В алюминии – Что такое алюминий

Содержание

алюминий — это… Что такое алюминий?

АЛЮМИ́НИЙ -я; м. [от лат. alumen (aluminis) — квасцы]. Химический элемент (Al), серебристо-белый лёгкий ковкий металл с высокой электропроводностью (применяемый в авиации, электротехнике, строительстве, быту и т.п.). Сульфат алюминия. Сплавы алюминия.

АЛЮМИ́НИЙ (лат. Aluminium), Al (читается «алюминий»), химический элемент с атомным номером 13, атомная масса 26,98154. Природный алюминий состоит из одного нуклида 27Al. Расположен в третьем периоде в группе IIIA периодической системы элементов Менделеева. Конфигурация внешнего электронного слоя 3s2p1. Практически во всех соединениях степень окисления алюминия +3 (валентность III).
Радиус нейтрального атома алюминия 0,143 нм, радиус иона Al3+ 0,057 нм. Энергии последовательной ионизации нейтрального атома алюминия равны, соответственно, 5,984, 18,828, 28,44 и 120 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность алюминия 1,5.
Простое вещество алюминий — мягкий легкий серебристо-белый металл.
История открытия
Латинское aluminium происходит от латинского же alumen, означающего квасцы (см. КВАСЦЫ) (сульфат алюминия и калия KAl(SO4)2·12H2O), которые издавна использовались при выделке кож и как вяжущее средство. Из-за высокой химической активности открытие и выделение чистого алюминия растянулось почти на 100 лет. Вывод о том, что из квасцов может быть получена «земля» (тугоплавкое вещество, по-современному — оксид алюминия (см. АЛЮМИНИЯ ОКСИД)) сделал еще в 1754 немецкий химик А. Маргграф (см. МАРГГРАФ Андреас Сигизмунд). Позднее оказалось, что такая же «земля» может быть выделена из глины, и ее стали называть глиноземом. Получить металлический алюминий смог только в 1825 датский физик Х. К. Эрстед (см. ЭРСТЕД Ханс Кристиан). Он обработал амальгамой калия (сплавом калия со ртутью) хлорид алюминия AlCl
3
, который можно было получить из глинозема, и после отгонки ртути выделил серый порошок алюминия.
Только через четверть века этот способ удалось немного модернизировать. Французский химик А. Э. Сент-Клер Девиль (см. СЕНТ-КЛЕР ДЕВИЛЬ Анри Этьен) в 1854 предложил использовать для получения алюминия металлический натрий (см. НАТРИЙ), и получил первые слитки нового металла. Стоимость алюминия была тогда очень высока, и из него изготовляли ювелирные украшения.
Промышленный способ производства алюминия путем электролиза расплава сложных смесей, включающих оксид, фторид алюминия и другие вещества, независимо друг от друга разработали в 1886 году П. Эру (см. ЭРУ Поль Луи Туссен) (Франция) и Ч. Холл (США). Производство алюминия связано с высоким расходом электроэнергии, поэтому в больших масштабах оно было реализовано только в 20 веке. В Советском Союзе первый промышленный алюминий был получен 14 мая 1932 года на Волховском алюминиевом комбинате, построенном рядом с Волховской гидроэлектростанцией.
Нахождение в природе
По распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье место среди всех элементов (после кислорода и кремния), на его долю приходится около 8,8% массы земной коры. Алюминий входит в состав огромного числа минералов, главным образом, алюмосиликатов (см. АЛЮМОСИЛИКАТЫ), и горных пород. Соединения алюминия содержат граниты (см. ГРАНИТ), базальты (см. БАЗАЛЬТ), глины (см. ГЛИНА), полевые шпаты (см. ПОЛЕВЫЕ ШПАТЫ) и др. Но вот парадокс: при огромном числе минералов и пород, содержащих алюминий, месторождения бокситов (см. БОКСИТЫ) — главного сырья при промышленном получении алюминия, довольно редки. В России месторождения бокситов имеются в Сибири и на Урале. Промышленное значение имеют также алуниты (
см.
АЛУНИТ) и нефелины (см. НЕФЕЛИН).
В качестве микроэлемента алюминий присутствует в тканях растений и животных. Существуют организмы-концентраторы, накапливающие алюминий в своих органах, — некоторые плауны, моллюски.
Промышленное получение
При промышленном производстве бокситы сначала подвергают химической переработке, удаляя из них примеси оксидов кремния и железа и других элементов. В результате такой переработки получают чистый оксид алюминия Al2O3 — основное сырье при производстве металла электролизом. Однако из-за того, что температура плавления Al2O3 очень высока (более 2000 °C), использовать его расплав для электролиза не удается.
Выход ученые и инженеры нашли в следующем. В электролизной ванне сначала расплавляют криолит (
