیب بود، مشکل‌ترین فلز از نظر تهیه به شمار می‌آمد.

آلومینیوم برای مدتی از طلا با ارزش‌تر بود، اما بعد از ابداع یک روش آسان برای استخراج آن در سال ۱۸۸۹، قیمت آن رو به کاهش گذاشت و سقوط کرد. تهیه مجدد این فلز از قطعات اسقاط (از طریق بازیافت) تبدیل به بخش مهمی از صنعت آلومینیوم شد.

بازیافت آلومینیوم موضوع تازه‌ای نیست، بلکه از قرن نوزدهم یک روش رایج برای این کار وجود داشت. با اینهمه تا اواخر دهه ۶۰ این یک کار کم منفعت بود تا زمانیکه بازیافت قوطیهای آلومینیومی آشامیدنیها بالاخره بازیافت این فلز را مورد توجه قرار داد. منابع بازیافت آلومینیوم عبارت‌اند از: اتومبیلها، پنجره‌ها، درها، لوازم منزل، کانتینرها و سایر محصولات.

آلومینیوم، عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی دارای علامت Al و عدد اتمی ۱۳ می‌باشد.

آلومینیوم که عنصری نقره‌ای و انعطاف‌پذیر است، عمدتأ به صورت سنگ معدن بوکسیت یافت می‌شود و از نظر مقاومتی که در برابر اکسیداسیون دارد، همچنین وزن و قدرت آن، قابل توجه‌است. آلومینیوم در صنعت برای تولید میلیونها محصول مختلف بکار می‌رود و در جهان اقتصاد، عنصر بسیار مهمی است.

اجزای سازه‌هایی که از آلومینیوم ساخته می‌شوند، در صنعت هوانوردی و سایر مراحل حمل و نقل بسیار مهم هستند. همچنین در سازه‌هایی که در آنها وزن پایداری و مقاومت لازم هستند، وجود این عنصر اهمیت زیادی دارد.

ویژگی‌های قابل توجه

آلومینیوم، فلزی نرم و سبک، اما قوی است، با ظاهری نقره‌ای – خاکستری مات و لایه نازک اکسایش که در اثر برخورد با هوا در سطح آن تشکیل می‌شود، از زنگ خوردگی بی. ِ چکش خوار، انعطاف پذیر و به راحتی خم می‌شود. همچنین بسیار بادَوام و مقاوم در برابر زنگ خوردگی است. بعلاوه، این عنصر غیر مغناطیسی، بدون جرقه، دومین فلز چکش خوار و ششمین فلز انعطاف‌پذیر است.

آلومینیوم چیست

کاربردها

چه از نظر کیفیت و چه از نظر ارزش، آلومینیوم کاربردی‌ترین فلز بعد از آهن است و تقریبأ در تمامی بخش‌های صنعت دارای اهمیت می‌باشد. آلومینیوم خالص، نرم و ضعیف است، اما می‌تواند آلیاژهایی را با مقادیر کمی از مس، منیزیوم، منگنز، سیلیکون و دیگر عناصر بوجود آورد که این آلیاژها ویژگی‌های مفید گوناگونی دارند. این آلیاژها اجزای مهم هواپیماها و راکتها را می‌سازند.

وقتی آلومینیوم را در خلاء تبخیر کنند، پوششی تشکیل می‌دهد که هم نور مرئی و هم گرمای تابشی را منعکس می‌کند. این پوششها لایه نازک اکسید آلومینیوم محافظ را بوجود می‌آورند که همانند پوششهای نقره خاصیت خود را از دست نمی‌دهند. یکی دیگر از موارد استفاده از این فلز در لایه آینه‌های تلسکوپ‌های نجومی است. برخی از کاربردهای فراوان آلومینیوم عبارت‌اند از: حمل و نقل (اتومبیل‌ها، هواپیماها، کامیون‌ها، کشتی‌ها، ناوگانهای دریایی، راه آهن و…) بسته‌بندی (قوطی‌ها، فویل و…) ساختمان (درب، پنجره، دیوار پوشها و…) کالاهای با دوام مصرف کننده (وسایل برقی خانگی، وسایل آشپزخانه، …) خطوط انتقال الکتریکی (به‌علت وزن سبک اگرچه هدایت الکتریکی آن تنها ۶۰٪ هدایت الکتریکی مس می‌باشد) ماشین آلات اکسید آلومینیوم (آلومینا) بطور طبیعی و بصورت کوراندوم، سنگ سنباده، یاقوت و یاقوت کبود یافت می‌شود که در صنعت شیشه‌سازی کاربرد دارد. یاقوت و یاقوت کبود مصنوعی در لیزر برای تولید نور هم‌نوسان بکار می‌روند. آلومینیوم با انرژی زیادی اکسیده می‌شود و در نتیجه در سوخت موشکهای با سوخت و دمازاها مورد استفاده واقع می‌شود.

وزن مخصوص كم

یك متر مكعب آلومینیوم خالص 8/2827 كیلوگرم وزن دارد و یك متر مكعب از سنگین‌ترین آلیاژهای آلومینیوم (یعنی آلیاژهای حاوی مس و روی) دارای وزنی در حدود 2953 كیلوگرم است. حتی این سنگین‌ترین آلیاژ‌های آلومینیوم نیز حداقل 1978 كیلوگرم در هر متر كعب سبك‌تر از وزن هم حجم سایر فلزات ساختمانی (بجز منیزیم) است.

پوشش سخت دادن  Hard Coating

یكی از فرآیندهای آندایزه كردن است كه به تدریج اهمیت پیدا می‌كند و آن را آندایزه كردن سخت یا پوشش سخت دادن می‌نامند. این فرآیند گرچه در اساس مشابه آندایزه كردن معمولی است ولی از چند نقطه نظر با آن تفاوت دارد. در پوشش سخت، محلول مورد استفاده اسید سولفوریك و درجه حرارت عمل پایین‌تر است. فرآیند بقدری ادامه می‌یابد كه لایه اكسیدی به ضخامتی تا حدود 5 برابر ضخامت آندایزه كردن معمولی برسد.

پوشش آلومینیومی دادن  Alcladding

بطور كلی آلیاژهای آلومینیوم با استحكام زیاد از نظر خوردگی كم مقاومترین آنها محسوب می‌گردند. این مطلب بخصوص در مورد آلیاژهای حاوی درصدهای زیاد مس یا روی صادق است. از طرف دیگر مقاومت به خوردگی آلومینیوم خالص بسیار زیاد است. پوشش آلومینیومی دادن یكی از روشهای افزایش مقاومت خوردگی به یك آلیاژ با استحكام زیاد است. در این فرآیند یك لایه آلومینیوم خالص به سطح آلیاژ مورد نظر متصل شده و در نتیجه مجموعه حاصل خواص مورد نظر حاصل می‌شود. این روش مخصوصاً در محصولات ورقه‌ای مناسب است.

ریخته گری در قالبهای مختلف

ریخته گری در قالب های فلزی – ریخته گری در قالبهای ماسه در قالبهای فلزی در رابطه با آلیاژهای آلومینیم – سیلیسیم با افزایش درصد سیلیسیم سختی پیوسته افزایش می یابد با افزایش در صد سیلیسیم تا حدود 12% استحکام کششی  افزایش و بعد از آن کاهش می یابد و همچنین با افزایش آن تا حدود 6% از دیادطول کاهش می یابد. در رابطه با قالب های ماسه ای با افزایش درصد سیلیسیم تا حدود 22% استحکام افزایش و بعد از آن کاهش می یابد . افزودن سیلیسیم به مذابآلومینیم توسط آلیاژ ساز های آلومینیم-سیلیسیم که دارای 13 تا 23 % سیلیسیم می باشد صورت می گیرد این آلیاژ ساز به دلیل نقطه ذوب پایین یعنی 580 درجه سانتیگراد به راحتی در مذاب آلومینیم قابلیت حل شدن دارند.

روش های مختلف  قالبگیری آلیاژهای آلومینیم

آلیاژهای آلومینیم با کلیه روش های قالبگیری  موقت ماسه ای ، گچی پوسته ای ، سرامیکی و قالب های فلزی و قالب های تحت فشار قابلیت ریخته گری دارند. ریخته گری در قالب های ماسه ای از انواع ماسه های سیلیسی ، زیرکنی ، کرومیتی استفاده می شود و در قالب های فلزی جنس قالب های فلزی از چدن خاکستری پر کربن بوده و سطح آن را با گرافیت پوشش می دهند.

نرمی آلومینیم در حالت سرد

اغلب عملیات شکل دادن آلومینیم در حالت سرد انجام می گیرد زیرا وقتی پوفیلی با رویه نازک و روق های نازک حرادت داده می شوند امکان تاب خوردن آنها وجود دارد نیروی لازم برای تغییر شکل آلومینیم کمتر از فولاد است نرمی آلومینیم به خود ماده ( نوع آلیاژ ) و حالت آن بستگی دارد وضعیت آلومینیم مانند هر فلز دیگری در اثر کار  سرد تغییر می کند تاثیر کار سرد بر آلومینم از این قرار است ماده مستحکم تر و سخت تر می شود در قطعه تنش تولید می شود اگر تغییر شکل از ظرفیت تغییر شکل پذیری فلز بیشتر شود کار سرد مممکن است باعث ترک خوردن آن شود راحت  ترین ماده آلومینیمی از نظر تغییر شکل و نرمی آلویمینم حالص آلومینیم تصفیه شده و آلیاژ Al-Mn در حالت نرم آ« است آلومینیم خالص و آلیاژهای آلومینیم در حالت نیمه سخت و آلیاژهای پیر سختی پذیر در حالت نرم در حال کار پذیر هستند گر چه کارپذیری آن ها کمتر از موادبیشتر شاد شده است آلیاژ های آلومینیم در حالت سخت یا حالات کاملا پیر سهت شده به مقدار کمی کار پذیرند و به طور کلی کارپذیری آنها بسیار مشکل است.

