تولید پودر نانوکریستالی آلومینیوم از ضایعات آلیاژ آلومینیوم به روش بازیافت حالت جامد

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

دوره 14، شماره 51، اردیبهشت 1402، صفحه 1-16   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/jnm.2023.32501.2015

نویسندگان

هادی رضازاده¹؛ مازیار آزادبه^{* 2}

¹دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی سهند تبریز، تبریز، ایران

²استاد، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی سهند تبریز، تبریز، ایران

تاریخ دریافت: 23 مهر 1402،  تاریخ بازنگری: 27 آبان 1402،  تاریخ پذیرش: 04 آذر 1402 

چکیده

چکیده
 مقدمه: هدف از این پژوهش، بازیافت حالت جامد ضایعات آلیاژ آلومینیوم سری 3000 و 5000 و تولید پودر نانوکریستالی آلومینیوم با روش آسیاکاری مکانیکی بدون استفاده از عامل کنترل‌کننده فرآیند است. در این راستا قوطی­ های آلومینیومی مستعمل نوشیدنی که از سه قسمت سر با آلیاژ 5182، قسمت یکپارچه بدنه (نازک) و پایه (ضخیم­تر) از آلیاژ 3004 تشکیل‌شده‌اند، به‌عنوان مواد اولیه استفاده شدند.
روش­: قسمت سر و قسمت یکپارچه‌ی بدنه و پایه با توجه به آلیاژهای سازنده­ شان از هم مجزا شده ­اند و بدنه و پایه­ ی قسمت یکپارچه نیز علیرغم ترکیب شیمیایی یکسان بدلیل  ضخامت متفاوتشان  از هم جداشدند تا بتوان با در نظر گرفتن دو متغیر ترکیب شیمیایی و ضخامت، مکانیزمی برای خردایش­شان تعیین کرد. هر سه قسمت به‌صورت جداگانه پس از عملیات رنگ­زدایی توسط قیچی صنعتی به صورت چیپس­ های ریز با اندازه کمتر از 8 میلی­متر خرد  شدند. سپس با استفاده از دستگاه آسیای سیاره ­ای تحت اتمسفر گاز آرگون، در حضور گلوله­ هایی از جنس فولاد بلبرینگی 52100، با نسبت وزنی گلوله به پودر 10 به 1 ، در مدت زمان­ های مختلف آسیاکاری تا 104 ساعت به ذرات پودری تبدیل شدند.
 یافته­ ها: چیپس­ های قسمت سر قوطی سریع‌تر از چیپس ­های قسمت یکپارچه بدنه و پایه خردشده و پودر حاصل از آن نیز ریزتر است. با توجه به نتایج آزمون PSA، 90D پودر تولیدشده قسمت سر قوطی کمتر از اندازه 150 میکرومتر است؛ درحالی‌که برای 90D پودرهای تولیدشده قسمت یکپارچه بدنه و پایه قوطی این مقدار بیشتر از 150 میکرومتر است که از این دستاورد می ­توان در مقیاس صنعتی برای جداسازی ذرات ریزتر آلیاژ آلومینیوم 5000 از ذرات درشت­ تر آلیاژ آلومینیوم 3000 به کمک الک با اندازه مش 150 میکرومتر استفاده کرد.
نتیجه ­گیری: با استفاده از داده­های آزمون PSA، مدت زمان بهینه آسیاکاری که منجربه تولید ریزترین اندازه پودر می ­شود برای سه قسمت سر، بدنه و پایه قوطی به ترتیب 72، 80 و 80 ساعت با 90D پودرهای حاصله مساوی با 109، 258 و 391 میکرومتر به­ دست­ آمد. همچنین سیالیت پودرهای قسمت سر، بدنه و پایه به ترتیب برابر با 8/57، 3/59 و 50g/s 1/61 و چگالی ظاهری نیز به ترتیب برابر با 38/1، 43/1 و cm³/g 46/1 به­ دست ­آمد.