см.
КРИОЛИТ) Na3AlF6 (температура расплава немного ниже 1000 °C). Криолит можно получить, например, при переработке нефелинов Кольского полуострова. Далее в этот расплав добавляют немного Al2О3 (до 10 % по массе) и некоторые другие вещества, улучающие условия проведения последующего процесса. При электролизе этого расплава происходит разложение оксида алюминия, криолит остается в расплаве, а на катоде образуется расплавленный алюминий:
2Al2О3 = 4Al + 3О2.
Так как анодом при электролизе служит графит, то выделяющийся на аноде кислород реагирует с графитом и образуется углекислый газ СО2.
При электролизе получают металл с содержанием алюминия около 99,7%. В технике применяют и значительно более чистый алюминий, в котором содержание этого элемента достигает 99,999% и более.
Физические и химические свойства
Алюминий — типичный металл, кристаллическая решетка кубическая гранецентрированная, параметр а = 0,40403 нм. Температура плавления чистого металла 660 °C, температура кипения около 2450 °C, плотность 2,6989 г/см3. Температурный коэффициент линейного расширения алюминия около 2,5·10-5 К-1. Стандартный электродный потенциал Al3+/Al –1,663В.
Химически алюминий — довольно активный металл. На воздухе его поверхность мгновенно покрывается плотной пленкой оксида Al2О3, которая препятствует дальнейшему доступу кислорода к металлу и приводит к прекращению реакции, что обусловливает высокие антикоррозионные свойства алюминия. Защитная поверхностная пленка на алюминии образуется также, если его поместить в концентрированную азотную кислоту.
С остальными кислотами алюминий активно реагирует:
6НСl + 2Al = 2AlCl3 + 3H2,
2SO4 + 2Al = Al2(SO4)3 + 3H2.
Алюминий реагирует с растворами щелочей. Сначала растворяется защитная оксидная пленка:
Al2О3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4].
Затем протекают реакции:
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2,
NaOH + Al(OH)3 = Na[Al(OH)4],
или суммарно:
2Al + 6H2O + 2NaOH = Na[Al(OH)4] + 3Н2,
и в результате образуются алюминаты (см. АЛЮМИНАТЫ): Na[Al(OH)4] — алюминат натрия (тетрагидроксоалюминат натрия), К[Al(OH)4] — алюминат калия (терагидроксоалюминат калия) или др. Так как для атома алюминия в этих соединениях характерно координационное число (см. КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО) 6, а не 4, то действительные формулы указанных тетрагидроксосоединений следующие: Na[Al(OH)
4
2О)2] и К[Al(OH)42О)2].
При нагревании алюминий реагирует с галогенами:
2Al + 3Cl2 = 2AlCl3,
2Al + 3 Br2 = 2AlBr3.
Интересно, что реакция между порошками алюминия и иода (см. ИОД) начинается при комнатной температуре, если в исходную смесь добавить несколько капель воды, которая в данном случае играет роль катализатора:
2Al + 3I2 = 2AlI3.
Взаимодействие алюминия с серой при нагревании приводит к образованию сульфида алюминия:
2Al + 3S = Al2S3,
который легко разлагается водой:
Al2S3 + 6Н2О = 2Al(ОН)3 + 3Н2S.
С водородом алюминий непосредственно не взаимодействует, однако косвенными путями, например, с использованием алюминийорганических соединений (
см.
АЛЮМИНИЙОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ), можно синтезировать твердый полимерный гидрид алюминия (AlН3)х — сильнейший восстановитель.
В виде порошка алюминий можно сжечь на воздухе, причем образуется белый тугоплавкий порошок оксида алюминия Al2О3.
Высокая прочность связи в Al2О3 обусловливает большую теплоту его образования из простых веществ и способность алюминия восстанавливать многие металлы из их оксидов, например:
3Fe3O4 + 8Al = 4Al2O3 + 9Fe и даже
3СаО + 2Al = Al2О3 + 3Са.
Такой способ получения металлов называют алюминотермией (см. АЛЮМИНОТЕРМИЯ).
Амфотерному оксиду Al
2
О3 соответствует амфотерный гидроксид — аморфное полимерное соединение, не имеющее постоянного состава. Состав гидроксида алюминия может быть передан формулой xAl2O3·yH2O, при изучении химии в школе формулу гидроксида алюминия чаще всего указывают как Аl(OH)3.
В лаборатории гидроксид алюминия можно получить в виде студенистого осадка обменными реакциями:
Al2(SO4)3 + 6NaOH = 2Al(OH)3 + 3Na2SO4,
или за счет добавления соды к раствору соли алюминия:
2AlCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O = 2Al(OH)3Ї + 6NaCl + 3CO2­,
а также добавлением раствора аммиака к раствору соли алюминия:
AlCl3 + 3NH3·H2O = Al(OH)3Ї + 3H2O + 3NH4Cl.
Применение

