مسیری که صنعت ریخته‌گری آلومینیوم پیمود (بخش 1)

ترجمه: سیامک فتحی

به گزارش باشگاه آلومینیوم، آلومینیوم، درمقایسه با سایر فلزات ریختگی، تاریخچه‌ای هرچند کوتاه، اما متنوع و جالب توجه را داشته است. از کشف آلومینیوم خالص در سال 1825 میلادی تا کنون کمتر از 200 سال ‌می‌گذرد. هرچند این عمر در سایه سرعت سرسام آور تغییرات تکنولوژی خیلی هم کوتاه نیست، اما آلومینیوم هنوز هم در صنعت ریخته‌گری تازه واردی بیش نیست.

قدیمی‌ترین قطعات ریختگی شناخته‌شده ابزار مسی، ازجمله چکش و چاقوهایی هستند که برای نخستین‌بار در بازه زمانی 10 تا 11 هزار سال پیش ساخته شدند. شواهدی وجود دارند که نشان ‌می‌دهند مس درحدود 3700 سال پیش از میلاد مسیح ذوب و به‌صورت اشکال و قطعاتی مشخص در قالب ریخته‌گری ‌می‌شد. کهن‌ترین قطعه ریختگی موجود قورباغه‌ای از جنس مس است که تصور ‌می‌رود در 3200 سال پیش از میلاد در بین‌النهرین ریخته شده است. مس و قلع نخستین‌بار درحدود 3000 سال پیش ترکیب شدند و برنز حاصل شد.

نمونه‌هایی از چدن در بازه زمانی 500 ساله، از 1100 تا 600 قبل از میلاد مسیح در مصر پیدا شده‌اند. چدن در قرن دوازدهم به قدری در چین رواج داشت که از آن در سقف معابد استفاده ‌می‌شد.

قدمت طولانی‌تر مس و چدن درمقایسه با آلومینیوم غیرطبیعی به‌نظر ‌می‌رسد وقتی که بدانیم آلومینیوم بیشترین عنصر فلزی و سومین عنصر موجود برروی زمین است و تنها اکسیژن و سیلیسیم از آن بیشتر هستند. 8 درصد از پوسته زمین را آلومینیوم تشکیل ‌می‌دهد و بوکسیت تجاری که برای تولید این فلز به‌کار ‌می‌رود حاوی 40 تا 60 درصد آلومینیوم است. بوکسیت به‌شکل منابع نامحدودی در دسترس است و هنگامی‌که درمقیاس تجاری استخراج ‌می‌شود، سیلیکات‌های آلومینیوم برجای ‌می‌مانند که 20 تا 30 درصد آلومینیوم دارند و قابل استخراج نیستند. آلومینیوم با آنکه دیر شناخته شد، اما در عمر دو قرنی خود از کنکاشی شیمیایی به دومین فلز پرمصرف در جهان تبدیل شد.

نخستین ریخته‌های آلومینیومی

تاریخ‌دان‌ها، هانس اورستد، (Hans Orsted) دانمارکی را مفتخر به این ‌می‌دانند که در سال 1825 با استفاده از آمالگام پتاسیم، آلومینیوم را از کلرید آلومینیوم جدا نمود (شکل 1). بعد از آن، فردریش وولر (Friederich Wohler) آلمانی پتاسیم فلزی را برای جداسازی بکار برد و هنری دو ویل (Henri DeVile) فرانسوی با سدیم فلزی این کار را انجام داد.

شکل 1- هانس کریستین اورستد، تولد 14 اوت 1777، وفات 9 مارس 1851

شهرت او به‌دلیل کشف خاصیت الکترومغناطیس و نیز، کشف آلومینیوم بوده است

فرایندهای اورستد و وولر مقداری جزئی آلومینیوم تولید ‌می‌کرد که ناخالص، با تکرارپذیری غیرقابل اتکا و گران بود. تلاش‌های متعددی صورت گرفت تا به‌روش الکترولیتی آلومینیوم جدا شود که البته موفقیت چندانی به بار نیامد. تنها چند سال از عمر باتری‌های الکتریکی ‌می‌گذشت و آلومینیوم تولیدشده با استفاده از آنها در مقادیر محدود و گران بود. قیمت آلومینیوم، آنچنان‌که در مقالات به ثبت رسیده، به‌شکل غیرقابل قبولی بالا بود، به‌نحوی‌که آلومینیوم در آن زمان در گروه فلزات گرانبها قرار گرفت، نه از آن جهت که نایاب بود، بلکه به‌دلیل دشواری استخراج آن.