آلیاژهای آلومینیم-روی-منیزیم

آلیاژهای آلومینیم – روی – منیزیم در میان کلیه آلیاژ های آلومینیم بیشترین پتانسیل پیرسختی را دارند. در آلیاژ های پر استحکام این گروه از مس به مقدار کمتر از 0.3 درصد، برای افزایش مقاومت به خوردگی تنشی استفاده می شود. آلیاژ هایی که فاقد مس یا دارای مقادیر اندکی مس هستند، به آسانی جوشکاری می شوند. این آلیاژ ها در دمای محیط به طور قابل ملاحظه ای پیرسخت شده و محدوده وسیع دمایی برای عملیات محلول سازی آن ها وجود دارد. بنابراین در هنگام جوشکاری، استحکام آلیاژ بازیابی می شود و نیاز به عملیات حرارتی دیگری نیست. آلیاژهای آلومینیم – روی – منیزیم در ابتدا برای ساخت پل های نظامی سبک مورد استفاده قرار گرفتند. امروزه برای کنترل ساختار این آلیاژها از عناصر کروم، منگنز و زیرکونیوم استفاده می شود. آلیاژهای آلومینیم – روی – منیزیم – مس بیشترین میزان پیرسختی را از خود نشان می دهند. نیاز صنایع نظامی به استفاده از آلیاژ های هواپیمایی که نسبت استحکام به وزن آن ها بالا باشد، در نهایت منجر به تولید آلیاژهای گروه Al-Zn-Mg-Cu شد. آلیاژ 7075 شناخته شده ترین آلیاژ این گروه است.

آلومینیم و آلیاژهای آن

برای بررسی آلومینیم و آلیاژهای آن (Aluminium & Aluminium Alloys) ابتدا به تاریخچه آن پرداخته می شود. آلومینیم در سال 1855 برای نخستین بار در کشور فرانسه  و به روش احیا کلرید آلومینیم با سدیم تهیه شد. مصرف نظامی این عنصر سبب گردید که این فلز مورد توجه قرار گیرد. در سال 1886، هال (Hall) در آمریکا و هرولت (Heroult) در فرانسه به طور مستقل از هم به روشی اقتصادی برای تولید آلومینیم دست یافتند. ابداع این روش جدید منجر به کاهش قابل ملاحظه قیمت آلومینیم شد که در نتیجه آن در عرض دو سال بعد قیمت آلومینیم به هر کیلو 4 دلار افت پیدا کرد. از این پس لزوم تولید آلومینیم به عنوان یک فلز کاربردی تجاری، به در دسترس بودن مقادیر زیاد انرژی برق ارزان قیمت منوط شد.

آلومینیوم چیست

استخراج آلومینیم

آلومینیم از کانی بوکسیت استخراج می شود که حاوی 40 الی 60 درصد آلومینای هیدراته به همراه اکسید آهن، سیلیس و تیتان است. این اسم از نام les Baux، ناحیه ای در فرانسه که اولین بار این سنگ معدن را از آنجا استخراج کردند، گرفته شده است. بوکسیت از هوازدگی سنگ هایی مانند گرانیت و بازالت که حاوی مقادیر زیادی از آلومینیم هستند، ایجاد می شود. بزرگترین منابع این کانی در مناطق گرمسیر مانند شمال استرالیا، گینه و برزیل است. ذخایر بوکسیت با عیار بالا و مقادیر کم سیلیس عمر طولانی ندارند و برای استفاده از بوکسیت با مقادیر زیاد سیلیس، باید از روش فلوتاسیون استفاده کرد که استفاده از روش فلوتاسیون به بهای این فلز می افزاید.

در خاک رس، سنگ های رسی و سایر مینرال ها مقادیر بسیار زیادی آلومینیم وجود دارد ولی استخراج آن از این مواد مشکل و غیر اقتصادی است. یک استثنا در این مورد کشور روسیه است که در آن ذخایر بوکسیت پرعیار موجود نیست و چند کارخانه تولیدی در مناطقی دور از منابع این سنگ معدن وجود دارد.

برای تولید آلومینیم از کانی بوکسیت باید از دو مرحله مجزا استفاده کرد:

1-  تولید آلومینا ( اکسید آلومینیم )

2- استخراج آلومینیم از آلومینا

برای تهیه آلومینا از بوکسیت از روش بایر استفاده می شود. در روش بایر، بوکسیت را در سود غلیظ و در دمایc  ْ240 حل می کنند. ناخالصی های اکسید آهن و سیلیکا به صورت لجن قرمز رسوب کرده و به وسیله فیلتر کردن از محلول جدا می شوند. بلورهای تری هیدرات آلومینیم را به عنوان جوانه های اولیه به محلول اضافه می کنند و مطابق رابطه زیر سود و تری هیدروکسید آلومینیم تولید می شوند.

سود بازیافت شده از مرحله فوق مجددا به ابتدای خط باز می گردد و مورد استفاده قرار می گیرد. برای تهیه آلومینا از هیدروکسید آلومینیوم باید تکلیس صورت بگیرد. تکلیس هیدروکسید آلومینیوم  در دمای 1200 درجه سانتی گراد انجام گرفته که در نتیجه آن، آب ساختاری آن خارج شده و پودر آلومینا تهیه می شود.

در مرحله دوم، آلومینا را در کریولیت مذاب (Na2ALF6) حل می کنند. نمونه ای از ترکیب این محلول، دارای 80 الی 90 درصد کریولیت و 2 الی 8 درصد آلومینا به همراه فلورایدهای آلومینیوم و کلسیم است. از طریق فرآیند الکترولیز از این محلول، آلومینیم بدست می آید.

مکانیزم واکنش الکترولیتی در سلول هنوز مشخص نیست، ولی گمان می رود که یون های Na+، AlF4-، AlF63- و یون های پیچیده تری مانندAlOF32- حامل جریان برق باشند. یون های فلوراید آلومینیوم و یون های فلوئور در کاتد و یون های پیچیده تر در آند تجمع می کنند. واکنش آند به شکل زیر است

تولید شمش آلومینیم و عملیات پس از آن

پس از استخراج آلومینیم اولین قدم، ذوب مجدد آن است. برای انجام این مرحله، آلومینیوم مذاب بدست آمده از سلول های احیاء در کوره ریخته و عناصر آلیاژی و قراضه را به آن می افزایند. در این کوره فلز مذاب با برداشت سرباره تمیز می شود.

مهم ترین عواملی که منجر به افزایش کیفیت شمش تولیدی می شوند، عبارتند از :

– مخلوط شدن اجزای آلیاژ

– گاز زدایی مناسب برای حذف سرباره ها، اکسیدها، گازها و سایر ناخالصی های غیر فلزی

گاززدایی اهمیت بسزایی در کیفیت نهایی شمش دارد، زیرا، هیدروژن تنهای گازی است که میزان حلالیت آن در آلومینیم قابل اندازه گیری است. میزان حلالیت تعادلی این گاز در مذاب و جامد آلومینیم در نقطه ذوب و در فشار یک اتمسفر به ترتیب برابر با 0.68 و 0.036 سانتی متر مکعب در 100 گرم فلز است. در حین انجماد، هیدروژن اضافی، به صورت گاز مولکویی در می آید که ممکن است در ساختار جامد به دام افتاده و منجر به ایجاد تخلخل شود. برای جلوگیری از تشکیل تخلخل مقدار هیدروژن در مذاب آلومینیم به کمتر از 0.15 سانتی متر مکعب در 100 گرم کاهش یابد.

برای گاز زدایی می توان از گازهای نیتروژن، آرگون، کلر و یا مخلوط این گازها یا از هیدروژن کربن کلر دار جامد استفاده کرد. ولی معمولا در تمامی موارد مقداری گاز کلر استفاده می شود، زیرا این گاز نقش مهمی در خارج کردن آخال ها از طریق سرباره گیری ایفا می کند. مشکل استفاده از گاز کلر، آلودگی محیط زیست است. راه حل ارائه شده برای این مسئله، استفاده از روش ابداعی شرکت آلومینیم انگلستان است که به فرآیند گاززدایی بدون دود مداوم یا FILD معروف است.

برای تولید ساختار یکنواخت شمش از فرآیندهای تبرید جهت دار و نیمه مداوم استفاده می شود. تهیه شمش ها معمولا به وسیله روش عمودی صورت می گیرد. مقاطع کوچک تر توسط روش افقی تهیه می شوند که در این روش کنترل اندازه دانه دشوار است. در شکل روبرو این دو روش نمایش داده شده اند.

قالب های متحرک، ریخته گری آلیاژهای آلومینیم را متحول کرده و امکان تولید اشکالی نزدیک به محصول نهایی را ایجاد نموده است. از جمله این روش ها می توان به روش ریخته گری میله و ورق اشاره کرد.

پس از تهیه شمش، باید عملیات همگن کردن انجام گیرد. همگن سازی برای آلیاژ های پر استحکام از  اهمیت بالایی برخوردار است زیرا رسوب گذاری و توزیع ترکیبات بین فلزی مانند MnAl6، Al12Mg2Cr و ZrAl3 در این مرحله صورت می گیرد. بنابراین، زمان، دما و نرخ گرم کردن تا دمای همگن سازی اهمیت بسزایی بر خواص محصول دارد. برای جوانه زنی و توزیع یکنواخت این ترکیبات، سرعت گرم کردن در حدود 75 درجه سانتی گراد بر ساعت است.

طبقه بندی آلیاژهای آلومینیوم

آلیاژهای آلومینیم در حالت کلی به دو دسته کار پذیر و ریختگی تقسیم بندی می شوند و هر کدام از این گروه ها به دو دسته عملیات حرارتی پذیر و غیر قابل عملیات حرارتی تقسیم بندی می شوند

مس چیست

مس یکی از عناصر جدول تناوبی است که نشان آن  Cu و عدد اتمی آن 29 میباشد.

 پیدایش

مس معمولا به شکل معدنی یافت می شود.کانیهایی مثل آزوریت ، مالاکیت و برنیت همانند سولفیدهایی از جمله از منابع مس (Cu٢O) یا اکسیدهایی مانند کوپریت ( Cu٢S) کالکوزین ، ( CuS) کوولین ، ( CuFeS کالکوپیریت هستند .