По масштабам применения алюминий и его сплавы занимают второе место после железа и его сплавов. Широкое применение алюминия в различных областях техники и быта связано с совокупностью его физических, механических и химических свойств: малой плотностью, коррозионной стойкостью в атмосферном воздухе, высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью и сравнительно высокой прочностью. Алюминий легко обрабатывается различными способами — ковкой, штамповкой, прокаткой и др. Чистый алюминий применяют для изготовления проволоки (электропроводность алюминия составляет 65,5% от электропроводности меди, но алюминий более чем в три раза легче меди, поэтому алюминий часто заменяет медь в электротехнике) и фольги, используемой как упаковочный материал. Основная же часть выплавляемого алюминия расходуется на получение различных сплавов. Сплавы алюминия отличаются малой плотностью, повышенной (по сравнению с чистым алюминием) коррозионной стойкостью и высокими технологическими свойствами: высокой тепло- и электропроводностью, жаропрочностью, прочностью и пластичностью. На поверхности сплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия.
Разнообразие свойств алюминиевых сплавов обусловлено введением в алюминий различных добавок, образующих с ним твердые растворы или интерметаллические соединения. Основную массу алюминия используют для получения легких сплавов — дуралюмина (см. ДУРАЛЮМИН) (94% Al, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si), силумина (85—90% Al, 10—14% Si, 0,1% Na) и др. В металлургии алюминий используется не только как основа для сплавов, но и как одна из широко применяемых легирующих добавок в сплавах на основе меди, магния, железа, никеля и др.
Сплавы алюминия находят широкое применение в быту, в строительстве и архитектуре, в автомобилестроении, в судостроении, авиационной и космической технике. В частности, из алюминиевого сплава был изготовлен первый искусственный спутник Земли. Сплав алюминия и циркония — циркалой — широко применяют в ядерном реакторостроении. Алюминий применяют в производстве взрывчатых веществ.
Особо следует отметить окрашенные пленки из оксида алюминия на поверхности металлического алюминия, получаемые электрохимическим путем. Покрытый такими пленками металлический алюминий называют анодированным алюминием. Из анодированного алюминия, по внешнему виду напоминающему золото, изготовляют различную бижутерию.
При обращении с алюминием в быту нужно иметь в виду, что нагревать и хранить в алюминиевой посуде можно только нейтральные (по кислотности) жидкости (например, кипятить воду). Если, например, в алюминиевой посуде варить кислые щи, то алюминий переходит в пищу и она приобретает неприятный «металлический» привкус. Поскольку в быту оксидную пленку очень легко повредить, то использование алюминиевой посуды все-таки нежелательно.
Алюминий в организме
В организм человека алюминий ежедневно поступает с пищей (около 2—3 мг), но его биологическая роль не установлена. В среднем в организме человека (70 кг) в костях, мышцах содержится около 60 мг алюминия.

dic.academic.ru

формула, реакции, свойства и применение :: SYL.ru

Алюминий – элемент третьего периода периодической таблицы Менделеева с атомным номером 13. По распространенности является первым среди металлов и третьим среди химических элементов земной коры (после кислорода и кремния). Давайте узнаем более детально, что такое алюминий и какими свойствами он обладает.

Общая характеристика

Итак, что такое алюминий? Прежде всего, это легкий парамагнитный металл бело-серебристого цвета, который очень податлив для обработки (литье, формовка, механическая обработка и прочее). Химическая формула алюминия известна всем из школьного курса химии – Al. Он обладает высокой электро- и теплопроводностью, а также устойчивостью к коррозионным процессам. Последнее свойство обуславливается способностью алюминия к быстрому образованию оксидных пленок, которые защищают его поверхность.

Историческая справка

Мировая общественность узнала, что такое алюминий, в 1825 году, благодаря датскому физику Гансу Эрстеду. Ученый провел взаимодействие амальгамы калия с хлоридом алюминия, с последующим извлечением ртути. Свое название химический элемент получил от латинского слова alumen, которое переводится как «квасцы».

До того как был открыт промышленный метод получения алюминия, данный металл ценился больше, чем золото. В 1889 году, желая почтить роскошным подарком Д.И. Менделеева, британцы вручили ему весы, сделанные из золота и алюминия.

Получение

Металл образует прочную связь с кислородом – оксид алюминия. По сравнению с другими известными металлами, его восстановление из руды более трудоемко. Причина тому кроется в высокой реакционной способности и высокой температуре плавления алюминия, а точнее его руд. Метод прямого восстановления углеродом не применяется, так как у этого металла восстановительная способность выше, нежели у углерода. Непрямое восстановление возможно. Оно предполагает получение промежуточного продукта Al4C3, подвергающегося при температуре порядка 2000°С разложению с образованием алюминия. Пока что это метод находится в разработке, но уже известно, что он будет требовать меньше энергозатрат, чем способ Холла — Эру.

Методика Холла — Эру, которая на сегодняшний день является самой широко используемой, была разработана в 1886 году параллельно двумя учеными – американцем Ч. Холлом и французом П. Эру. Ее суть заключается в растворении Al2O3 (оксида алюминия) в Na3AlF6 (расплав криолита) и последующем электролизе с применением анодных электродов (коксовых или графитовых). Так как этот метод является весьма затратным, он получил широкое применение лишь в двадцатом веке.

