PM- Aluminium källa: Företaget Alcoa Fjardaál som tillverkar aluminium i Island Peyman Mohammadi Ansvarig lärare: Rolf Lövgren Kurs: Produktutveckling 3, KPP039 HT2010
Innehållsförteckning 1 Inledning...3 2 Framställning av aluminium...4 2.1 Återvinning av aluminium...4 3 Aluminiums egenskaper...5 4 Användningsområden för aluminium...6 5 Ytbehandling...7 5.1 Anodisering...7 6 Hopfogning...8 7 Tillvekning och användning av aluminium ur ett ekonomiskt perspektiv...8 8 Sammanfattning...9 9 Referenser... 10 9.1 Tryckta källor... 10 9.2 Bildkällor... 10 9.3 Internetkällor... 10 Sida 2 av 10
1 Inledning Detta är ett individuellt arbete i kursen KPP039, Produktutveckling 3. Syftet med arbetet är att lära känna materialet aluminium mer ingående och beskriva egenskaper och möjligheter som aluminium har. Aluminium är den mest vanliga metallen man kan hitta i jordskorpan. Aluminium finns överallt runt omkring oss i väldigt små mängder. Aluminiums goda egenskaper gör den till ett efterfrågat material. Egenskaper som bra hållbarhet, återvinningsbarhet, låg vikt, bra ledningsförmåga osv. Under höstterminen 2010 fick jag och några andra klasskamrater chansen att åka till Island och gå på en intensiv kurs. Kursen arrangerades av företaget Nordplus och hade i syfte att sprida kunskaper om materialet aluminium i industriell och praktisk användning. Vi fick besöka företaget Alcoa Fjardaál som ligger i norra Island och är ett av världens ledande företag inom aluminium produktion. Företaget tillverkade 940 ton aluminium dagligen och transporterade 346,000 ton varje år till hela världen. Kursen var väldigt lärorikt och jag lärde mig väldigt mycket om aluminium. Materialet inspirerade mig mycket och efter kursen ville jag alltid försöka lära mig mer om aluminium. Sida 3 av 10
2 Framställning av aluminium Det finns gott om råvara för framställning av aluminium. Nästan 8 procent av jordskorpan består av aluminiumföreningar i olika former. Aluminium framställs ur råvaran bauxit i två steg. Bauxit innehåller 20 till 30 procent aluminium. 1. Ur bauxit framställs aluminiumoxid enligt Bayermetoden. Först utvinns aluminiumoxid ur bauxit. Sammanfattningsvis kan man säga att aluminiumföreningarna löses i en natriumhydroxidlösning vid hög värme och ökat tryck. Under dessa förhållanden avskiljs aluminium från andra föreningar som ingår i bauxit. Två ton bauxit ger ca ett ton aluminiumoxid. 2. Ur aluminiumoxiden framställs sedan ren aluminiummetall genom smältelektrolys enligt Hall-Héroult-metoden. Två ton aluminiumoxid krävs för att producera ett ton av aluminium. 2.1 Återvinning av aluminium För att smälta om aluminium behövs det bara 5 procent av den energi som går åt för nyframställning ur bauxit, vilket gör aluminiumskrot (sekundärt aluminium) till en betydelsefull och viktig råvara. Mer än en fjärdedel av världsproduktionen av aluminium under 2003 utgjordes av omsmält skrot. Återvinning av aluminium är oerhört billigare än att tillverka aluminium ur bauxit, eftersom det är smälter, inte smältning, och det kräver bara en bråkdel av den energin som krävs vid nysmältning. Och dessutom blir det ingen skillnad i kvaliteten. I Sverige låg återvinningsgraden av aluminiumburkar på ca 85 procent för 2003 visar siffror från AB Svenska Returpack som har hand om systemet för pantburkar i Sverige. Fig 1. Aluminiums livscykel Sida 4 av 10
3 Aluminiums egenskaper Vikt och styrka: Stora fördelen med aluminium är att man får ett material som har hög hållfasthet trots att det inte väger mycket. Aluminium har en densitet på 2,7 g/cm 3 vilket motsvarar endast en tredjedel av vad stål har för densitet. Aluminiums legeringar har draghållfasthet mellan 70 och 700 MPa, detta jämfört med de vanliga legeringar som har 150-300 MPa för strängpressning. Till skillnad från andra metaller blir aluminium inte sprött vid låga temperaturer utan hållfastheten ökar. Nackdelen är att hållfastheten minskar vid höga temperaturer. Längdutvidgning: Aluminium har stor längdutvidgning jämfört med andra metaller. Aluminiums längdutvidgning per meter vid 100 0 C är 2,3mm. Detta kan skapa problem och man måste ta hänsyn till detta vid vissa konstruktioner. Formbarhet: Aluminium har väldigt bra formbarhet. Detta utnyttjas vid strängpressning av aluminiumprofiler, vid valsning av band och folie, vid bockning och annan plastisk bearbetning i såväl varmt som kallt tillstånd. Bearbetning: Aluminium är väldigt lätt att bearbetas med de flesta bearbetningsmetoder. Dessutom