خصوصیات قابل توجه

مس فلز نسبتا” قرمز رنگی است که از خاصیت هدایت الکتریکی و حرارتی بسیار بالایی برخوردار می باشد.( در بین فلزات خالص ، تنها خاصیت هدایت الکتریکی نقره در حرارت اطاق از مس بیشتر است) چون قدمت مصنوعات مسی کشف شده به سال 8700 قبل از میلاد برمی گردد، احتمالا” این فلز قدیمی ترین فلز مورد استفاده انسان می باشد. مس علاوه بر اینکه در سنگهاي معدنی گوناگون وجود دارد ، به حالت فلزي نیز یافت می شود.( مثلا “مس خالص در بعضی مناطق) این فلز را یونانیان تحت عنوان Chalkos می شناختند .چون مقدار بسیار زیادي از این فلز در قبرس استخراج می شد رومیان آنرا  aes Cyprium می نامیدند. بعدها این کلمه به فرم ساده تر cuprum  درآمد و در نهایت انگلیسی شده و به لغت Copper  تبدیل شد.

کاربردها

مس فلزي قابل انعطاف و چکش خوار است که کاربردهاي زیادي در موار زیر دارد :

سیمهاي مسی

لوله هاي مسی

دستگیره هاي درب و سایر وسایل منزل

مجسمه سازي مثلا “مجسمه آزادي شامل 179000 پوند مس می باشد .

آهنرباهاي الکتریکی

موتورها، بخصوص موتورهاي الکترومغناطیسی

موتور بخار وات

کلیدها و تقویت کننده هاي الکتریکی

لامپهاي خلاء ، لامپهاي پرتوي کاتدي ومگنترونهاي اجاقهاي مایکرو ویو

هدایت کننده موج براي تشعشع مایکروویو

به علت خاصیت هدایت بهتر آن نسبت به آلومینیوم، کاربرد مس در  IC ها به جاي آلومینیوم رو به افزایش است.

بعنوان جزئی از سکه ها

در وسایل آشپزي، از جمله ماهی تابه

بیشتر سرویسهاي قاشق چنگال ( flatware) قاشقها، چنگالها و چاقوها داراي مقادیري مس هستند(نقره نیکلی)

اگر نقره استرلینگ در ظروف غذاخوري بکار رفته باشد، حتما”باید داراي درصد کمی مس باشد.

بعنوان بخشی از لعاب سرامیکی و در رنگ آمیزي شیشه

وسایل موسیقی، بخصوص سازهاي بادي

بعنوان یک بیواستاتیک در بیمارستانها و پوشاندن قسمتهاي مختلف کشتی براي حفاظت در برابر بارناکلها و ماسلها

ترکیباتی مانند محلول فلینگ که در شیمی کاربرد دارد

سولفات مس که بعنوان سم و تصفیه کننده آب کاربرد دارد

مس چیست

تاریخچه

مس براي تعدادي از تمدنهاي قدیمی ثبت شده ، شناخته شده بود و تاریخ استفاده از آن حد اقل به 10000 سال پیش می رسد. یک آویزه مسی ، متعلق به سال ٨٧٠٠ قبل از میلاد در شمال عراق کنونی پیدا شد.نشانه هایی مبنی بر ذوب و خالص کردن مس از اکسیدهاي آن مانند مالاکیت و آزوریت تا سال 5000 قبل از میلاد وجود دارد.در عوض اولین نشانه هاي استفاده از طلا تقریبا” به 400 سال قبل از میلاد بر می گردد .

مصنوعات مسی و برنزي که از شهرهاي سومري و مصنوعات مصري که از مس و آلیاژ آن با قلع یافت شده تقریبا” متعلق به 3000 سال قبل از میلاد هستند. در یکی از اهرام یک سیستم لوله کشی با مس پیدا شده که مربوط به 5000 سال پیش است.مصریان دریافتند افزودن مقدار کمی قلع ، قالب گیري مس را آسان تر می کند لذا آلیاژهاي برنزي که در مصر کشف میشوند تقریبا” قدمتی همانند مس دارند. استفاده از مس در چین باستان حداقل به 2000 سال قبل از میلاد مربوط بوده و تا 1200 سال قبل از میلاد در این کشور برنز مرغوب ساخته می شده است. در نظر داشته باشید چون مس به راحتی براي استفاده و کاربرد مجدد ذوب می شود ، دوران ذکر شده تحت تاثیر جنگها و کشورگشائیها قرار می گیرد.در اروپا مرد یخی Oetzi ، مردي که به دقت نگهداري می شود و متعلق به 3200 سال قبل از میلاد است تبري با نوك مسی در دست دارد که درجه خلوص فلز آن 7/99% می باشد. مقدار زیاد آرسنیک موجود در موهاي او نشان دهنده سرو و کار او با پالایش مس می باشد .

استفاده از برونز در مرحله اي از تمدن به قدري فراگیر بود که آن مرحله را عصر برونز می نامند .برنج براي یونانیان شناخته شده بود اما اولین بار بصورت گسترده توسط رومیان بکار رفت .

به خاطر زیبایی درخشانش- بطوریکه در باستان براي ساخت آئینه از آن استفاده می شد -ونیزبه دلیل ارتباط آن با قبرس که مربوط به الهه بود، در اسطوره شناسی و کیمیاگري فلز مس با الهه هاي آفرودیت و ونوس پیوند دارد. در کیمیا گري علامتی

را که براي مس در نظر گرفته بودند ، علامت سیاره زهره (ونوس) نیز بود .

نقش بیولوژیکی

وجود مس براي کلیه گیاهان و حیوانات عالی ضروري می باشد. مس در آنزیمهاي متنوعی ،از جمله مراکز مس cytochrome c oxidase و آنزیم حاوي Cu-Zn به نام superoxide dismutase وجود دارد و فلز اصلی در رنگدانه حامل اکسیژن  hemocyanin  است. RDA براي مس در بزرگسالان سالم 9/0میلی گرم در روز می باشد.

مس در جریان خون عمدتا روي پروتئین پلاسمایی بنام ceruloplasmin حرکت می کند. اگرچه مس اول در روده  جذب میشود، این عنصر همبسته با آلبومین به سوي کبد منتقل می شود .

یک حالت ارثی که بیماري ویلسون نامیده می شود موجب باقی ماندن مس در بدن و عدم ورود آن به صفرا توسط کبد شود. این بیماري در صورت عدم درمان می تواند منجر به آسیبهاي کبدي و مغزي شود .

ترکیبات

آلیاژهاي بسیاري از مس وجود دارد -برنج آلیاژ مس/روي و برنز آلیاژ مس /قلع است. متداول ترین حالات اکسیداسیون مس شامل حالت مربوط به مس یک طرفیتی  cuprous، +Cu١ و حالت cupric +Cu ٢می باشد.

کربنات مس به رنگ سبز است که بوسیله آن ظاهر منحصر به فرد بامها یا گنبدهاي با پوشش مس روي بعضی ساختمانها ساخته می شوند .

اکسیدهاي مس  مانند :اکسید مس ایتریم و باریم O3CU  2 Vδ Yba یا YBCO پایه هاي بسیاري از ابر رساناهاي غیر  معمول را تشکیل می دهند.

ترکیبات دیگر : سولفید مس

ایزوتوپها

علاوه بر تعداد زیادي رادیوایزوتوپ ، دو ایزوتوپ پایدار CU-63 و CU-65 موجود است.تعداد بسیار زیادي از این  رادیوایزوتوپها داراي نیمه عمرهایی به مقیاس دقیقه یا کمتر دارند ، طولانی ترین نیمه عمر متعلق به ۶۴CU-است که مدت آن 12/7 ساعت، با دو حالت فرسایشی که منجر به محصولات جداگانه می شود.

هشدارها

با تمامی ترکیبات مس باید طوري رفتار شود گویی سمی هستند مگر خلاف آن مشخص باشد. این فلز در حالت پودزي خطر آتش زایی دارد. 30 گرم سولفات مس براي انسان کشنده است. مس موجود در آب آشامیدنی با غلظتی بیش از1 میلی گرم در لیتر موجب لک شدن لباسها و اقلام در آب می گردد. مقدار بی خطر مس در آب آشامیدنی انسان بر حسب منبع آن متفاوت است اما مرز آن بین 5/1 تا 2 میلی گرم در هر لیترمی باشد.

شناخت محیط رشد:مس

مس نیز به مقدار بسیار کم در تولید کلروفیل، پروتئین، کربوهیدرات ها و همچنین در فعال ساختن برخی از آنزیم ها مورد نیاز است. در صورت کمبود مس برگها کوچک مانده و سرشاخه هاي جوان را دچار برگ سوختگی می کند. هر چه واکنش خاك اسیدي تر باشد، مس قابل استفاده تر است.

براي رفع کمبود مس از سولفات مس به تنهایی و گاهی مخلوط با آهک به نام محلول بردو استفاده می شود که البته بازده آن در خاکهاي ایران بسیار کم است.

نیکل چیست

نیکل عنصر ۲۸ با معادل انگلیسی nickel نیکل فلزی مقاوم، چکش خوا، براق با ساختار بلورین و مکعبی شکل به رنگ سفید و نقره ای میباشد. این عنصر در سال 1751 توسط  Axel  Cronstedt دانشمند سوئدی کشف شد . از نظر خواص مغناطیسی وفعالیت شیمیایی شبیه به آهن وکبالت میباشد . کانیهای اصلی نیکل عبارتند از پنتلاندیت ، پیروتیت (سولفید های نیکل و آهن) و گارنییریت (سیلیکات نیکل و منیزیم ) هستند.

