آلومینیوم به دلیل وزن سبک، مقاومت بالا در برابر خوردگی و رسانایی الکتریکی و حرارتی عالی، یکی از پر کاربرد ترین فلزات در صنایع مدرن است. اما ویژگی های فیزیکی و مکانیکی این فلز به شدت به میزان خلوص آن و عناصر آلیاژی ترکیب شده با آن بستگی دارد. حتی مقادیر بسیار ناچیز از ناخالصی هایی مانند آهن، سیلیسیم، مس یا روی می تواند خواص نهایی یک قطعه را به کلی تغییر دهد. به همین دلیل، شناخت روش های اندازه گیری دقیق خلوص شمش و قطعات ریخته گری آلومینیوم برای مهندسان کنترل کیفیت، تولید کنندگان و خریداران این فلز از اهمیت حیاتی برخوردار است.

در این مقاله مفصل، قصد داریم شما را با انواع روش ها، مواد شیمیایی و دستگاه های پیشرفته ای که در کارخانه ها و آزمایشگاه های صنعتی برای تعیین عیار و خلوص آلومینیوم استفاده می شوند، اشنا کنیم.

چرا اندازه گیری خلوص آلومینیوم تا این حد مهم است؟

پیش از پرداختن به دستگاه ها، باید بدانیم که چرا صنایع هزینه های زیادی برای آنالیز فلزات پرداخت می کنند. در تولید شمش های استاندارد، خلوص آلومینیوم معمولا با اعدادی مانند 99.7 درصد یا 99.9 درصد بیان می شود. اگر شمش آلومینیوم برای مصارف الکتریکی (مانند کابل های برق) استفاده شود، وجود ناخالصی تیتانیوم یا وانادیوم می تواند رسانایی الکتریکی را به شدت کاهش دهد. از سوی دیگر، در قطعات ریخته گری شده برای صنعت خودرو، وجود میزان مشخصی از سیلیسیم برای روانی مذاب ضروری است، اما مقدار بیش از حد آن باعث شکنندگی قطعه می شود. بنابراین، تست دقیق ترکیب شیمیایی یک الزام غیر قابل انکار است.

معرفی روش های اندازه گیری دقیق خلوص شمش و قطعات ریخته گری آلومینیوم

روش های متعددی برای آنالیز ترکیب شیمیایی فلزات وجود دارد که به دو دسته کلی روش های مخرب و روش های غیر مخرب تقسیم می شوند. در ادامه کاربردی ترین این روش ها را بررسی می کنیم.

1. طیف سنجی انتشار نوری یا کوانتومتری (OES)

دستگاه طیف سنج انتشار نوری که در صنعت ایران بیشتر با نام "کوانتومتر" شناخته می شود، رایج ترین، سریع ترین و قابل اعتماد ترین روش برای آنالیز قطعات ریخته گری و شمش های آلومینیوم است.

نحوه کار با دستگاه کوانتومتر به این شکل است که ابتدا سطح کوچکی از شمش یا قطعه آلومینیومی توسط دستگاه تراش یا سنباده های مخصوص، کاملا صاف و صیقلی می شود تا هیچ گونه اکسید یا چربی روی آن باقی نماند. سپس نمونه روی یک صفحه قرار می گیرد. دستگاه با ایجاد یک جرقه الکتریکی (اسپارک) قوی بین یک الکترود تنگستنی و سطح نمونه، باعث ذوب و تبخیر موضعی فلز می شود.

این تبخیر باعث می شود اتم های آلومینیوم و سایر عناصر موجود در آن برانگیخته شوند و از خود نور ساطع کنند. هر عنصر در طبیعت، نور را با طول موج مشخص و منحصر به فردی ساطع می کند. سنسور های اپتیکی داخل دستگاه، این نور ها را تفکیک کرده و با اندازه گیری شدت نور هر طول موج، درصد دقیق عناصر موجود در آلیاژ (و در نتیجه درصد خلوص آلومینیوم پایه) را در کمتر از یک دقیقه روی مانیتور نمایش می دهند.