تا قبل از 1870، تولید آلومینیوم به‌روش الکتریکی بسیار دشوار بود، چراکه هنوز دینام برق اختراع نشده بود. قبل از آن، تمام برق موردنیاز از باتری‌ها تأمین ‌می‌شد و تولید مقادیر کافی انرژی برای تحقق احیای آلومینیوم دشوار بود.

نخستین قطعه ریختگی آلومینیومی تأییدشده توسط کلنل ویلیام فریش موث (William Frishmuth) در کارگاه ریخته‌گری او در فیلادلفیا به سال 1876 تولید شد. قطعات ریخته‌شده، قطعاتی کوچک بودند که برای ساخت دوربین نقشه‌برداری بکار ‌می‌رفتند (شکل 2). در آن زمان، "تمام صنعت ریخته‌گری آلومینیوم" در ریخته‌گری فریش موث خلاصه ‌می‌شد. این قطعات نخستین از آلومینیوم تولیدشده به‌روش شیمیایی با قیمت یک دلار در هر اونس (تقریباً 35.3 دلار در هر کیلوگرم) تولید شدند.

شکل 2- دوربینی که با قطعات آلومینیومی ریخته‌شده در کارگاه فریش موث ساخته شد

گزارشی از دشواری‌‌های صنعتی تولید آلومینیوم در سال 1879 در Scientific American توسط شخص آگاه و دست‌اندرکاری به‌نام کلمنس وینچلر (Clemens Winchler) ارایه شد و نوشت: "دلایل مختلفی وجود دارد که چرا این فلز چندان جذاب به‌نظر نمی‌رسد. نخستین آن‌‌ها، قیمت است. روش کار با آن در هر جایی شناخته‌شده نیست و به‌علاوه، هیچ‌کس نمی‌داند چگونه آن‌را ریخته‌گری کند."

نماد یادبود واشنگتن

شاهکار فیشرموث، ریخته‌گری مشهورترین قطعه آلومینیومی است که تا کنون ریخته شده است؛ کلاهک نماد یادبود واشنگتن (شکل 3) در پایتخت ایالات متحده. نماد یادبود واشنگتن در سال 1783 و بعد از پایان جنگ‌‌های استقلال کلنگ زده شد، اما تا سال 1884 تکمیل نشد. طراحی نهایی عبارت بود از ستونی سنگی (obelisk) به ارتفاع 555 فوت (حدود 170 متر) از مرمر سفید. در طراحی نهایی چنین دیده شده بود که کلاهکی از جنس آلومینیوم-برنز (90%Cu-10%Al) آبکاری شده با طلا یا پلاتین در رأس نماد یادبود نصب شود (شکل 4). این کلاهک به میله‌ای از جنس مس –که از طول ستون ‌می‌گذرد– و میله مسی به زمین متصل ‌می‌شد (و از این جهت، کلاهک همچون ساعقه‌گیر عمل ‌می‌کرد). آلومینیوم-برنز در دسترس بود و با استفاده از کوره مقاومتی تولید ‌می‌شد.