نیکل یکی از اجزا اصلی تشکیل دهنده شهاب سنگها به شمار می آید. شهاب سنگهای آهن و سیدریت شامل آلیاژهای آهن حدود 5 تا 20 درصد نیکل می باشد. نیکل تجاری به فرمهای پنتلاندیت و پیروتیت می باشد که این معادن در ایالت انتاریو یافت می شود که این ناحیه حدود 30 درصد از نیکل دنیا را تامین می کند. دیگر معادن این عنصر در کالندونیا، استرالیا، کوبا، اندونزی و در مناطق دیگر می باشد. این عنصر رسانای جریان بر ق است و سطح آن براق و صیقلی است. این عنصر از گروه عناصر آهن و کبالت است و آلیاژهای آن قیمتهای بالایی دارا هستند. این عنصر کاربردهای فراوانی در طبیعت دارد و برای ساخت فولاد ضدزنگ و دیگر آلیاژهای ضد زنگ و خوردگی مثل اینوار و مانل که الیاژى از نیکل و کبالت که در برابر خوردگى مقاوم است و و اینکونل و Hastelloys کاربرد دارد. برای ساخت لوله های نیکلی و مسی و همینطور برای نمک زدایی گیاهان و تبدیل آب شور به آب مایع استفاده می شود. نیکل استفاده های فراوانی برای ساخت سکه ها و فولاد نیکلی برای زره ها و کلید ها کار برد دارد و همینطور از نیکل می توان آلیاژهای نیکروم و پرمالوی و آلیاژی از مس را تهیه کرد. از نیکل برای ساخت شیشه های به رنگ سبز استفاده می شود. صفحات نیکلی می تواند نقش محافظت کننده برای دیگر فلزات را داشته باشد. نیکل همچنین کاتالیزوری برای هیدروژن دار کردن روغنهای گیاهی است. همچنین صنعت سرامیک و ساخت آلیاژی از آهن و نیکل که خاصیت مغناطیسی دارد و باتری های قوی ادیسون کاربرد دارد. از ترکیبات مهم نیکل می توان سولفات و آکسید را نام برد. نیکل طبیعی مخلوطی از 5 ایزوتوپ پایدار است . همچنین 9 ایزوتوپ ناپایدار دیگر نیز شناخته شده است. نیکل هم به صورت فلز و هم به صورت ترکیب محلول می تواند وجود داشته باشد. بخار سولفید نیکل سرطان زا می باشدکه در موقع استفاده از آن باید دقت لازم را به عمل آورد

نیکل خالص تجاری، خلوصی در حدود ( Co+ %99.5Ni ) دارد. این فلز دارای خواص مکانیکی خوب و مقاومت عالی در برابر محیط های خورنده است. این فلز بیشتر استحکام خود را در دمای بالا حفظ می کند و در دما های پایین دارای چقرمگی و داکتیلیته مناسبی است. این آلیاژ حاوی مقداری کربن (بیش از 0.1%) می باشد. هر چه مقدار کربن کمتر باشد، کار سختی کمتر و داکتیلیه بیشتر است. کاربردهای نیکل خالص تجاری شامل تجهیزات فرآیندهای غذایی، بشکه های کشتیرانی شیمیایی، اجزاء موشکی و فضایی و لوله کشی می باشد.

تاریخچه نیکل

کانی مخصوصی که به ظاهر شبیه مس بود و برای معدن داران آلمانی بسیار معروف بود٬برای سبزکردن شیشه به کار می‌رفت .اما کوششهای مداوم برای جدا کردن مس از آن ناموفق ماند و گمان می‌رفت که شیطان آزادانه این کانی را رنگ کرده است تا معدن‌داران گول بزند بنابراین آن راKupfer nickel نامیدند .در آلمانی نیکل یعنی شیطان پست. در سال ۱۷۵۱ کرونشتد از سوپد این کانی را آزمایش کرد (امروزه این کانی را نیکولیت می نامند)و موفق شد یک اکسید فلزی سبز از این کانی تهیه کند و از احیای این اکسید فلز سفید رنگ به دست آورد. او این فلز را نیکل نامید.

محل کشف و پیدایش نیکل

اکثر نیکلهای بدست آمده از دو نوع معدن بدست آمده‌اند، اولی خاکهای آجری رنگ بوده که مهمترین معدن سنگ نیکل هستند و دومی سولفید موجود در ماگمای زمین می‌باشد. منطقه Sud-bury در انتاریو، انتاریو کانادا 30% نیکل جهان را تولید می‌کند. معادن دیگر در روسیه استرالیا، کوبا، دومینکن، نروژ و اندونزی می‌باشند. با این وجود این باور وجود دارد که بیشتر نیکل موجود در زمین در هسته این سیاره تمرکز یافته است.

استخراج نیکل

نیکل از سنگ معدنش بوسیله عملیات تشویه و فرایندهای کاهش که در آنها فلز با خلوص بیش از 75% بدست می آید، استخراج می شود. خالص سازی نهایی در فرایند Mond با خلوص بیش از 99.99% بوسیله واکنش نیکل و مونوکسید کربن برای تشکیل کربونیل نیکل انجام میشود. این گاز از درون محفظه بزرگی در دمای بالا، که در آن دهها هزار گلوله نیکلی (که بعنوان پلت یا گندله شناخته می شوند) و در مکان ثابت نگه داشته می شوند، عبور می کند. کربونیل نیکل بر روی گندله ها یا گلوله های نیکلی، بصورت رسوب نیکل خالص، تجزیه می شود. از طرف دیگر، کربونیل نیکل، ممکن است در یک محفظه کوچکتر بدون حضور گندله، برای تشکیل پودرهای ریزدانه، تجزیه شود. مونوکسید کربن بدست آمده در طی این فرایند دوباره به جریان می افتد. نیکل با خلوص بالا، که در این فرایند تولید می شود بعنوان کربونیل نیکل شناخته می شود. دومین شکل متداول تصفیه، شامل لیچینگ مات فلز، بوسیله رسوب الکتریکی نیکل از محلول، بوسیله صفحه ای که بر روی کاتد قرار داده می شود، می باشد. در بیشتر کاربردهای فولاد ضد زنگ، نیکل می تواند با خلوص 75%، مستقیما بکار گرفته شود.

بزرگترین تولید کننده نیکل، روسیه است که 267000 تن نیکل در هر سال تولید می کند. استرالیا و کانادا دومین و سومین تولید کننده نیکل می باشند که سالانه 207000 تن و 189000 تن تولید می کنند.

 طرز تهیه نیکل

کانیهای نیکل بر دو دسته هستند :سولفید و اکسید، کانی سولفید دو سوم مصرف جهان را به خود اختصاص داده است .کانیهای سولفید به کمک شناوری وتصفیه به اکسید نیکل ته نشین شده پالایش می‌شوند.

اکسید نیکل هم به کمک پالایش هیدرو متالوژی نظیر شستشو با آمونیاک پالایش می‌شوند.

شکلهای قابل دسترس

الکترولیتی٬شمش٬دانه۲ساچمه٬گرد٬نوار٬بلورهای منفرد

مشخصات نیکل

نیکل عنصری است فلزی با عدد اتمی ۲۸ و نماد علمی Ni در گروه VII و در دوره چهارم جدول تناوبی جای دارد. جرم اتمی ۵۸٫۷۱، ظرفیتها ۲ و۴ . دارای پنج ایزتوپ پایدار است.

آلیاژهای نیکل

1. آلیاژ مس- نیکل (مونل)

نیکل و مس در همه نسبت ها در یکدیگر قابل انحلال هستند. مهمترین آلیاژهای مس-نیکل حاوی حدود 67% نیکل و 33% مس می باشد که مونل نامیده می شود. این آلیاژها دارای کاربردهای عالی در آب دریا هستند و مقاومت بالایی در برابر حمله حلال های کلردار، بیشتر اسیدها و همه قلیاها دارند.

2. آلیاژهای کرم- نیکل

کرم یکی از مهمترین عناصر آلیاژی برای مقاومت به خوردگی زیاد و مقاومت در دماهای بالا در آلیاژهای پایه نیکل است. این عنصر دارای انحلال پذیری حالت جامد بالادر حدود 30% در دمای اتاق، در نیکل می باشد. اینکونل 600 یک آلیاژ مهندسی  استاندارد برای استفاده در محیط های شدیدا خورنده در دماهای بالا می باشد که یک آلیاژ Ni-Cr-Fe حاوی 15.5% کرم و 8% آهن است. این آلیاژ قابل عملیات حرارتی نمی باشد ولی می تواند بوسیله کارسرد استحکام یابد.

3. سوپر آلیاژ پایه نیکل

نیکل همچنین می تواند پایهای برای سوپر آلیاژ با مشخصات دما بالا- استحکام بالا باشد. سوپر آلیاژها، در موتور جت و توربین های گازی استفاده می شوند. سوپر آلیاژها از آهن، کبالت یا نیکل ساخته می شوند. سوپر آلیاژها همچنین شامل سایر فلزات مانند کرم، تنگستن، آلومینیوم و تیتانیوم می باشند. سوپر آلیاژها مقاوم به خوردگی (زنگ زدگی) بوده و خواص خود را در دمای بالا حفظ می کنند.

پمپ

خواص نیکل

نیکل یک فلز سفید نقره‌ای است که به‌خوبی جلا می‌گیرد. از گروه آهن‌ها است که سخت و قابل انعطاف بوده، هادی جریان الکتریسیته می‌باشد و به‌راحتی با گوگرد و آرسنیک ترکیب می‌شود. با توجه به اینکه نیکل، دوام زیادی در هوا داشته، اکسیده نمی‌شود، برای تولید سکه‌های پول، فلز کاری برنج و آهن و همچنین برای ساخت ابزار آلات شیمیایی در آلیاژهای خاص مانند نقره آلمانی کاربرد دارد و معمولاً با کبالت همراه هست که هر دوی آنها در آهن‌های شهاب سنگی یافت می‌شوند. نیکل برای آلیاژهایی که بوجود می‌آورد، بسیار با ارزش می‌باشد. معمولترین حالت اکسیداسیون نیکل ، 2+ است و این در حالی است که نیکل 3+ و 1+ نیز به ندرت مشاهده می‌شوند.

مصارف نیکل

ساخت فولاد ضد زنگ آستنیتی

بعنوان سوپر آلیاژ

در فولاد آلیاژی، باتری های قابل شارژ، کاتالیست ها، ضرب سکه، محصولات ریخته گری و ورق سازی

ورق های زرهی و درب ضد سرقت

آلیاژ آلنیکو مورد استفاده در آهن ربا

در بوته های مورد استفاده در آزمایشگاه های شیمیایی

سیم های هوشمند یا آلیاژهای حافظه دار مورد استفاده در ربات ها

فلز مونل که آلیاژی از مس و نیکل است که در برابر خوردگی مقاومت زیادی دارد و برای پروانه کشتی، وسایل آشپزخانه و لوله کشی صنایع شیمیایی استفاده می شود.

