Виды и свойства алюминия

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 05.05.2024

Алюминий - это металлический элемент с серебристо-белым оттенком, который благодаря своим механическим характеристикам и технологическим свойствам нашел широкое применение во многих секторах промышленности, в стройиндустрии, а также в бытовых условиях.

Алюминий отличается низкой плотностью, но при этом высокой прочностью, а также способностью сопротивляться коррозии и большим колебаниям температуры. В систематизации элементов по Менделееву его можно найти под обозначением Al с атомным номером 13. Этот материал присутствует в земной коре в больших количествах, занимая третью позицию по изобилию после кислорода и кремния. В земной коре алюминий составляет приближенно 8%. В качестве контраста можно привести золото, содержание которого в земной коре составляет лишь миллионные доли процента.

Парацельс впервые предположил о наличии этого металла в 16 веке, когда он изолировал «квасцовую землю» из квасцов. Он обнаружил оксид металла, который был неизвестен в то время и сильно привлек его внимание. В 18 веке немецкий химик Маргграф повторил его эксперименты и назвал новый элемент. Название переводится с латыни как "связующий". Только в конце XIX века был открыт метод промышленного добычи алюминия, который оказался экономически оправданным.

Обычно извлечение этого металла происходит из бокситов, которые являются вторичными породами. Эти породы возникли в результате разложения алюмосиликатов первоначального происхождения, образовавшихся при высоких температурах вулканических взрывов. В России алюминий получают из нефелиновых руд, которые экстрагируют на Кольском полуострове и в Кемеровской области. К тому же, в процессе добычи алюминия из нефелиновых руд образуются вторичные продукты, такие как портландцемент, сода, и удобрения.

Технология экстракции глинозема (алюминиевого оксида) из бокситов, широко применяемая, сложена с использованием щелочного метода Байера, который первоначально синтезировали ученые из России в конце девятнадцатого столетия. В ходе этой операции производится оксид Al.2O3Это устойчивое химическое вещество, которое тает при температуре +2050°C. Металл в безупречном состоянии изготавливается путем электролизного восстановления оксида. Сверхчистый Al производят методом трехслойного электролиза. Если требуется дополнительная очистка, она осуществляется с использованием рафинирующего электролиза с электролитом, состоящим из алюминиевых органических соединений, а также с применением зонной плавки или дистилляции через субфторид.

Химическая активность данного элемента компенсируется образующимся на его поверхности устойчивым оксидным слоем, который предотвращает коррозию полуфабрикатов и финишных продуктов.

Следующие физические характеристики присущи алюминию:

  • Плотность этого материала равна 2,7 г/см 3, в то время как у железа эта величина достигает 7,85 г/см 3.
  • Температура, при которой начинает плавиться, составляет +600°C, а у железа этот показатель достигает +1535°C.
  • высокий уровень электрической и тепловой проводимости;
  • Парамагнетизм означает, что магнит может притягивать металл только при условии наличия магнитного поля.
  • Трехмерная гранецентрична система металлического кристаллического строения.

Естественные примеси, такие как кремний, цинк, титан, железо, медь, которые могут остаться в алюминии после его восстановления из оксида, в значительной степени определяют его физические и технологические характеристики. С ростом очистки алюминия повышаются его качества, такие как электро- и теплопроводность, устойчивость к коррозии, что соответственно ведет к увеличению его стоимости. Что касается основных механических характеристик, то граница прочности после холодного пластического деформирования составляет 150 МПа, а относительное удлинение равно 50%.

Материал легко поддается формовке, можно обрабатывать его механическим способом и сваривать разнообразными методами сварки. Чтобы улучшить его стойкость против коррозии, поверхность деталей и структур подвергают анодированию. Анодирование представляет собой электрохимический процесс, в ходе которого формируется плотная оксидная пленка.

Характеристики алюминия с химической точки зрения:

  • Химическая реактивность. Al проявляет высокую химическую активность при мелком размере частиц и высокой температуре, комбинируясь с кислородом, фосфором, серой, азотом, йодом и углеродом. На температуре комнаты, он вступает в реакции с бромом, хлором и щелочами.
  • Процесс образования сплавов, включающих алюминиды, при взаимодействии с другими металлами называют интерметаллическими соединениями.
  • Если на поверхности присутствует густая оксидная пленка, это обеспечивает устойчивость к коррозии от воздействия атмосферы, пресной или морской воды, а также нейтрально взаимодействует с органическими кислотами, включая разведенную и концентрированную HNO.3Этот металл активно реагирует с водой при отсутствии оксидной пленки на его поверхности.

Классификации уровней чистоты основываются на процентном соотношении главного компонента, следующим образом:

  • Промышленная (техническая) чистота составляет от 99,5 до 99,79%.
  • 99,8-99,949% - это уровень высочайшей чистоты;
  • Содержание чистоты составляет от 99,95 до 99,9959% - это сверхчистые материалы.
  • Очень чистая, составляющая от 99,9960% до 99,9990%.
  • Более 99,999% - это ультра-чистота.