На производство одной тонны чернового алюминия уходит 1,92 т глинозема, 0,6 т электродов, 0,065 т криолита, 0,035 т фторида алюминия и порядка 61 ГДж электроэнергии.

Что касается лабораторного метода получения алюминия, то он был придуман в 1827 году Фридрихом Велером. Суть метода состоит в восстановлении безводного хлорида алюминия металлическим калием. Реакция проходит при нагреве, без доступа воздуха.

Место в природе

Массовая концентрация данного вещества в земной коре оценивается в 7,45-8,14%. По этому показателю алюминий занимает первое место среди металлов и третье среди химических элементов в целом.

В природе, в связи с химической активностью металла, он встречается в основном в виде соединений. Основные минералы алюминия: бокситы, корунд, нефелины, глиноземы, алуниты, полевые шпаты, берилл, каолинит и хризоберилл. В жерлах вулканов, в которых созданы специфические восстановительные условия, были найдены малые количества самородного металла.

В природных водах алюминий представлен в виде малотоксичных соединений, к примеру фторида. На вид катиона или аниона влияет главным образом кислотность среды. В пресной воде концентрация раствора алюминия может составлять от 0,001 до 10 мг/л, а в соленой – порядка 0,01 мг/л.

В составе природного алюминия преобладает стабильный изотоп 27Al и наблюдаются ничтожные следы 26Al.

Физические свойства

Основные физические свойства материала:

  1. Плотность – 2712 кг/м3.
  2. Температура кипения – 2500°С.
  3. Температура плавления – 660°С.
  4. Удельная теплоемкость – 897 Дж/кг*K.
  5. Твёрдость по Бринеллю – от 24 до 32 кгс/мм².
  6. Пластичность чистого материала – 50%.
  7. Модуль Юнга – 70 Гпа.
  8. Электропроводность – 37*106 См/м.
  9. Теплопроводность – 203,5 Вт/(м*К).

Алюминий может образовывать сплавы практически со всеми металлами. Наибольшее распространение получили дюралюминий (сплав с медью и магнием) и силумин (сплав с кремнием).

Химические свойства

В нормальных условиях данный металл покрыт тонкой, но очень прочной оксидной пленкой, что обуславливает его стойкость к воздействию стандартных окислителей: воды, кислорода, а также азотной и серной кислот. Вместе с тем, алюминий реагирует с соляной кислотой. Благодаря этим свойствам, металл не подвержен коррозии и очень востребован в промышленности.

При разрушении пленки алюминий может выступить в роли активного металла-восстановителя. Чтобы избежать образования пленки, к нему добавляют галлий, олово или индий.

Рассмотрим основные уравнения алюминия.

С простыми веществами этот металл образует следующие соединения:

  1. С кислородом – оксид. 4Al+3O2=2Al2O3.
  2. С галогенами (кроме фтора) – хлорид, иодид и бромид. 2Al+3Hal2=2AlHal3 (Hal = Cl, Br, I).
  3. С фтором (при нагревании) – фторид. 2Al+3F2=2AlF3.
  4. С серой (при нагревании) – сульфид. 2Al+3S=Al2S3.
  5. С азотом (при нагревании) – нитрид. 2Al+N2=2AlN.
  6. С углеродом (при нагревании) – карбид. 4Al+3C=Al4C3.

Сульфиды и карбиды алюминия могут полностью гидролизоваться.

Реакции алюминия со сложными веществами выглядят таким образом:

  1. С водой – после удаления защитной пленки. 2Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2.
  2. Со щелочами – образует алюминаты. 2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3H2.
  3. С соляной и разбавленной серной кислотами – растворяется в них. 2Al+6HCl=2AlCl3+3H2.
  4. С кислотами-окислителями, образующими растворимые соли – растворяется в них при нагревании. 8Al+15H2SO4=4Al2(SO4)3+3H2S+12H2O.
  5. С оксидами металлов – восстанавливает из них металлы (алюминотермия). 8Al+3Fe3O4=4Al2O3+9Fe.

Производство

До конца 19-го века алюминий не производился в промышленных масштабах. Анри Сент-Клер Девиль, работу которого финансировал Наполеон Третий (он рассчитывал на использование материала для нужд армии), изобрел первый метод промышленного получения металла лишь в 1854 году. Суть метода состояла в вытеснении алюминия из двойного натриево-алюминиевого хлорида с помощью металлического натрия. В 1855 году был произведен первый слиток, масса которого составила порядка 7 кг. За последующие 36 лет по этому методу было произведено 200 тонн алюминия. Это при том, что уже 1856 году тот же ученый разработал новый способ, основанный на электролизе расплава указанного выше хлорида.

В 1885 году в городе Гмелингеме (Германия) был построен завод по производству алюминия по технологии Николая Бекетова. Это способ мало отличался от того, что разработал Девиль, но был несколько проще. Он базировался на взаимодействии между криолитом и магнием. За пять лет работы завод произвел 58 тонн алюминия – более 25% от мирового производства за 1854-1890 годы.