عنصر نیکل در طبیعت

اثرات نیکل بر سلامت انسان

مقدارنیکل در طبیعت بسیار کم است. انسان در زمینه های مختلف از نیکل استفاده میکند. یکی از عمده ترین کاربردهای نیکل، در صنعت فولاد است. از نیکل به عنوان یکی از اجزا سازنده فولاد و سایر محصولات فلزی استفاده میشود. حتی از نیکل در جواهرات هم استفاده میشود.

مواد غذایی به طور طبیعی دارای مقداری نیکل هستند. شکلات و چربی ها دارای مقدار بسیار زیادی نیکل هستند. در صورتیکه افراد از سبزیجات حاصل از مناطق آلوده به نیکل تغذیه کنند، مقدار زیادی نیکل وارد بدنشان میشود. نیکل در بافت گیاهان تجمع می یابد و در نتیجه مقدار نیکل در سبزیجات افزایش پیدا میکند. در ششهای افراد سیگاری مقدار زیادی نیکل وجود دارد. همچنین نیکل در شوینده ها نیز مورد استفاده قرار میگیرد.

راههای ورود نیکل به بدن انسان از طریق هوا، آشامیدن آب، خوردن غذا و کشیدن سیگار است. ممکن است بر اثر تماس پوست با خاک یا آب آلوده به نیکل، مقداری نیکل وارد بدن انسان شود. مقدار اندک نیکل برای انسان ضروری است اما اگر مقدار آن افزایش یابد، برای سلامت انسان خطرناک است.

نتایج مصرف بالای نیکل به شرح زیر است

شانس مبتلا شدن به سرطان ریه، سرطان بینی، سرطان حنجره و سرطان پروستات را افزایش میدهد.

پس از اینکه فرد در معرض گاز نیکل قرار گرفت، دچار کسالت و سرگیجه میشود.

آب آوردن ریه ها

مشکلات تنفسی

کاهش توانایی تولید مثل

آسم و برونشیت مزمن

حساسیتهایی از قبیل خارش پوست (به خصوص در هنگام استفاده از جواهرات)

نارسایی قلبی نیکل

بخارات نیکل به دستگاه تنفس و ریه ها آسیب میرساند. نیکل و ترکیبات آن باعث آماس پوست میشوند که تحت نام ” خارش نیکل” نامیده میشود و معمولاً در افراد با حساسیت پوستی بالا مشاهده میشود. اولین علامت، خارش است که معمولاً هفت روز قبل از از بین رفتن پوست رخ میدهد. اولین علائم تخریب پوستی التهاب پوست یا پوسته پوسته شدن پوست است. سپس در پوست زخمهایی نمودار میشود.

از لحاظ تقسیم بندی برنامه سمشناسی ملی آمریکا (NTP)، نیکل و ترکیبات آن جزعوامل سرطانزا محسوب میشوند و از نظر طبقه بندی آژانس بین المللی تحقیقات سرطان (IARC) ترکیبات نیکل در گروه یک قرار میگیرند. گروه یک شامل عناصری میباشد که شواهد کافی در مورد سرطانزایی آنها وجود دارد. در این تقسیم بندی عنصر نیکل در گروه 2B قرار دارد. گروه 2B عناصری هستند که ممکن است در انسان سرطان ایجاد کنند.

تاثیرات زیست محیطی نیکل

کارخانه ها و سوزاندن زباله ها دو عامل اصلی در تولید نیکل و ورود آن به هوا میباشند. مقدار نیکلی که در هوا وجود دارد به مراتب از نیکل موجود در زمین بیشتر است. مدت زمان از بین رفتن نیکل موجود در هوا زیاد است. زمانیکه هرزآبها جریان پیدا میکنند، مقداری نیکل را وارد آبهای سطحی میکنند.

بخش اعظم ترکیبات نیکل در طبیعت جذب ذرات خاک و رسوبات شده و در نهایت به صورت غیر متحرک درمی آیند. در زمینهای اسیدی نیکل بسیار متحرک میشود و معمولاً در آبهایزیرزمینی شسته میشود.

شواهد چندانی درباره تاثیر نیکل بر سایر موجودات زنده به غیر از انسان وجود ندارد. در حال حاضر دانشمندان می دانند که غلظت بالای نیکل در خاکهای ماسه ای به گیاهان صدمه میزند و همچنین غلظت بالای نیکل در آبهای سطحی سبب کاهش تعداد و رشد جلبکها میشود. رشد موجودات ذره بینی نیز در حضور نیکل کاهش پیدا میکند، اما معمولاً با گذشت زمان در برابر نیکل مقاوم میشوند.

مقدار اندک نیکل باید در غذای جانوران وجود داشته باشد. اما زمانیکه مقدار نیکل از حد مجاز خود فراتر رود، میتواند برای جانوران مضر و خطرناک باشد. جانورانی که در نزدیکی پالایشگاه زندگی میکنند، بر اثر دریافت مقدار زیاد نیکل به انواع مختلف سرطان مبتلا میشوند.

از آنجاییکه نیکل در بافتهای گیاهی و جانوری نمیتواند تجمع پیدا کند، اثری در زنجیره غذایی ندارد.

ساختار بلوری عنصر نیکل

تجهیزات آزمایشگاهی مورد استفاده در تجزیه

اسپکترومتر جرمی ، میکروسکوپ ، کرماتوگرافی مایع و گازی ، اشعه x ، جذب اتمی ، مادون قرمز ، کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا و اسپکترومتر نشری

چدن نشکن چیست

چدن های نشکن یا چدن های با گرافیت کروی ، خا نواده ای از چدن ها هستند و همانطور که از اسمشان پیداست شکل گرافیت درآن ها کروی است. همین کروی بودن گرافیت ها ، باعث افزایش استحکام و چقرمگی در مقایسه با چدن های با گرافیت ورقه ای می گردد.

ریخته گری چدن نشکن

اصولاً چدن نشکن با افزودن منیزیم Mg در مذاب تولید می شود.اصولاً چدن نشکن در مقاسیه با چدن با گرافیت ورقه ای، تمایل به تبرید بیشتری دارد و برای بدست آوردن ساختار عاری از کاربید مخصوصاً در مقاطع نازک، لازم است جوانه زایی با آلیاژ سیلیسیم انجام شود.

اندازه گرافیت می تواند روی خواص مکانیکی تاثیر بگذارد . اندازه گرافیت ها به دو پارامتر بستگی دارد:

1) آهنگ سرد شدن یا اندازه سطح مقطع. چون مقاطع نازک سریع سرد می شوند، تعداد بیشتری گرافیت کروی خواهند داشت.

2)  جوانه زنی باآلیاژ سیلیسیم، افزایش تعداد گرافیت های کروی و کاهش تمایل به تبریدی بودن مخصوصاً در مقاطع نازک را باعث می شود. افزایش مقدار جوانه زا باعث افزایش تعداد گرافیت های کروی می شود.

تاثیر عناصر آلیاژی در گرافیت کروی

تولید چدن نشکن یا چدن با گرافیت کروی عموماً با اضافه کردن مقادیرجزئی منیزیم به عنوان عنصری کروی کننده به مذابی که دارای ترکیب شیمیایی مشابه چدن خاکستری می باشد انجام می گیرد ، منیزیم تنها عنصری نیست که میتواند نقش کروی کننده داشته باشد . عناصری نظیر کلسیم ، پتاسیم ، لیتیم ،لانتانیم ،و برلیم نیز می توانند ترغیب کننده گرافیت کروی باشند و دلیل استفاده از منیزیم به خاطر جنبه اقتصادی آن است .

عناصر بازدارنده گرافیت کروی نیز وجود دارند. از قبیل گوگرد ،سرب ،تیتانیم، اکسیژن، هیدروژن، ازت و… مقدار منیزیمی که می تواند وجود گرافیت های کروی را تضمین کند بسته به مقدار اکسیژن و گوگرد محتوای مذاب بین 0.03  تا 0.06  % میباشد در جه حرارت مناسب برای افزودن منیزیم به مذاب چدن معمولاً بین 1480 تا 1550 درجه میباشد.

نقش منیزیم در کروی کردن گرافیت ها :علت کروی شدن گرافیت ها مربوط به وجود مقدار کم ولی مشخص از عنصر منیزیم می باشد یا عناصر دیگر که باید در مرحله خاصی به مذاب چدن با ترکیب شیمیایی مشخص اضافه گردند. در چدن های نشکن تشکیل گرافیت های کروی را می توان در دو مرحله مجزا ( مرحله رشد و جوانه زنی ) قرار داد .جوانه زنی می تواند به دو صورت هموژن با خودی یا به شکل هیتروژن یا غیر خودی انجام گیرد.

نظریه کروی شدن گرافیت

درموردرشد نقش عناصر کروی کننده زیاد می باشد . طبق نظریاتی اغلب محققین ضمن اعتقاد به جوانه زنی هیدروژن معتقدند که رشد گرافیت ها برروی جوانه های موجود از مرکز به سمت خارج انجام می گیرد .طبق نظریه رشد شاخه ای اعتقاد بر این است پس از تشکیل جوانه کریستال های گرافیت به صورت کاملاً دندریتی و شاخه ای رشد می کنند . یعنی از هر یک از جوانه های گرافیت چندین شاخه جدا می شود و این عمل تکرار می یابد.