2. آنالیز فلورسانس اشعه ایکس (XRF)

روش ایکس آر اف یکی دیگر از روش های بسیار محبوب در صنعت است، به خصوص به دلیل وجود دستگاه های پرتابل و تفنگی شکل که به راحتی قابل حمل هستند. این روش یک آنالیز کاملا غیر مخرب است و برای بررسی سریع شمش ها در انبار یا کنترل کیفیت قطعات ریخته گری شده در خط تولید کاربرد فراوانی دارد.

در دستگاه XRF، یک پرتو اولیه از اشعه ایکس به سطح قطعه آلومینیومی تابانده می شود. این اشعه با انرژی بالای خود باعث می شود الکترون های لایه های داخلی اتم های فلز از مدار خود خارج شوند. برای پر کردن این جای خالی، الکترون های لایه های بالاتر به سطح پایین تر سقوط می کنند و در این فرایند، اشعه ایکسی ثانویه (فلورسانس) از خود ساطع می کنند.

آشکار ساز های دستگاه، انرژی این اشعه های ثانویه را اندازه گیری می کنند. از آنجا که انرژی آزاد شده برای هر عنصر مقدار ثابتی است، دستگاه می تواند به سرعت بگوید که در این قطعه آلومینیومی چه عناصری و با چه درصدی وجود دارند. دستگاه های تفنگی ایکس آر اف برای تفکیک ضایعات آلومینیوم و تایید سریع گرید شمش ها فوق العاده عمل می کنند.

3. روش پلاسما جفت شده القایی (ICP)

اگر به دنبال اندازه گیری دقیق خلوص آلومینیوم در حد قسمت در میلیون (ppm) یا حتی قسمت در میلیارد (ppb) هستید، روش آی سی پی بهترین انتخاب است. این روش بیشتر برای آلومینیوم های فوق خالص که در صنایع هوافضا یا الکترونیک پیشرفته کاربرد دارند، استفاده می شود.

بر خلاف دو روش قبلی، روش ICP یک روش شیمیایی و مخرب است. برای انجام این تست، ابتدا مقدار مشخصی از شمش یا قطعه آلومینیوم باید در ترکیبی از اسید های قوی (مانند اسید کلریدریک و اسید نیتریک) کاملا حل شود تا یک محلول شفاف به دست آید.

سپس این محلول به صورت قطرات بسیار ریز (آئروسل) وارد یک شعله پلاسمای آرگون با دمای حدود ده هزار درجه سانتی گراد می شود. در این دمای وحشتناک، تمام اتم ها تجزیه و یونیزه می شوند و طیف نوری ساطع می کنند که توسط طیف سنج دستگاه خوانده می شود. دقت دستگاه ICP بی نظیر است اما نیاز به آماده سازی طولانی مدت نمونه، محیط آزمایشگاهی مجهز و گاز های با خلوص بالا دارد.

4. روش های شیمی تر و تیتراسیون

پیش از اختراع دستگاه های الکترونیکی پیشرفته، شیمیدان ها از روش های شیمی تر برای تعیین درصد خلوص آلومینیوم استفاده می کردند. امروزه این روش ها بیشتر به عنوان روش های مرجع برای کالیبره کردن دستگاه های مدرن یا در کارگاه های کوچک کاربرد دارند.

در این روش ها، قطعه آلومینیوم در مواد شیمیایی خاصی حل می شود و با استفاده از معرف های رنگی و واکنش های رسوبی، مقدار آلومینیوم یا ناخالصی های آن اندازه گیری می شود. یکی از روش های معروف، استفاده از تیتراسیون با ماده ای به نام EDTA است. این روش ها بسیار زمان بر هستند و به مهارت بالای تکنسین آزمایشگاه نیاز دارند، اما هزینه تجهیزات اولیه آنها بسیار پایین است.