Метод Холла — Эру положил начало более технологичному и современному получению металла. С тех пор, с развитием электротехники, развивались и технологии производства алюминия. Заметный вклад в развитие этого направления внесли в том числе и русские ученые: Байер, Пеняков, Кузнецов, Жуковский, Яковкин и многие другие.

В России первое предприятие по производству алюминия было построено в городе Волхове в 1932 году. В 1939 металлургическая промышленность СССР производила практически 50 тысяч тонн этого металла в год.

Вторая мировая война стала стимулом для выпуска многих материалов, в том числе и алюминия. Так, к 1943 году мировое производство составило почти 2 млн тонн. С каждым годом, даже после окончания войны, этот показатель возрастал. В 1980-м году он составил 16 млн т., в 1990-м – 18 млн т., в 2008-м – уже около 40 млн т., а в 2016-м – почти 60 млн т.

Рейтинг стран, массово выпускающих алюминий, выглядит следующим образом:

  1. Китай.
  2. Россия.
  3. Канада.
  4. США.
  5. Австралия.

Мировой запас бокситов практически безграничен и несоизмерим с динамикой спроса. В будущем многие из линий по производству алюминия могут быть переориентированы на выпуск, к примеру, композитных материалов. Цена данного металла на торгах всемирных сырьевых бирж за последние десять лет колебалась в пределах 1250-3300 долларов за тонну.

Использование

Алюминий широко используется в качестве конструкционного материала. Его основные достоинства – легкость, коррозионная стойкость, податливость штамповке, высокая тепловодность и безвредность. Последние свойства сделали материал очень популярным в производстве кухонной утвари и пищевой пленки. Благодаря первым трем свойствам, алюминий стал основным сырьем космической и авиационной промышленности. Главным недостатком данного конструктивного материала является его малая прочность. Для упрочнения его обычно используют в сплавах с малыми количествами меди и магния (дюралюминий).

По электропроводности алюминий в 1,7 раз уступает меди, но за счет того, что его плотность в 3,3 раза меньше, для получения приблизительно равного сопротивления его требуется в два раза меньше по весу. Кроме того, алюминий примерно в 4 раза дешевле, чем медь. Этим обусловлено широкое применение данного материала в электротехнике (изготовление и экранирование проводников) и микроэлектронике (напыление проводников на поверхность микросхем). Главным недостатком алюминия как материала для электротехники является образование прочной диэлектрической пленки на его поверхности. Она затрудняет пайку и вызывает нагревание в местах соединений, что снижает качество контакта и надежность изоляции. Чтобы нивелировать данную особенность, используют алюминиевые проводники большого сечения.

Кроме того, алюминий используют в таких направлениях:

  1. Ювелирные изделия. Конечно, речь идет в основном о временах, когда алюминий был очень дорог. Сегодня его используют в бижутерии, а в Японии этот материал заменяет серебро в производстве традиционных украшений.
  2. Столовые приборы. В этом направлении алюминий использовался еще во времена Наполеона 3-го, однако и сейчас в заведениях общепита можно встретить столовые приборы из него.
  3. Стекловарение. В этой области используют фосфат, фторид и оксид алюминия.
  4. Пищевая промышленность. Данный металл зарегистрирован как пищевая добавка Е173.
  5. Военная промышленность. Благодаря дешевизне и небольшой массе алюминия, он используется в производстве пистолетов и автоматов.
  6. Ракетная техника. Алюминий и его соединения нашли применение в качестве ракетного горючего в 2-компонентных ракетных топливах.
  7. Энергетика. Алюминий используют как вторичный энергоноситель.

В качестве восстановителя алюминий используется в таких областях:

  1. Как компонент смесей для алюмотермии.
  2. Как восстановитель редких металлов из их оксидов и галогенидов.
  3. В пиротехнике.
  4. При анодной защите, в качестве протектора.

Использование сплавов

В качестве конструктивного материала часто используют не чистый алюминий, а сплавы на его основе.

Алюминиево-магниевые сплавы. Характеризуются сочетанием высокой пластичности, удовлетворительной прочности, коррозионной стойкости, хорошей свариваемости и высокой вибростойкости. Чаще всего в промышленности используют сплавы, в которых содержание магния колеблется в приделах 1-5%. Чем больше этот показатель, тем надежнее сплав. Каждый процент дает дополнительные 30 МПа к пределу прочности.

Сплавы, содержащие по массе до 3% магния, отличаются структурной стабильностью при нормальной и повышенной температуре, даже в нагартованном состоянии. С ростом содержания магния стабильность снижается. При увеличении его количества до 6% ухудшается коррозионная стойкость сплава. Поэтому для дальнейшего повышения прочностных характеристик, системы алюминий-магний легируют титаном, марганцем, хромом, ванадием или кремнием. Попадание меди и железа в такие сплавы нежелательно. Оно приводит к снижению свариваемости и коррозионной стойкости.