رشد این گرافیت ها مشابه رشد گرافیت ورقه ای می باشد ،منتها در مورد گرافیت ورقه ای تشکیل شاخه ها کمتر، ولی در مورد گرافیت کروی به دلیل وجود عناصر کروی کننده تشکیل شاخه ها بیشتر است . در مورد نظریه حباب باید گفت که با نزدیک شدن به درجه حرارت انجماد مذاب، اکسید های مختلف در مذاب شروع به رسوب کردن می نمایند. عناصر کروی کننده از طریق کم نمودن میزان اکسیژن موجود در مذاب مقدارواندازه حباب های گازی Co  را کنترل نموده و در نتیجه از متلاشی شدن آن ها جلوگیری مینماید که این امر با تاثیری که عناصر کروی کننده دارند . نهایتاً موجب کروی شدن گرافیت ها می شود ، یعنی گرافیت ها بر روی سطوح حباب ها گاز Co   می زندو رشد تا پر شدن کامل حباب از گرافیت ادامه می یابد .

جوانه زنی یا تلقیح در چدن با گرافیت کروی : این مرحله از مراحل ویژه و مهم در تولید چدن نشکن است که طی آن مواد ویژه ای در مقادیر کم و در آخرین مراحل ذوب به منظور کاهش تمایل به تشکیل کاربید و ترغیب تشکیل گرافیت به مذاب چدن افزوده می شود . این  جوانه ها در چدن نشکن عموماً آلیاژ فرو سیلیسیم می باشد که می تواند با وجود مقادیر کمی از عناصر نظیر Ca- Al-Cr-Br-  اثر بخشی بیشتری داشته باشند .

چدن نشکن چیست

عوامل موثر در کروی شدن گرافیت

عوامل موثر در کروی شدن گرافیت ها : اصولا ًبه منظور دستیابی به گرافیت های کروی علاوه بر شارژ مناسب ذوب به روش صحیح و درجه حرارت فوق گداز مناسب اصلاح ترکیب ذوب از نظر میزان عناصر جوانه زنی مناسب، مقدار عناصرکروی کننده یا منیزیم باقی مانده در مذاب عواملی محسوب میگردد که در کروی کردن گرافیتها موثر میباشند. اشکال مختلف گرافیت کروی ، با وجود شرایط ذکر شده با اشکال مختلفی در چدن نشکن به وجود می آیند و به دلیل اینکه حداکثر قابلیت فرم پذیری و بیشترین میزان مقاومت در مقابل ضربه با وجود ساختارهایی که حاوی گرافیت های کاملاً کروی می باشد ، حاصل خواهد شد لذا بسته به شرایط تولید ممکن است شکل گرافیت ها از حالت کروی کاملا ً خارج گشته و به صورت های نا منظم در ساختار میکروسکپی چدن های نشکن ظاهر گردد .این اشکال از گرافیت های کروی به ترتیب زیر می باشد

1) گرافیت های نامنظم که گرافیت هایی هستند غیر کروی ودارای ظاهری نامنظم که تاثیر نامطلوبی بر خواص چدن نشکن دارند .دلیل تشکیل این نوع گرافیت : کم بودن جوانه ها و طولانی بودن زمان نگه داری مذاب پس از جوانه زنی، کمبود میزان منیزیم باقی مانده، به کارگیری مواد شارژ بسیار خالص، زیرا وجود مقدارکمی عناصر نظیر مس، آنتیموان، آرسنیک و سریم باعث بهسازی شکل گرافیت ها می شود.

2) گرافیت های فشرده، گرافیت هایی هستندکه به صورت ورقه ای کوتاه و ضخیم می باشند و عواملی چون پایین بودن میزان منیزیم باقی مانده ، جوانه زنی نا مناسب ، انجماد سریع در قسمت های نازک به خاطر وجود عناصری مثل تیتانیم که باید مقدار تیتانیم درحد کمتر از % 4 درصد باشد.

3) گرافیت های چانگ یا خپل : این گرافیت ها شکل ظریفی از گرافیت بوده که در مقاطع قطعات ریختگی ظاهر میشود و شباهت به گرافیت های نوع E در چدن های خاکستری دارند.

عوامل به وجود آورنده :اول : به کارگیری سریم و استفاده از میش متال (50درصد منیزیم ،45 درصدلانتانیم و باقی مانده فلزات باقی نادر)

دوم : مواد شارژ با خلوص بالا و کربن معادل بالا

4) گرافیت های ستاره ای : این نوع گرافیت ظاهر غیر کروی ،دارای شاخ وبرگ تیز،می باشد که دلایلی مثل ناکافی بودن میزان منیزیم ،وجود مقادیری کمی از عناصری نظیر سرب ، بیسموت ، آنتیموان در ترکیب چدن نشکن است .

تیتانیوم چیست (TITANIUM)

عنصري است سبک، مقاوم و داراي جلا به رنگ سفيد- نقره اي با نماد Ti ، عدد اتمي 22 ، وزن اتمي 88/47، وزن مخصوص 54/4 گرم بر سانتي متر مکعب ، سختي 6 در مقياس موس ، نرم ، نقطه جوش 3287 درجه سانتي گراد و نقطه ذوب 1660 درجه سانتي گراد . اين ماده كه داراي دو شكل الوتروپي به نام هاي روتيل و آناتازمي مي باشد، بواسطه رنگ سفيد، درجه دير گدازي و توان بالا و توان زياد در توزيع و انتشار يكنواخت در تركيبات ديگر، بعنوان عمده ترين ماده اوليه رنگ سفيد در صنايع رنگ سازي، كاغذ سازي،پلاستيك، لاستيك و مواد مختلف ديگر شناخته مي‌شود. حضور مقادير كمي از ناخالصي ها مثل اكسيژن، نيتروژن، كربن وهيدروژن در كه در فلز محلول اند، سبب شكنندگي مينرال فلز شده و مانع بهره برداري تجاري از آن مي شود. رنگ آن سفيد خاكستري مي باشد. سخت ترين فلز بوده و استحكام آن 3 برابر فولاد است. اما در عين حال بسيار سبك است.به هيچ عنوان ايجاد حساسيت در پوست نميكند. ضد خش نيز ميباشد. با حرارت دادن آن و ايجاد اكسيد در تيتانيوم ميتوان آن را به رنگهاي دلخواه در آورد.اما اين رنگ كم عمق بوده و با خراشيدن از بين ميرود. بنابراين بايد از تيتانيوم رنگي بسيار مراقبت كرد.

در انگلستان به وسيله William Gregor در سال 1791 كشف شد. تيتانيوم فلزي، خالص (9/99%) اولين بار در سال 1910 توسط Matthew A. Hunter به وسيله حرارت TiCl4 با سديم در يك بمب فلزي در 800-700 درجه سانتي گراد تهيه شد.

فلز تيتانيوم تا سال 1946 در خارج از آزمايشگاه استفاده نمي شد تا اين که در سال 1937 كرول(Kroll) روشي براي كاهش تتراكلريد تيتانيوم به وسيله منيزيم مذاب كشف كرد، اين روش منجر به توليد جسم متخلخلي از تيتانيوم مي شد كه ما آنرا به اسم “اسفنج”  مي شناسيم.اما روشU.K. براي استخراج تيتانيوم اندكي متفاوت از روش Kroll مي باشد. در اين روش سديم به عنوان كاهنده متوسطي به جاي منيزيم به كار مي رود. در واقع تفاوت اصلي اين دو روش در محصول مي باشد، دانه هاي حاصل از فرآيند كاهش سديم، نسبت به اسفنج تيتانيوم خالص ترند. تحقيقات و توسعه فرآيندهاي ذوب و توليد در انگلستان از 1948 آغاز شد و بعد از يك مرحله كارخانه آزمايشي، يك كارخانه كامل (تمام عيار) توليد در ميانه سال 1950 تاسيس شد. از آن زمان پيشرفت هاي قابل توجهي در اين زمينه صورت گرفته است. البته در حال حاضر براي توليد تيتانيوم از روش Krollاستفاده مي شود. اين روش در دياگرام زير به طور كامل نشان داده شده است.

اما جديدترين روش فرآوري تيتانيوم FFC-Cambrith مي باشد.

FFC Cambridge Proces، يك فرآيند جديد براي استخراج فلزات و آلياژهاي  از اكسيدهاي جامد آنها به وسيله الكتروليز نمك مذاب است. به طور كلي اين فرآيند  به صورت زير انجام مي شود.

TiO2 (solid, cathode) => molten salt electrolysis => Ti (cathode) + O2 (anode)

اصول استخراج تيتانيوم همچون آلومينيوم و ديگر فلزات مشابه به كمك روش هاي الكتروليزي انجام مي شود. در 50 سال گذشته سرمايه گذاري زيادي براي ساختن تركيبات تيتانيوم محلول در يك الكتروليت مذاب و ته نشيني بر روي كاتد از محلول الكتروليت انجام شده است. اين تلاش ها به طور مختصر يعني

TiO or TiCl4 (dissolved in molten electrolyte) => electrolysis => Ti (cathode) + O2 or Cl2 (anode)

در اين روش مشكلات اساسي از جمله تقويت نيروي بين يون هاي تيتانيوم،  ته نشيني درختي تيتانيوم بر روي كاتد و … وجود دارد كه به كمك  FFCمي توان اين اثرات نامطلوب را به حداقل كاهش داد.

تيتانيوم به اين روش به صورت اسفنج يا پودر توليد مي شود. در هر دو مورد ساختمان ميكروسكوپي آنها تشكيل شده از ذرات كروي كه اندازه آنها بين 1 تا 100 ميكرومتر مي باشد. اسفنج تيتانيوم فرآوري شده از اين روش از نظر ساختماني شبيه به اسفنج Kroll است. فرآوري به روش FFC  اقتصادي تر از Kroll مي باشد. روش FFC توسط سه تن از دانشمندان دانشگاه كمبريج ارائه شده است.

خواص فیزیکی تیتانیوم

تیتانیم فلزی است که با نسبت قدرت به وزن بالا شناخته شده است. تیتانیوم فلزی قوی با چگالی کم و کاملا انعطاف پذیر (به خصوص درحضور اکسیژن محیط) است. از لحاظ مغناطیسی پارامگنتیک بوده و رسانایی الکتریکی و حرارتی نسبتا کمی دارد.