är energiåtgången också väldigt låg vid bearbetningen. Ledningsförmåga: Aluminium har väldigt bra värme- och elledningsförmåga. Ledningsförmågan hos aluminium är nästan lika mycket som koppar men fördelen är att aluminium väger endast hälften så mycket som koppar. Reflexionsförmåga: aluminium har väldigt bra reflexionsförmåga för såväl synligt ljus som värmestrålning. Lätt att sammanfoga: Aluminium kan sammanfogas med traditionella metoder som svetsning, lödning, limning och nitning. Avskärmning: Täta lådor av aluminium utestänger eller skärmar av elektromagnetisk strålning effektivt. Ju bättre elektrisk ledningsförmåga materialet har, desto bättre blir avskärmningsegenskaper. Korrosionshärdighet: När aluminium reagerar med luftens syre bildas ett mycket tunt oxidskikt. Skiktet är lätt och ger ett mycket bra korrosionsskydd. Om oxidskiktet skadas återbildas det spontan igen. Aluminium har mycket god härdighet i neutrala och måttligt sura miljöer. I starkt sura och basiska miljöer är korrosionshastigheten hög. Icke-magnetiskt material: Aluminium är ett icke-magnetiskt material. I vissa produkter använder man aluminium för att undvika störningar av magnetfältet. Ogiftigt: Aluminium är ogiftigt och förekommer naturligt i maten. Sida 5 av 10
4 Användningsområden för aluminium Aluminium är ett mångsidigt material som används inom många områden, allt från folie och ölburkar till bilar, båtar och flygplan. Aluminiums användningsområden sträcker sig från små, enkla köksredskap till stora, kraftiga byggnader och belastade konstruktioner. Egenskaper som låg vikt, god formbarhet, hög hållbarhet, hög återvinningsprocent och korrosionshärdighet har gjort aluminium ett en efterfrågat material inom transportindustrin och användningen av aluminium har ökat kraftigt i bilar, bussar, tåg, flygplan och fartyg. Det lätta materialet minskar till exempel vikten i blar och ger därför lägre bränsleförbrukning och detta leder till att man sparar på bränslet, sparar pengar samtidigt som det är miljövänligt. Stötfångare, Kylare, kolvar, motorblock, kaross är exempel på bildelar som görs av aluminium. Bra korrosionshärdighet ger lång livslängd och låga underhållskostnader. Detta har man använt inom byggindustrin, till exempel fasader, fönster, tak Bra ledningsförmågan används i högspänningsledningar, elektriska kondensatorer och apparater där den goda förmågan att leda värme och elektricitet utnyttjas. Jämfört med en kopparledare blir vikten halverad om man använder en aluminiumledare istället men man får samma effekt. Aluminium skyddar mot ljus, syre och fukt och används inom förpackningsindustrin. Aluminiumfolie används i många olika förpackningar. Inom den metallurgiska industrin används aluminium som reduktionsmedel vid ståltillverkning och som legeringsämne i magnesium, zink, och kopparlegeringar. Andra användningsområden är sportartiklar som cyklar och golfklubbor, elektriska komponenter, paketering av mat och medicin och mycket, mycket mer. Fig 2, Alcans årsredovisning 2003, användningsområde för aluminium Sida 6 av 10
5 Ytbehandling Det är inte nödvändigt att ytbehandla aluminium på grund av korrosion eftersom ett oxidskikt bildas alltid på ytan. Oxidskiktet kan ersättas om och om igen om det repas och är mycket tunt, bara några hundradels μm. Aluminium har mycket hög härdbarhet i neutrala och måttligt sura miljöer medan det i sura och starkt basiska miljöer korroderar snabbt. Ytbehandling av aluminium kan ha andra orsaker än korrosionsmotstånd t ex för att få en förändrad ytstruktur, val av olika färger, hårdhet, slitstyrka, reflexionsförmåga eller elektrisk isoleringsförmåga. Genom att slipa ytan kan man få en bättre ytkvalitet. Ofta anodiseras ytan eller lackas. Vid lackering är det främst pulverlackering som är vanligt eftersom detaljer kan bockas efter lackering, det har beständig yta, är tålig i utomhusbruk och är tålig för slag och repor. 