Технически чистый алюминий широко применяется в промышленности благодаря своим основным физическим свойствам, таким как относительно низкая плотность, электро- и теплопроводность. Его производят в форме алюминиевых листов, труб, плит, прутков и профильного проката. Их используют при создании компонентов и элементов структур, которые не предполагают больших нагрузок. Фольгу и проводящие элементы производят из высококачественных материалов.

Главное использование алюминия заключается в создании сплавов, которые можно поделить на деформируемые и отливаемые.

Деформируемые

Эти качественные марки металла легко поддаются обработке на каждом этапе, комбинируя в себе устойчивость и гибкость. Они находят свое применение в изготовлении листового материала, стержней, труб, кованых и штампованных изделий. Методы деформации включают в себя прокатку, волочение, прессование и ковку. В зависимости от возможности усилить прочностные свойства, деформация материалов на основе алюминия может быть подразделена на термически неосветляемые и термически осветляемые.

Вполне известный сплав из данной группы - дюралюминAl-Cu-Mg, в состав которого зачастую добавляют марганец для усиления защиты от коррозии. В прошлом основным материалом был Д1, однако со временем он уступил место более современной марке Д16. В странах Евросоюза и США крайне популярны марки 2017, 2024, 2117. Что касается дюралюмина, производящегося в форме листов, для повышения устойчивости к коррозии его лакируют, осуществляя покрытие поверхности слоем чистого Al.

Авиаль (АВ) - это еще один член данной группы, который широко используется в авиационном строительстве. Что касается его прочности, то, хотя он слегка уступает дюралюминию, он превосходит его по пластичности в нормальных и нагретых условиях. Этот материал хорошо поддается обработке резающими инструментами и может быть сварен с использованием аргонодуговой или контактной сварки.

Сплавы на основе алюминия высокой прочности превосходят дюралюмин по прочностным показателям, однако уступают ему в пластичности. Сплав В95 активно используется в авиастроительствах для создания конструкций, которые работают при температурах превышающих +100°C. Отмечается его отличная поддающаяся точечной сварке и обработке режущими устройствами.

Литейные

Сплавы алюминия, используемые для фасонного литья, характеризуются течливостью, минимальной усадкой, устойчивостью к появлению горячих трещин и коррозии. В этих материалах больше легирующих элементов, по сравнению с деформируемыми. Широкое распространение получили композиции Al-Si, Al-Cu, Al-Mg, причем к ним в незначительных количествах добавляются марганец, хром, никель.

Можно утверждать, что без использования материалов на основе Al, обладающих значительной прочностью, пластичностью, низкой плотностью и стойкостью к различным типам коррозии, невозможно в полной мере функционирование современных сфер транспортного строительства.

Самолетостроение

В процессе производства авиационной техники в России активно применяются высокопрочные термоустойчивые марки сплавов, включающих в свой состав алюминий, цинк, магний и медь. Прочные и средне прочные марки без цинка используются при создании киля, крыльев и фюзеляжа. Для гидропланов часто выбирают магнийсодержащие марки АМг5, АМг6, обладающие хорошей свариваемостью, а также В92, 1915, 1420.

Производство космического оборудования

В данной сфере применяются алюминиевые сплавы, которые отличаются высокой стабильностью в условиях низких температур. Из сплава марки 2219, который может функционировать при криогенных условиях в сочетании с жидким кислородом, гелием и водородом, производились плиты, которые использовались при конструировании космических "Шаттлов". Емкости для жидкого водорода изготавливают из сплава на основе алюминия и лития марки 2090.

Судостроение

Промышленность, работающая с алюминием, производит полуфабрикаты из этого материала и его сплавов, которые затем используются в судостроении. Из этих полуфабрикатов создают корабельное оборудование, корпуса, коммуникационные системы и надстройки для палуб. Замена стали на алюминий и его сплавы позволяет снизить вес корабля, усовершенствовать его маневренность и увеличить максимальную скорость. В данной отрасли наиболее популярны сплавы, содержащие магний и марганец.

Транспорт по железной дороге

Оборудование, используемое на железнодорожных путях, производится только из долговечных, устойчивых к износу и коррозии материалов. Алюминий и основанные на нем сплавы обладают такими характеристиками. Из этих материалов создают контейнеры для транспортировки сырой нефти, темных и светлых нефтяных продуктов, масел.

Транспортное средство на колесах

Алюминиевые сорта применяются в автомобилестроении благодаря их низкой плотности, прочности, эстетическим качествам и устойчивости к коррозии. Эти материалы расширяют границы допустимых грузов для перевозки, включая жидкости и газы высокого уровня опасности.

Алюминий - выраженно активный металл, по этой причине он находит применение в металлургической отрасли как эффективный редуктор при производстве кальция, хрома, марганца. Процесс десульфурации стали происходит при помощи некачественного материала, не пригодного для изготовления полуфабрикатов и законченной металлической продукции. Во время этой операции из расплавленного железа устраняется кислород, который оказывает негативное воздействие на рабочие характеристики окончательной продукции.