این فلز سبک (دارای وزن مخصوص ۴/۵۱ گرم بر سانتی متر مکعب که مقداری بین چگالی آلومینیوم و آهن است) ، مقاوم (البته نه به سختی برخی ازفولادهای حرارت دیده) و دارای جلای براق- نقره ای ، عدد اتمی ۲۲ ، وزن اتمی ۴۷/۸۸، سختی در مقیاس موس ۶، دارای نقطه جوش ۳۲۸۷ درجه سانتی گراد و نقطه ذوب ۱۶۶۵درجه سانتی گراد می باشد. نقطه ذوب نسبتا بالا، آن را به عنوان فلز دیر گداز مفید می سازد. در دمای ۱۲۰۰ درجه خود به خود آتش می گیرد و به شدت اشتعال زا است. از لحاظ زمین شناسی ترکیب‌های تیتانیوم، پراکنده و استخراج آن دشوار است. نوع تجاری تیتانیوم(دارای خلوص ۹۹/۲ درصد) دارای مقاومت کششی نهایی ۶۳۰۰۰پوند بر اینچ مربع (۴۳۴مگاپاسکال) که تقریبا برابر مقاومت کششی آلیاژهای دارای عیار پایین فولاد می باشد اما به میزان ۴۵ درصد سبکتر از آن است. همچنین برخی از آلیاژهای تیتانیم (به عنوان مثال، نوع بتا C) دارای استحکام کششی بیش از۲۰۰ هزار پوند بر اینچ مربع(۱۴۰۰ مگاپاسکال) می باشند. البته، وقتی حرارت داده می شود، در دماهای بالاتر از (۸۰۶ ° F) ۴۳۰ ° C استحکام کششی خود را از دست می دهد.

تیتانیوم چیست

روش ذوب تیتانیوم

برخی از روش های ذوب تیتانیوم عبارتند از:

تصفیه الکترواسلگ                     (ElectroSlag Refining : ESR)

ذوب مجدد قوسی تحت خلاء    (Vacuum Arc Remelting : VAR)

ذوب تحت پرتو الکترونی                    (Electron Beam Melting)

ذوب با قوس پلاسما                              (Plasma Arc Melting)

5- ذوب پوسته ای به روش القایی       (Induction Skull Melting)

تیتانیوم خالص تجاری چیست؟

تیتانیوم خالص تجاری و آلیاژهای تیتانیومی آلفا و شبه آلفا به طور کلی نشان داده اند که مقاومت خوبی در مقابل خوردگی دارند . آنها جزء این دسته از آلیاژهای تیتانیوم هستند که قابلیت جو شکاری دارند .تیتانیوم خالص معمولاً دارای مقداری اکسیژن آلیاژ شده با آن است که استحکام تیتانیوم خالص تحت تاثیر مقدار این عناصر بین نشینی ( اکسیژن و نیتروژن ) در ساختار تیتانیومی است . آلیاژهای آلفا معمولاً دارای مقدار بالایی از آلومینیوم هستند که موجب مقاومت به اکسایش این آلیاژ در دماهای بالا می شوند . ( آلیاژهای آلفا – بتا همچنین دارای یک عنصر آلیاژی اصلی هستند که آلومینیوم است اما اولین دلیل آن برای پایدار کردن فاز آلفا است ).

آلیاژهای آلفا را نمی توان برای افزایش خواص مکانیکی بالا تحت عملیات حرارتی قرار داد زیرا یک آلیاژ تک فاز به حساب می آید . اضافه کردن عناصر آلیاژی به تیتانیوم خالص قابلیت عملیات حرارتی برای این آلیاژها یا کار در دمای بالا را چون به صورت یک ساختار دو فازی حاصل شده اند ( آلفا – بتا ) ایجاد می کند.

آلیاژهای بتا نیمه پایدار هستند ، به این منظور که تمایل به تغییر فاز برای یک حالت تعادلی یا بالانسی از ساختارها دارند . آلیاژهای بتا استحکامی به واسطه ، استحکام ذاتی شان ، ناشی از ساختار بتا و رسوب فاز آلفا و دیگر فازها از آلیاژها در طراحی فرآیندهای عملیاتی حرارتی به دست می آورند .

با اهمیت ترین فایده و مزیت به دست آمده از ساختارهای بتا ، افزایش شکل پذیری آنها در ارتباط با دیگر ساختارهای هگزاگونال از جمله آلفا و آلفا – بتا است . تیتانیوم آلومیند از آلیاژهای متداول تیتانیومی متفاوت هستند زیرا آنها به طور اساسی ترکیباتی هستند که باعث افزایش استحکام و قابلیت شکل پذیری و دیگر خواص می شوند . تیتانیوم آلومیندی کاربردهای دمای بالاتر نسبت به آلیاژهای تیتانیومی دارند اما قیمت تمام شده بیشتر و به طور کل داکتیلیته و قابلیت فرم پذیری کمتری خواهند داشت.

تیتانیوم وآلیاژهای آن پتانسیل بالایی در خیلی از کاربردهای خاص دارند ولی بایستی قبل از طراحی و استفاده از آن ، برخی از واقعیتها را درمورد آن مطلع بوده و مد نظر داشت که بیشتر آن در ادامه آورده شده است .

محصولات شکل داده شده تیتانیوم به راحتی در دسترس می باشند ولی ریخته گری شده آن محدودتر است . آلیاژهای شکل داده شده از فاکتورهای تجربی خوبی برخوردار می باشند . هر چند که آلیاژهای ریخته گری از لحاظ وزن و قیمت مقرون به صرفه هستند . ریخته گری تحت فشار ایزواستاتیک گرم می تواند محصولاتی در مقایسه با استحکام کاربردی محصولات شکل داده شده را برای بیشتر فلزات حاصل کند .

آلیاژهای پودری خیلی بیشتر مورد قبول هستند . همچنین فرآیندهای پودر ( متالورژی پودر ) امکان ترکیب آلیاژهای نا متعارف تری را نسبت به هم می دهد . اگر در این فرآیند به واسطه بر هم کنش تیتانیوم با گازهای بین شبکه همچون N2 & O2 ، روشهای پیچیده بایستی اتخاذ شود . بنابراین آلیاژهای پودری تیتانیوم بایستی بسیار گران و پر هزینه در کاربردهای مختلف باشند سطح خواص آلیاژهای پودر ممکن است به حد انتظار ترکیبات شیمیایی نرسد . با این حال با متالورژی پودر این امکان وجود دارد که با بدست آوردن محصولی ترکیبی به شکل نهایی محصول مورد نظر امکان جبران قیمت تمام شده باشد و دلیلی بر اینکه حداقل یک پتانسیل برای هزینه های پایین تر هنگامی که در طی پروژه منظور می شود وجود داشته باشد .

آلیاژهای ریخته گری شده یا پودری تیتانیومی همیشه امکان انتخاب در کاربردهای سازه را دارا می باشند . اما بایستی برنامه ریزی برای این قبیل استفاده ها در همان مراحل اولیه طراحی مد نظر قرار گیرد نه اینکه تلاش شود تا مواد به دست آمده پودری یا ریخته گری شده در مراحل نهایی کار به جای مواد شکل داده شده قرار گیرند . این معقول به نظر می رسد که موقع انتخاب آلیاژهای تیتانیومی از عمومی ترین آلیاژِها استفاده شود مگر در مواقعی که خاصیت خاصی از این فلز مد نظر باشد تا یک آلیاژ خاص در نظر گرفته شود ( مثلاً Ti-6AL- 4v دارای خواص متعدد و زیادی است اما مصارف خاصی دارد)

Handbook ها و مراجع مربوط به مواد و از این قبیل کتابها برای طراحی بسیار با ارزش هستند . اما هیچ جانشینی را برای تماس با تأمین کننده و سازنده وجود ندارد . خواص و ویژگیهای از این قبیل شرایط فرم دهی غیر معمول و یا فرآیند غیر ایده آل ریخته گری را برای این فلز نبایستی عملیات سرد کردن و گرم کردن غیر معمولی را برای خواص در نظر گرفت . خواص مواد ریخته گری شده و پودری در محدوده پایین تر نسبت به آلیاژهای شکل داده شده قرار دارد . به طوری که خواص مشترک آنها به سختی به همدیگرقابل مقایسه هستند .

اما داده های بدست آمده پراکنده در ریخته گری و همچنین متالورژی پودر ممکن است پایین تر از حداقل های طراحی را نتیجه بدهد . اگر یک طراحی پذیرفته شود بدون هیچ انعطافی با رعایت سطح خواص آن مشخص شده ، این طراحی ممکن است به صورت غیر قابل برگشت پذیری بعداً مورد سؤ ظن و گمان باشد . صنایع فضایی به دنبال بهترین خصوصیت وبهینه ترین آنها هستند . هنگامی که تیتانیوم در کاربردهایی با بحرانیت کمتر استفاده می شود ، دقت کمتری در خواص بایستی در نظر گرفته شود و این امکان وجود دارد تا هزینه و زمان کاهش داده شود .

امروزه دز ایران علاوه بر صنایع هوایی و نظامی رویکردی خاص به این فلز در صنایع شیمیایی به خصوص در صنایع پتروشیمی دیده می شود که این به نوبه خود باعث ایجاد مجال مناسبی جهت کار بر روی ابن فلز و تهیه روشهای استاندارد تولید تجهیزات تیتانیومی در ایران می گردد.

نقطه ذوب تیتانیوم در حدود درجه سانتیگراد می باشد . اما بیشتر آلیاژهای تجاری آلومینیوم در دمای 538 درجه سانتیگراد کاربرد دارند .

تیتانیوم دارای دو ساختار کریستالی است ، در یکی از آنها اتمها در ساختار مکعبی مرکزدار( bcc ) قرارگرفته اند و در دیگر اتمها در یک ساختار شش وجهی فشرده یا هگزا گونال ( HCP ) قرار دارند . ساختار مکعبی مرکز دار ( bcc ) تنها در دمای بالا به دست می آید بجز در مواردی که تیتانیوم با دیگر عناصر برای ثبات پایدار ساختار مکعبی در دمای پایین آلیاژ شده است .

دو ساختار کریستالی تیتانیوم به عنوان ساختارهای b ، a شناخته می شوند . a اشاره دارد به ساختارهای هگزاگونال تیتانیوم چه به صورت آلیاژ یا خالص و ساختار b مربوط به ساختارهای مکعبی یا آلیاژهای آن است .