شکل 3- کلاهک آلومینیومی در بالاترین نقطه از نماد یادبود واشنگتن

شکل 4- در 6 دسامبر 1884، نماد یادبود واشنگتن با تعبیه کلاهک آلومینیومی آن تکمیل شد

فیشرموث طراحان را متقاعد کرد که کلاهک ‌می‌تواند از آلومینیوم ساخته و تنها با یک پولیش کاری تکمیل شود و نیازی به آبکاری هم ندارد. قطعه ریختگی، دیواره‌‌هایی به ضخامت 5/0 اینچ (حدود 13 میلیمتر) و وزن 6 پاند (حدود 7/2 کیلوگرم) داشت. هرمی بود به ارتفاع 9 اینچ (حدود 23 سانتیمتر) و طول هر وجه قاعده آن نیز 6 اینچ (حدود 15 سانتیمتر) بود. ترکیب شیمیایی حاوی 7/1 درصد آهن، 55/0 درصد سیلیسیم و مابقی آلومینیوم بود که قالبی از جنس چدن برای ریخته‌گری آن بکار رفت. قیمت آلومینیوم، 1 دلار در هر اونس بود. نشانی از تخلخل هیدروژنی یا آخال‌‌های اکسیدی هم در آن دیده نشد.

فرایند هال

در سال 1886، چارلز مارتین هال (Charles Martin Hall) 22 ساله (شکل 5)، دانشجوی کالج اوبرلین، در اوبرلین اوهایو، فرایند تولید آلومینیوم خالص را با عبور جریان الکتریکی توسط آند کربنی از اکسید آلومینیوم (آلومینا) حل‌شده در کریولیت مذاب در کوره‌ای که با نسوز کربنی نسوزکاری شده بود، ابداع کرد. کریولیت، فلوراید دوگانه آلومینیوم و سدیم (Na3AlF6) است. تقریباً به‌طور همزمان، پاول هرولت (Paul Heroult) هم همان فرایند را در فرانسه توسعه داد. درنتیجه، به‌دلیل مسائل قانونی پیش‌آمده، زمان زیادی طول کشید تا این‌دو مرد بتوانند فرایند اخذ حق ثبت اختراع را طی کنند. ازآنجاکه دادگاه در این کشور تمایل داشت تا این افتخار نصیب یک آمریکایی شود، درنهایت هال موفق به اخذ حق ثبت شد که نامش را ماندگار کرد.

شکل 5- چارلز مارتین هال. تولد 6 دسامبر 1863، وفات 27 دسامبر 1914.

شهرت او به دلیل ابداع روش الکترولیز آلومینیوم بوده است،

روشی که البته امروزه به نام هال-هرولت شناخته ‌می‌شود

همزمان که هال درحال دفاع از حق ثبت خود دربرابر هرولت بود، درگیر چالش تلخ‌تری با برادران کاولز (Cowles) نیز بود که در کار ساخت کوره بودند (شرکت ذوب الکتریکی و آلومینیوم کاولز) و آلومینیوم برنز را با استفاده از یک کوره الکتریکی تولید ‌می‌کردند. برادران کاولز مدعی بودند که بدون کوره آن‌‌ها، هال نمی‌توانست این موفقیت را کسب کند، چراکه طرح کوره او قابلیت این کار را نداشت.

اما ادعای هال این بود که برادران کاول بدون دانستن فرمول ترکیب مناسب آلومینا در کریولیت نمی‌توانستند در کوره خود آلومینیوم تولید کنند. پس از سال‌ها اقامه دعوا بین هال و حامیان او (شرکت احیای پیتسبورگ) از یک‌سو و برادران کاول از سوی دیگر، هال در دادگاه پیروز شد و شرکت او تولید تجاری آلومینیوم را آغاز نمود. قاضی ویلیام هاوارد تافت (William Howard Taft) که بر حقانیت هال رأی داد، همان کسی بود که بعدها رئیس‌جمهور ایالات‌متحده شد.

با توسعه فرایند هال، صنعت آلومینیوم شکوفا شد و قیمت آن از 15 دلار در هر پوند (حدود 33.3 دلار در هر کیلوگرم) در سال 1884 به 50 سنت در هر پوند (حدود 1.11 دلار در هر کیلوگرم) در سال 1890 سقوط کرد. با تغییر قرن، استفاده از قطعات ریختگی آلومینیوم به‌سرعت رشد کرد. ده سال بعد از آنکه هال فرایندش را توسعه داد، در 12 می 1896، با حضور 345 عضو در مجمعی در فیلادلفیا، انجمن ریخته‌گران آمریکا بنا نهاده شد (شکل 6).