Алюминиево-марганцевые сплавы. Обладают высокими показателями прочности, пластичности, технологичности, коррозионной стойкости и свариваемости. В системах алюминий-марганец основными примесями являются железо и кремний. Эти элементы снижают степень растворимости марганца в алюминии. Чтобы получить мелкозернистую структуру, такие сплавы легируют титаном. Достаточное количество марганца обеспечивает стабильную структуру нагартованного металла, при любой температуре.

Алюминиево-медные сплавы. По своим механическим свойствам в термоупрочненном состоянии, эта система может обойти низкоуглеродистые стали. Такие сплавы очень технологичны. Их единственный недостаток – низкая коррозионная стойкость. С этой проблемой борются путем использования защитных покрытий.

В качестве легирующих добавок используют железо, магний, марганец и кремний. Сильнее всего на свойства сплава влияет магний, заметно повышая пределы текучести и прочности системы. Кремний повышает способность сплава к искусственному старению, а железо с никелем – его жаропрочность. Нагартовка этих систем после закалки приводит к ускорению искусственного старения, а также увеличивает их сопротивление коррозии и прочность.

Сплавы системы алюминий-цинк-марганец. Ценятся за высокие показатели прочности и технологичности. Высокое упрочнение достигается благодаря хорошей растворимости компонентов при повышенных температурах, которая резко уменьшается при охлаждении. Главным и очень существенным недостатком таких систем является их низкое сопротивление коррозии. Для повышения этого показателя применяют легирование медью. Также еще в 60-е годы прошлого века было выявлено, что присутствие лития в системах алюминий-цинк-марганец позволяет замедлить естественное и ускорить искусственное старение. Кроме того, литий уменьшает вес сплава и увеличивает его модуль прочности.

В промышленности используются также силумины (алюминиево-кремниевые сплавы), из которых отливают корпуса всяческих механизмов, и комплексные сплавы (авиали).

Токсичность

Отвечая на вопрос о том, что такое алюминий, стоит упомянуть о токсичности этого металла. Несмотря на широкое распространение в природе, алюминий является мертвым веществом, то есть не используется живыми существами в метаболизме. Сам по себе металл имеет незначительное токсическое действие, однако многие из его неорганических соединений, растворимых в воде, могут оказать вредное воздействие на теплокровных жвачных и человека. Для человека токсическое действие оказывают такие дозы соединений металла (мг/кг массы тела):

  1. Ацетат – 0,2-0,4.
  2. Гидроксид – 3,7-7,3.
  3. Квасцы – 2,9 .

При попадании в организм с водой соединения алюминия действуют на нервную систему, что может привести к ее тяжелым расстройствам. Положительным является тот факт, что накоплению металла в организме препятствует механизм выведения. За сутки с мочой может быть выведено до 15 мг элемента. Таким образом, негативный эффект от соединений алюминия может коснуться только людей, страдающих нарушением выделительной функции почек.

www.syl.ru

Алюминий, что такое, основные свойства, где применяется – Алюминиевая Ассоциация

Алюминий чрезвычайно распространен в природе: по этому параметру он занимает четвертое место среди всех элементов и первое — среди металлов (8,8% от массы земной коры), но не встречается в чистом виде. Его в основном добывают из бокситов, хотя известно несколько сот минералов алюминия (алюмосиликаты, алуниты и т. п.), абсолютное большинство которых не подходит для получения металла.

Алюминий обладает замечательными свойствами, которые объясняют широчайший спектр его применения. По объемам использования в самых разных отраслях промышленности он уступает только железу. Ковкий и пластичный, алюминий легко принимает любые формы. Оксидная пленка делает его устойчивым к коррозии, а значит, срок службы изделий из алюминия может быть очень долгим. Кроме того, к списку достоинств необходимо добавить высокую электропроводимость, нетоксичность и легкость в переработке.

Всем этим объясняется огромное значение легкого металла в мировой экономике. Без него аэрокосмическая индустрия никогда не получила бы развития. Алюминий необходим для производства автомобилей, вагонов скоростных поездов, морских судов. Самые разные виды продуктов из алюминия используются в современном строительстве. Алюминий является основным материалом для высоковольтных линий электропередачи. Примерно половина посуды для приготовления пищи, продаваемой каждый год во всем мире, сделана именно из этого металла. Невозможно представить магазин без алюминиевых банок для напитков и аптеку без лекарств, упакованных в алюминиевую фольгу.

Значение алюминия для современной экономики сложно переоценить. Потребление алюминия в промышленности тесно связано с развитием наиболее высокотехнологичных производственных отраслей (автопром, авиация, аэрокосмические проекты, электроника и пр.).

Таким образом, потребление алюминия и алюминиевых сплавов косвенно характеризует уровень развития технологий и инновационность экономики в целом.

www.aluminas.ru

Алюминий — Большая советская энциклопедия

Алюми́ний

(лат. Aluminium)

Al, химический элемент III группы периодической системы Менделеева; атомный номер 13, атомная масса 26,9815; серебристо-белый лёгкий металл. Состоит из одного стабильного изотопа 27Al.