کلیدواژه‌ها

بازیافت حالت جامد؛ ضایعات آلیاژ آلومینیوم؛ آسیاکاری مکانیکی؛ پودر نانو کریستالی آلومینیوم

عنوان مقاله [English]

Aluminum nanocrystalline powder production from aluminum alloy scrap by solid state recycling method

نویسندگان [English]

Hadi Rezazadeh¹؛ Maziyar Azadbeh²

¹MSc student, Faculty of Materials Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran

²Professor, Faculty of Materials Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran

چکیده [English]

Abstract
Introduction: : The purpose of this research is solid state recycling of 3000 and 5000 series aluminum alloy scrap to produce aluminum nano-crystalline powder by mechanical milling without using process controlling agent. In this regard, aluminum used beverage cans (UBCs) which consist of lid (alloy 5182) and the monolith part (alloy 3004) of the body (thin) and bottom (thicker).
Methods: To achieve disintegration mechanism, lid part, body and bottom of monolith part are separated each other because of diverse constituent of Al series and different thickness. The three parts individually were decoated then cut into the small chips (app. 8 mm). The chips were mechanically ball milled at different times up to 104 hours under argon atmosphere. The ratio of ball to powder was 10 to 1.   
Findings: The lid part chips are crushed faster than the monolith part chips, and, resulting in a finer powder. According to the PSA results, the D90 of the lid powder is less than 150 micrometers; while D90 of the body and bottom powders are more than 150 micrometers. This result can be used on an industrial scale to separate the constituent elements of crushed UBCs from each other. The smallest D90 values of lid, body and bottom powders, which obtained after 72, 80 and 80 h as optimum milling time, are 109, 258 and 391, respectively. Also, their flowability were 57.8, 59.3 and 61.1 s/50 g, as well as the apparent density were 1.38, 1.43 and 1.46 g/cm³, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

Solid state recycling, Aluminum alloy scrap, Mechanical milling, Aluminum nanocrystalline powder