5.1 Anodisering Med anodisering förstärks aluminiumets naturliga egenskaper genom att öka på det skyddande oxidskiktet. Anodisering gör så att motståndskraften mot korrosion och slitage blir större. Dessutom ytan ser rent och fint ut och det är även elektriskt isolerande. Processen består vanligen av fyra steg: förbehandling, anodisering, infärgning (om så önskas) samt eftertätning. Den vanligaste formen av anodisering är naturanodisering. När metallytan har fått den önskade mekaniska eller kemiska förbehandlingen, och är ordentligt rengjord, äger den elektrolytiska processen rum. Likström ansluts till profilen, som blir anod. En elektrolytisk cell bildas. Elektrolyten består vanligtvis av utspädd svavelsyra vid rumstemperatur. Vid elektrolysen omvandlas ytmetallen till oxid. Processen fortgår till dess önskade skikttjocklek erhålls, vanligen 5-25 µm. Det bildade oxidskiktet innehåller ett stort antal porer som därefter måste slutas. Detta görs genom eftertätning - behandling i 95-98 gradigt avjoniserat vatten. Anodiserat aluminium har väldigt bra korrosionsbeständighet, speciellt när ph-värdet är mellan 4 och 9. Men i kontakt med starkt alkaliska ämnen kan ytan fläckas och skadas, därför ska man tänka på att skydda aluminium mot kalk, cement och gips. Dörrhandtag gjord av aluminium Sida 7 av 10
6 Hopfogning Aluminium är ett mångsidigt material som kan hopfogas med många olika sätt. Den industriella användningen ökar och nya fogningsmetoder har utvecklats de senaste åren. Aluminium kan sammanfogas på många sätt. Traditionella metoder som svetsning och skruvning och nitning används mycket. Extruderings teknologin möjliggör också speciella lösningar som snäpp, friktions och hängförband. Aluminium lämpar sig för limning. Limning är en väldigt vanlig hopfogningsmetod för aluminium och det pågår mycket forskning kring det för att kunna utvecklas i området. Flygplan i aluminium har till exempel varit limmade länge. Svetsning är en viktig sammanfogningsmetod för aluminium och det sker en stadig nyutveckling när det gäller metoder och design för att uppnå bästa möjliga kvalitet. 7 Tillvekning och användning av aluminium ur ett ekonomiskt perspektiv Aluminium är ekonomiskt, kräver inga dyra drifters och underhållskostnader. Den mest kostsamma delen är bara under tillverkningen men det jämnar ut sig när man väl börjar använda aluminium. Smältningsprocessen har alltid varit en elintensiv process, på grund av detta och eftersom kostnaden för elektricitet är en central del av aluminium, bygger man vanligtvis sina smältverk nära kraftsystem eller så varje företag bygger själv en generator och på så viss sparar i längden. Aluminium är dessutom lite dyrare än vissa andra metaller som t.ex. stål, men när man jämför egenskaper som avlägsnar aluminium från stål så är aluminium utan tvekan det bästa valet. Egenskaper som till exempel låg vikt vilket minskar transportkostnader, hög hållfasthet vilket innebär lång livslängd, kräver inget underhåll och återvinnings möjligheter. Sida 8 av 10
8 Sammanfattning Aluminium kombinerar låg vikt med stor hållfasthet. Det gör att det har blivit ett mycket populärt material i dagens produkter. Vi kan inte flyga, åka snabba tåg eller högpresterande bilar utan aluminium. Aluminium är ett starkt och säkert material. Aluminium går lätt att kombinera med andra material. Aluminium är ekonomiskt, ger oanade möjligheter till elegant utformning, väldigt lätt att bearbetas, kan återvinnas till hundra procent, och har många andra användningsområden. Nackdelen med aluminium är att vid höga temperaturer minskar hållfastheten. Vid kontinuerliga temperaturer över 100 C påverkas hållfastheten i så stor utsträckning att man vid konstruktion måste ta särskild hänsyn till detta. Aluminium är inte stabilt vid lågt eller högt ph-värde eller i kloridhaltiga miljöer. Detta gör att aluminium inte lämpar sig för exponering för vattenhaltiga lösningar, särskilt inte vid stort flöde. Aluminium ligger långt ner i den galvaniska spänningsserien och kan lätt drabbas av galvanisk korrosion i närheten av ädlare metaller och legeringar. Sida 9 av 10
9 Referenser 9.1 Tryckta källor SAPA (Svenska Aluminium Profiler AB) Handbok för konstruktörer, första upplagan 1995 9.2 Bildkällor Företaget Alcoa, http://www.alcoa.com/iceland/ Aluminuim life cycle, http://www.azom.com/details.asp?articleid=3529 Habo, tillverkare av dörrhandtag i aluminium, http://www.habo.com/web/polulara_dorrhandtag_- _nu_i_aluminium.aspx 9.3 Internetkällor http://www.alupart.se/index.php?disp=aluminium http://råvaruhandel.se/tag/aluminium/ http://www.sgu.se/dokument/service_sgu_publ/perpubl_2005-1.pdf http://www.sapagroup.com/sv/common-information/sections-in-top-of-all-pages/den-gronametallen/aluminiums-egenskaper/ http://www.teokonsult.se/plat/alumin/plat2100.htm http://www.aluminiumriket.com/sv/anvaendningsomraden/anvaendningsomraden.php http://nordicaluminium.a1netti.com/files/pdf/palvelumyynti/alumiinin_pintakas_swe.pdf http://epubl.ltu.se/1402-1552/2005/03/ltu-dupp-0503-se.pdf Sida 10 av 10