Историческая справка. Название А. происходит от латинского alumen — так ещё за 500 лет до н. э. назывались Алюминиевые квасцы, которые применялись как протрава при крашении тканей и для дубления кожи. Датский учёный Х. К. Эрстед в 1825, действуя амальгамой калия на безводный AlCl3 и затем отгоняя ртуть, получил относительно чистый А. Первый промышленный способ производства А. предложил в 1854 французский химик А. Э. Сент-Клер Девиль: способ заключался в восстановлении двойного хлорида А. и натрия Na3AICI6 металлическим натрием. Похожий по цвету на серебро, А. на первых порах ценился очень дорого. С 1855 по 1890 было получено всего 200 т А. Современный способ получения А. электролизом криолито-глинозёмного расплава разработан в 1886 одновременно и независимо друг от друга Ч. Холлом в США и П. Эру во Франции.

Распространённость в природе. По распространённости в природе А. занимает 3-е место после кислорода и кремния и 1-е — среди металлов. Его содержание в земной коре составляет по массе 8,80%. В свободном виде А. в силу своей химической активности не встречается. Известно несколько сотен минералов А., преимущественно алюмосиликатов (См. Алюмосиликаты). Промышленное значение имеют боксит (См. Бокситы), Алунит и Нефелин. Нефелиновые породы беднее бокситов глинозёмом, но при их комплексном использовании получаются важные побочные продукты: сода, поташ, серная кислота. В СССР разработан метод комплексного использования нефелинов. Нефелиновые руды в СССР образуют, в отличие от бокситов, весьма крупные месторождения и создают практически неограниченные возможности для развития алюминиевой промышленности (См. Алюминиевая промышленность).

Физические и химические свойства. А. сочетает весьма ценный комплекс свойств: малую плотность, высокие теплопроводность и электрическую проводимость, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Он легко поддаётся ковке, штамповке, прокатке, волочению. А. хорошо сваривается газовой, контактной и др. видами сварки. Решётка А. кубическая гранецентрированная с параметром а = 4,0413 Å. Свойства А., как и всех металлов, в значительной степени зависят от его чистоты. Свойства А. особой чистоты (99,996% ): плотность (при 20°С) 2698,9 кг/м3, tпл 660,24°С; tkип около 2500°С: коэффициент термического расширения (от 20° до 100°С) 23,86•10-6; теплопроводность (при 190°С) 343 вт/мК (0,82 кал/смсек°С), удельная теплоёмкость (при 100°С) 931,98 дж/кг К (0,2226•кал/г•°С); электропроводность по отношению к меди (при 20°С) 65,5%. А. обладает невысокой прочностью (предел прочности 50—60 Мн/м2), твёрдостью (170 Мн/м2 по Бринеллю) и высокой пластичностью (до 50% ). При холодной прокатке предел прочности А. возрастает до 115 Мн/м2, твёрдость — до 270 Мн/м2, относительное удлинение снижается до 5% (1 Мн/м2 — 0,1 кгс/мм2). А. хорошо полируется, анодируется и обладает высокой отражательной способностью, близкой к серебру (он отражает до 90% падающей световой энергии). Обладая большим сродством к кислороду, А. на воздухе покрывается тонкой, но очень прочной плёнкой окиси Al2O3, защищающей металл от дальнейшего окисления и обусловливающей его высокие антикоррозионные свойства. Прочность окисной плёнки и защитное действие её сильно убывают в присутствии примесей ртути, натрия, магния, меди и др. А. стоек к действию атмосферной коррозии, морской и пресной воды, практически не взаимодействует с концентрированной или сильно разбавленной азотной кислотой,с органическими кислотами, пищевыми продуктами.

Внешняя электронная оболочка Атома А. состоит из 3 электронов и имеет строение 3s23р. В обычных условиях А. в соединениях 3-валентен, но при высоких температурах может быть одновалентным, образуя т. н. субсоединения. Субгалогениды А., AIF и AlCl, устойчивые лишь в газообразном состоянии, в вакууме или в инертной атмосфере, при понижении температуры распадаются (диспропорционируют) на чистый Al и AlF3 или AlCl3 и поэтому могут быть использованы для получения сверхчистого А. При накаливании мелкоизмельчённый или порошкообразный А. энергично сгорает на воздухе. Сжиганием А. в токе кислорода достигается температура выше 3000°С. Свойством А. активно взаимодействовать с кислородом пользуются для восстановления металлов из их окислов (см. Алюминотермия). При тёмно-красном калении фтор энергично взаимодействует с А., образуя AIF3 (см. Алюминия фторид). Хлор и жидкий бром реагируют с А. при комнатной температуре, иод — при нагревании (см. Алюминия хлорид). При высокой температуре А. соединяется с азотом, углеродом и серой, образуя соответственно нитрид AIN, карбид Al4C3 и сульфид Al2S3. С водородом А. не взаимодействует; гидрид А. (AlH3)x получен косвенным путём. Большой интерес представляют двойные гидриды А. и элементов l и II групп периодической системы состава MeHn-nAlH3, т.н. алюмогидриды (см. Алюминия гидрид). А. легко растворяется в щелочах, выделяя водород и образуя Алюминаты. Большинство солей А. хорошо растворимо в воде. Растворы солей А. вследствие гидролиза показывают кислую реакцию (см. Алюминия сульфат, Алюминия нитрат).