مثال کاربردی:

روش معرف مورین (Morin Reagent Method) چیست؟

روش معرف مورین یکی از روش های بسیار حساس و دقیق در شاخه شیمی تجزیه است که به طور خاص برای تشخیص و اندازه گیری مقادیر بسیار ناچیز (Trace amounts) آلومینیوم در نمونه های مختلف استفاده می شود.

همان طور که در درخواست قبلی تاکید کردید، در این متن نیز تمام نیم فاصله ها حذف شده اند تا یکپارچگی فرمت حفظ شود.

معرف مورین چیست؟
مورین یک ترکیب شیمیایی الی و رنگ دانه ای طبیعی از خانواده فلاونوئید ها است. در گذشته این ماده از چوب گونه های خاصی از درختان استخراج می شد، اما امروزه در ازمایشگاه ها تولید می شود. این ماده به صورت پودر زرد رنگ است و خاصیت جالبی در واکنش با برخی فلزات دارد.

اساس کار روش مورین چگونه است؟
اساس کار این روش بر پایه خاصیت "فلورسانس" (Fluorescence) است. فرایند اندازه گیری به این شکل انجام می شود:

اماده سازی نمونه: ابتدا قطعه الومینیومی یا نمونه مورد نظر باید توسط اسید ها کاملا حل شود تا الومینیوم به صورت یون های ازاد در محلول در بیاید.

افزودن معرف: معرف مورین به این محلول اضافه می شود. نکته مهم این است که محیط محلول باید از نظر اسیدیته (pH) به دقت تنظیم شود (معمولا در محیط اسیدی ضعیف).

تشکیل کمپلکس: مورین با یون های الومینیوم واکنش داده و یک ترکیب جدید به نام "کمپلکس مورین-الومینیوم" تشکیل می دهد.

تابش نور و اندازه گیری: این کمپلکس شیمیایی یک ویژگی منحصر به فرد دارد؛ اگر به ان نور ماوراء بنفش (UV) تابانده شود، از خود یک نور درخشان فلورسنت به رنگ سبز مایل به زرد ساطع می کند.

برای اندازه گیری دقیق، محلول در دستگاهی به نام اسپکتروفلورومتر قرار می گیرد. هرچه مقدار الومینیوم در نمونه بیشتر باشد، کمپلکس بیشتری تشکیل شده و در نتیجه شدت نور فلورسنت ساطع شده نیز شدید تر خواهد بود. دستگاه این شدت نور را اندازه گیری کرده و غلظت دقیق الومینیوم را محاسبه می کند.

کاربرد روش مورین در کجاست؟
مزیت اصلی و بی رقیب روش مورین، حساسیت فوق العاده بالای ان است. دستگاه هایی مثل کوانتومتر یا ایکس ار اف برای اندازه گیری الومینیوم در حد صدم درصد مناسب هستند، اما روش مورین می تواند حضور الومینیوم را در حد میکروگرم بر لیتر (قسمت در میلیارد یا ppb) تشخیص دهد.

به همین دلیل، از این روش برای کارهای زیر استفاده می شود:

اندازه گیری خلوص الیاژ های فوق العاده خالص که در صنایع هوافضا کاربرد دارند.

بررسی وجود مقادیر ناچیز الومینیوم در اب اشامیدنی.

تست نمونه های زیستی و دارویی برای اطمینان از عدم الودگی به الومینیوم.

محدودیت های این روش
این روش در کنار دقت بالا، نقطه ضعف هایی هم دارد که باعث می شود در خط تولید کارخانه های ریخته گری استفاده نشود:

تداخل عناصر: معرف مورین علاوه بر الومینیوم، با فلزات دیگری مانند بریلیوم، روی و گالیوم نیز واکنش می دهد و نور تولید می کند. اگر این فلزات در شمش وجود داشته باشند، دستگاه دچار خطا می شود. برای رفع این مشکل، شیمیدان ها باید از مواد شیمیایی دیگری به نام "مواد پوشاننده" استفاده کنند تا اثر فلزات مزاحم را خنثی کنند.