مراجع

1. PARASKEVAS, D., KELLENS, K., DEWULF, W. and DUFLOU, J. R. 2015. Environmental modelling of aluminium recycling: a Life Cycle Assessment tool for sustainable metal management. Journal of Cleaner Production, 105, 357-370.
2. Rojas-Díaz, L., Verano-Jiménez, L.E., Muñoz-García, E., Esguerra-Arce, J. and Esguerra-Arce, A. 2020. Production and characterization of aluminum powder derived from mechanical saw chips and its processing through powder metallurgy. Powder Technology, 360, 301-311.
3. KHAING, H. Y. and KYWE, T. T. 2011. PRODUCTION OF FINE ALUMINUM POWDER FROM METALLIC ALUMINUM. The 5th PSU-UNS International Conference on Engineering and Technology, Songkhla. Faculty of Engineering, 47-51.
4. TAGHIABADI, R., ROSTAMABADI, A., TASVIBI, S. and SHAERI, M. H. 2020. Increasing the recycling percent in liquid-state recycling of Al machining chips by friction stir processing. Materials Chemistry and Physics, 243, 122627.
5. PARASKEVAS, D., VANMEENSEL, K., VLEUGELS, J., DEWULF, W., DENG, Y. and DUFLOU, J. R. 2014. Spark Plasma Sintering As a Solid-State Recycling Technique: The Case of Aluminum Alloy Scrap Consolidation. Materials, 7, 5664-5687.
6. GRONOSTAJSKI, J., MARCINIAK, H. and MATUSZAK, A. 2000. New methods of aluminium and aluminium-alloy chips recycling. Journal of Materials Processing Technology, 106, 34–39.
7. DUFLOU, J. R., TEKKAYA, A. E., HAASE, M., WELO, T., VANMEENSEL, K., KELLENS, K., DEWULF, W. and PARASKEVAS, D. 2015. Environmental assessment of solid state recycling routes for aluminium alloys: Can solid state processes significantly reduce the environmental impact of aluminium recycling? CIRP Annals - Manufacturing Technology, 1-4.
8. CHIBA, R. & YOSHIMURA, M. 2015. Solid-state recycling of aluminium alloy swarf into c-channel by hot extrusion. Journal of Manufacturing Processes, 17, 1–8.
9. MEHTEDI, M. E., FORCELLESE, A., SIMONCINI, M. and SPIGARELLI, S. 2018. A sustainable solid state recycling of pure aluminum by means of friction stir extrusion process (FSE). AIP Conference Proceedings. American Institute of Physics, 030004-1–030004-6.
10. AHMAD, A., LAJIS, M. A., YUSUF, N. K. and WAGIMAN, A. 2016. HOT PRESS FORGING AS THE DIRECT RECYCLING TECHNIQUE OF ALUMINIUM – A REVIEW. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 11, 2258-2265.
11. El Mehtedi, M., Buonadonna, P., Carta, M., El Mohtadi, R., Mele, A. and Morea, D. 2023. Sustainability Study of a New Solid-State Aluminum Chips Recycling Process: A Life Cycle Assessment Approach. Sustainability, 15(14), 11434.
12. PANDEY, A. K., PRAJAPATI, N., NAYAK, K. C. and DATE, P. P. 2019. Sustainable manufacturing process for recycling of aluminum alloy waste into direct product by high-pressure torsion process. Materials Today: Proceedings, 18, 3099–3108.
13. Jiang, A., Wang, F., Xia, D., Li, M., Qiang, L., Zhu, Z., Wang, P., Fan, R., Lin, K. and Yang, Y. 2019. Aluminum nanoparticles manufactured using a ball-milling method with ammonium chloride as a grinding aid: achieving energy release at low temperature. New Journal of Chemistry, 43(4), 1851-1856.
14. GORRASI, G. and SORRENTINO, A. 2015. Mechanical milling as a technology to produce structural and functional bio-nanocomposites. The Royal Society of Chemistry, 1-16.
15. El-Eskandarany, M. S., Al-Hazza, A., Al-Hajji, L. A., Ali, N., Al-Duweesh, A. A., Banyan, M. and Al-Ajmi, F. 2021. Mechanical milling: a superior nanotechnological tool for fabrication of nanocrystalline and nanocomposite materials. Nanomaterials, 11(10), 2484.
16. YADAV, T. P., YADAV, R. M. and SINGH, D. P. 2012. Mechanical Milling: a Top Down Approach for the Synthesis of Nanomaterials and Nanocomposites. Nanoscience and Nanotechnology, 22-48.
17. Shuai, C., He, C., Peng, S., Qi, F., Wang, G., Min, A., Yang, W. and Wang, W. 2021. Mechanical alloying of immiscible metallic systems: process, microstructure, and mechanism. Advanced Engineering Materials, 23(4), 2001098.
18. ALSAFFAR, K. A. and BDEIR, L. M. H. 2008. Recycling of Aluminum Beverage Cans. Journal of Engineering and Development, 12, 157-163.
19. Zolotorevskiy, V., Pozdniakov, A.V. and Khvan, A.V. 2011. Thermodynamic calculations of the effective solidification range and its relation to hot cracking of aluminum-based ternary alloys. Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 52(1), 50-55.
20. von Hehl, A. and Krug, P. 2013. Aluminum and aluminum alloys. Structural materials and processes in transportation, pp.49-112.
21. Carrasco, C., Inzunza, G., Camurri, C., Rodríguez, C., Radovic, L., Soldera, F. and Suarez, S., 2014. Optimization of mechanical properties of Al-metal matrix composite produced by direct fusion of beverage cans. Materials Science and Engineering: A, 617, 146-155.
22. Liu, C. X., Qi, G. and Li, P. 2022. Crashworthy characteristics of sustainable thin-walled tubes: A study on recycled beverage cans. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 29(22), 3222-3236.