ساختارهای b ، a در بعضی مواقع به عنوان سیستم ها یا نوع

تیتانیوم چیست

هایی از سیستم شناخته می شوند که آن را به چهار دسته آلیاژهای a و شبه a یا نزدیک به a و a / b و a تقسیم بندی می کنند .

این ترکیبات نشان دهنده تمامی عناصر آلیاژی تیتانیوم نیست اما بیشتر عناصر استفاده شده در طراحی آلیاژهای تیتانیوم را شامل می شود .

اطلاعات بیشتری در مورد ساختار تیتانیوم

تیتانیوم خالص تجاری به صورت ساختار a است . اضافه کردن برخی از عناصر آلیاژی به تیتانیوم خالص تجاری محدوده را برای ریز ساختارهای آلیاژی ایجاد می کند . با داشتن سطح مطلوبی از عناصر آلیاژی b ، فاز b در طول گرم کردن تولید می شود و در حین فرآیند سرد کردن در ادامه یک فرآیند گرم به ساختار دیگر منتقل می شود .

ساختار حاصله در این مورد را آلیاژهای b ، a می نامند ( فاز b به a تبدیل می شود ولی فاز باقی مانده هم خواهیم داشت ) تغییرات در آلیاژهای متمایز می شود با محدوده وسیعی از ساختار وخواص شیمیایی آلیاژ که لازمه یک آلیاژ a می باشد . این تغییرات به صورت ترم ساختاری near – a ( ساختارهای شبه a یا نزدیک به a ) هستند . ساختار را بایستی به طور کلی به عنوان نیمه پایدار شناخت . آلیاژها با ساختار b در حین سرد کردن تا دمای اتاق به دست می آیند .

آلومیندهای تیتانیومی ترکیبات بین فلزی هستند که از تیتانیوم وآلومینیوم ( به همراه یک یا بیشتر از عناصر آلیاژی ) به دست می آیند.

کاربرد تیتانیوم

عمده ترين مصرف تيتانيوم در صنايع به دو صورت فلزي و دي اکسيد تيتانيوم است . شکل فلزي آن به دليل مشکلات تهيه و خالص سازي مصرف چنداني ندارد،اما در عوض مصرف اکسيد آن بصورت TiO2 در صنعت کاربرد بسيار گسترده اي دارد : به طوري که 90 درصد از صنايع اوليه مصرف کننده اکسيد تيتانيوم هستند . امروزه فلز تيتانيوم به عنوان يک فلز استراتژيک در موتور و ساختمان داخلي هواپيما موشکها ،جت ها، ماشين هاي نساجي وسايل شيميايي وسايل جراحي وسايل نمک زدايي وسايل ارتوپدي، وسايل غذاسازي هدفهاي لوله هاي اشعه ايکس، وسايل ساينده ،تجهيزات حمل و نقل صنايع شيميايي ،واحدهاي مولد برق، صنايع آلياژي ،ساخت زيردريايي ها ،کارخانه هاي ساخت مواد شيميايي، دستگاههاي خنک کننده نيروگاه هاي اتمي و حرارتي و دهها مورد ديگر کاربرد دارد . مصرف عمده دي اکسيد تيتانيوم در صنايع رنگ سازي به عنوان رنگ دانه مي باشد و همچنين اين ماده در صنايع سراميک پلاستيک کاغذ و الکترونيک کاربرد دارد . مصرف اين ماده در کشورهاي پيشرفته تقريباً 10 برابر کشورهاي در حال توسعه مي باشد .

مصارف عمده تیتانیوم

فلز تيتا نيوم در محيط هاي فرسايشي بسيار مقاوم مي باشد . تيتانيوم خالص و يا آلياژهاي آن با ناخالصي کم در کارخانه هاي سولفور زدايي مشتقات نفتي در تجهيزات مربوط به چاه هاي نفت و در اتصالات مورد نياز و همچنين در موارد پزشکي مورد استفاده قرار مي گيرد . از طرفي هم اکنون ورق هاي فولادي يا پوشش تيتانيوم توليد شده که به علت خاصيت ضد فرسايشي کاربرد وسيعي در صنعت نفت و در مراحل سولفورزدايي مشتقات نفتي در پالايشگاه ها پيدا کرده اند . ديگر مصرف عمده اين فلز در صنعت هواپيما سازي است .امروزه در ايران علاوه بر صنايع هوايي و نظامي رويکردي خاص به اين فلز در صنايع شيميايي به خصوص در صنايع پتروشيمي ديده مي شود که اين به نوبه خود باعث ايجاد مجال مناسبي جهت کار بر روي اين فلز و تهيه روشهاي استاندارد توليد تجهيزات تيتانيومي در ايران مي گردد . ساير مصارف عمده تيتانيوم را مي توان به صورت زير خلاصه نمود : ساخت کاربيد تيتانيوم ،سراميک ،در فرآيندهاي شيميايي و الکتروشيميايي ،ساخت ورقه هاي فلزي و باز يافت آنها صنعت نفت ،سولفورزدايي گاز مايع ،نمک زدايي آب ( تصفيه آب ) ساخت پمپهاي مکش آب از دريا ،ساختمان سازي ،پزشکي ( قطعات تعويض در بدن دندانها )، صنايع اتومبيل سازي ، ساخت انباره هاي مخصوص براي نگهداري از موادي نظير ضايعات اتمي و غيره ،الياف تقويت کننده براي استفاده در ترکيبات فلزي، رباط هاي صنعتي ،جواهر سازي ،ساخت انواع آلياژها ، ذخيره سازي انرژي ، بالا بردن قابليت هدايت حرارتي آلياژها، پرکننده ي سنگ هاي جواهرات مصنوعي و نرم افزار .

آلياژهاي تيتانيوم در بدنه هواپيماهاي جنگي، سفينه هاي فضايي موشکها موتور هواپيماها ،ادوات رزمي، توربين هاي گازي، دوچرخه و کامپيوترهايLaptop، مورد استفاده قرار مي گيرند . تيتانيوم اغلب با آلومينيوم ،آهن ،منگنز، موليبدن و فلزات ديگر تشکيل آلياژ مي دهد .به دلیل دوام و ماندگاری بالا، تیتانیم به یکی از فلزات محبوب جواهرسازان بدل گشته است. همچنین به علت عدم تحریک آلرژیک، جواهرات تیتانیم گزینه بسیار مناسب برای افرادی است که به فلزات زینتی آلرژی دارند. تیتانیم همچنین با طلای ۲۴ عیار تشکیل آلیاژ می دهد.

آلياژ ايلمنيت اين فلز در تهيه اکسيد تيتانيوم که در صنايع رنگ سازي کاغذ سازي و پلاستيک به عنوان ماده رنگي براق کردن سطح فلزات، لعاب، لاستيک سازي ،شيشه فايبر گلاس ،سراميک الکتروسراميک و … مصرف مي شود، کاربرد دارد .

تنها در حدود 5 % توليد سالانه جهاني تيتانيوم صرف توليد فلز تيتانيوم شده و 95 % باقيمانده در توليد ماده رنگي دي اکسيد تيتانيوم مورد استفاده قرار مي گيرد . اين ماده به واسطه رنگ سفيد درخشندگي عالي بي اثر ( خنثي بودن ) و مقاومت سايشي و حرارتي بالاي آن درجه دير گدازي بالا و توان زياد در توزيع و انتشار يکنواخت در ترکيبات ديگر به عنوان عمده ترين ماده اوليه رنگ سفيد در صنايع رنگ سازي کاغذ سازي پلاستيک ،لاستيک و … شناخته مي شود . در زير به طور اخص مصارف تيتانيوم در صنايع و آلياژهاي آن مي آيند :

مصارف دارويي و آرايشي تیتانیوم

دي اکسيد تيتان براي التيام سوزش هاي پوستي مورد استفاده قرار مي گيرد و منعکس کننده اشعه ماوراء بنفش خورشيد است و بدين جهت در ساختن کرم ها و لوسيون هاي ضد آفتاب ( ضد سوختگي ) استفاده مي شود . از پودر در اکسيد تيتان در ساخت قاب کپسولهاي دارويي و پوشش قرص ها نيز استفاده مي شود .

تیتانیم ماده ای غیر سمی است و حتی در مقادیر زیاد، سمی محسوب نمی شود. همچنین این ماده هیچ نقشی در سیستم طبیعی بدن انسان ایفا نمی کند. بطور تخمینی روزانه ۸/۰ میلی گرم تیتانیم وارد بدن انسان می شود . اگرچه تقریبا بدون جذب شدن، از بدن دفع می شود.

مصرف ساليانه عنصر تيتانيوم و ترکيبات آن 105 تا 106 تن مي باشد . تقريباً 95% تيتان به فرم اکسيد تيتان TiO4 مصرف مي شود و يک رنگدانه دايمي و به شدت سفيد رنگ با قدرت پوششي خوب در رنگ ها کاغذ و پلاستيک است . رنگ ها با وجود اکسيد تيتانيوم يک باز تابنده بسيار عالي اشعه مادون قرمز را مي سازد و بنا براين به طور گسترده اي توسط اختر شناسان مورد استفاده قرار مي گيرد . از آنجايي که اين فلز مقاومت بالا وزن سبک مقاومت غيرعادي در برابر خوردگي و توانايي ايستادگي در برابر دماهاي بالا مي باشد . بخاطر مقاومت بالا در آب دريا اين فلز براي ساخت شفت ها (محور ) ملخ هواپيما و پروانه کشتي استفاده مي شود .

1 – تيتانيوم ايجاد حساسيت نكرده اما برخي از آلياژهاي طلا حساسيت زا مي باشند.

2 – اندازه قطر طلاي سفيد را ميتوان تغيير داد اما از آنجايي كه تيتانيوم را نميتوان لحيم كاري كرد ايجاد تغيير در اندازه آن نيز ميسر نميباشد.

3- تيتانيوم را ميتوان به رنگهاي گوناگون در آورد اما طلاي سفيد را نه.

4- تيتانيوم ارزان قيمت تر از طلاي سفيد ميباشد.