زمان بر بودن: این روش نیازمند اماده سازی طولانی محلول، تنظیم دقیق pH و استفاده از ظروف شیشه ای فوق العاده تمیز است و به هیچ وجه سرعت روش های دستگاهی مدرن را ندارد.

5. سنجش خلوص از طریق خواص فیزیکی (روش های غیر مستقیم)

گاهی اوقات می توان بدون نیاز به آنالیز شیمیایی و تنها با بررسی خواص فیزیکی، به میزان خلوص شمش آلومینیوم پی برد. دو روش پر کاربرد در این زمینه عبارتند از:

الف) اندازه گیری رسانایی الکتریکی: همان طور که گفته شد، آلومینیوم خالص رسانای بسیار خوبی برای جریان برق است. با استفاده از دستگاه های ادی کارنت (Eddy Current)، می توان رسانایی الکتریکی قطعه را اندازه گرفت. هرچه رسانایی به عدد استاندارد آلومینیوم خالص نزدیک تر باشد، نشان دهنده خلوص بالاتر شمش است. حضور ناخالصی ها به شدت مقاومت الکتریکی را افزایش می دهد.

ب) تست چگالی (دانسیته): با استفاده از قانون ارشمیدس و ترازوی دقیق، می توان چگالی قطعه ریخته گری شده را محاسبه کرد. اگر چگالی به دست آمده با چگالی تئوری آلومینیوم خالص (حدود 2.7 گرم بر سانتی متر مکعب) تفاوت معناداری داشته باشد، نشان دهنده وجود عناصر سنگین تر (مانند آهن و مس) یا وجود تخلخل و حفره های گازی درون قطعه ریخته گری است.

نکات مهم در هنگام تست قطعات ریخته گری در مقایسه با شمش

شمش های آلومینیوم معمولا ساختاری یکدست و همگن دارند، بنابراین نمونه برداری از هر کجای شمش معمولا نتیجه یکسانی می دهد. اما در قطعات ریخته گری شده، پدیده ای به نام "جدایش" رخ می دهد. به این معنی که در حین سرد شدن مذاب در قالب، ممکن است عناصر آلیاژی در بخش های خاصی از قطعه تجمع کنند.
برای اندازه گیری دقیق خلوص در قطعات ریخته گری، باید نمونه برداری از قسمت های مختلف قطعه (سطح، مرکز و لبه ها) انجام شود و میانگین نتایج در نظر گرفته شود. همچنین وجود مک های گازی در قطعه ریخته گری می تواند باعث خطای دستگاه کوانتومتر شود، بنابراین سطح نمونه باید کاملا متراکم و بدون حفره باشد.

نتیجه گیری

انتخاب بهترین شیوه از میان روش های اندازه گیری دقیق خلوص شمش و قطعات ریخته گری آلومینیوم، به نیاز دقیق شما بستگی دارد. اگر در یک کارخانه ذوب و ریخته گری کار می کنید و نیاز به تایید سریع ترکیب مذاب پیش از ریختن در قالب دارید، دستگاه کوانتومتر (OES) ابزار اصلی شما خواهد بود. اگر خریدار ضایعات هستید و در محیط های باز فعالیت می کنید، دستگاه پرتابل ایکس آر اف (XRF) سرعت و راحتی را برای شما به ارمغان می آورد. و در نهایت اگر در آزمایشگاه های تحقیقاتی به دنبال یافتن مقادیر میکروسکوپی ناخالصی ها هستید، دستگاه آی سی پی (ICP) بی رقیب است. سرمایه گذاری روی ابزار های دقیق آنالیز، ضامن تولید محصولات با کیفیت و جلوگیری از خسارت های هنگفت در صنایع پایین دستی خواهد بود