Получение. В промышленности А. получают электролизом глинозёма Al2O3 (см. Алюминия окись), растворённого в расплавленном Криолите Na3AlF6 при температуре около 950°С. Используются электролизеры трёх основных конструкций: 1) электролизеры с непрерывными самообжигающимися анодами и боковым подводом тока, 2) то же, но с верхним подводом тока и 3) электролизеры с обожжёнными анодами. Электролитная ванна представляет собой железный кожух, футерованный внутри тепло- и электроизолирующим материалом — огнеупорным кирпичом, и выложенный угольными плитами и блоками. Рабочий объём заполняется расплавленным электролитом, состоящим из 6—8% глинозёма и 94—92% криолита (обычно с добавкой AlF6 и около 5—6% смеси фторидов калия и магния). Катодом служит подина ванны, анодом — погруженные в электролит угольные обожжённые блоки или же набивные самообжигающиеся электроды. При прохождении тока на катоде выделяется расплавленный А., который накапливается на подине, а на аноде — кислород, образующий с угольным анодом CO и CO2. К глинозёму, основному расходуемому материалу, предъявляются высокие требования по чистоте и размерам частиц. Присутствие в нём окислов более электроположительных элементов, чем А., ведёт к загрязнению А. При достаточном содержании глинозёма ванна работает нормально при электрическом напряжении порядка 4—4,5 в. Ванны присоединяют к источнику постоянного тока последовательно (сериями из 150—160 ванн). Современные электролизеры работают при силе тока до 150 ка. Из ванн А. извлекают обычно с помощью вакуум-ковша. Расплавленный А. чистотой 99,7% разливают в формы. А. высокой чистоты (99,9965%) получают электролитическим рафинированием первичного А. с помощью т. н. трёхслойного способа, снижающего содержание примесей Fe, Si и Cu. Исследования процесса электролитического рафинирования А. с применением органических электролитов показали принципиальную возможность получения А. чистотой 99,999% при относительно низком расходе энергии, но пока этот метод обладает низкой производительностью. Для глубокой очистки А. применяют зонную плавку или дистилляцию его через субфторид.

При электролитическом производстве А. возможны поражения электрическим током, высокой температурой и вредными газами. Для избежания несчастных случаев ванны надёжно изолируют, рабочие пользуются сухими валенками, соответствующей спецодеждой. Здоровая атмосфера поддерживается эффективной вентиляцией. При постоянном вдыхании пыли металлического А. и его окиси может возникнуть алюминоз лёгких (см. Пневмокониозы). У рабочих, занятых в производстве А., часты катары верхних дыхательных путей (Риниты, Фарингиты, Ларингиты). Предельно допустимая концентрация в воздухе пыли металлического А., его окиси и сплавов 2 мг/м3.

Применение. Сочетание физических, механических и химических свойств А. определяет его широкое применение практически во всех областях техники, особенно в виде его сплавов с др. металлами (см. Алюминиевые сплавы). В электротехнике А. успешно заменяет медь, особенно в производстве массивных проводников, например в воздушных линиях, высоковольтных кабелях, шинах распределительных устройств, трансформаторах (электрическая проводимость А. достигает 65,5% электрической проводимости меди, и он более чем в три раза легче меди; при поперечном сечении, обеспечивающем одну и ту же проводимость, масса проводов из А. вдвое меньше медных). Сверхчистый А. употребляют в производстве электрических конденсаторов и выпрямителей, действие которых основано на способности окисной плёнки А. пропускать электрический ток только в одном направлении. Сверхчистый А., очищенный зонной плавкой, применяется для синтеза полупроводниковых соединений типа AIIIBV, применяемых для производства полупроводниковых приборов. Чистый А. используют в производстве разного рода зеркал отражателей. А. высокой чистоты применяют для предохранения металлических поверхностей от действия атмосферной коррозии (плакирование, алюминиевая краска). Обладая относительно низким сечением поглощения нейтронов, А. применяется как конструкционный материал в ядерных реакторах.

В алюминиевых резервуарах большой ёмкости хранят и транспортируют жидкие газы (метан, кислород, водород и т. д.), азотную и уксусную кислоты, чистую воду, перекись водорода и пищевые масла. А. широко применяют в оборудовании и аппаратах пищевой промышленности, для упаковки пищевых продуктов (в виде фольги), для производства разного рода бытовых изделий. Резко возросло потребление А. для отделки зданий, архитектурных, транспортных и спортивных сооружений.

В металлургии А.. (помимо сплавов на его основе) — одна из самых распространённых легирующих добавок в сплавах на основе Cu, Mg, Ti, Ni, Zn и Fe. Применяют А. также для раскисления стали перед заливкой её в форму, а также в процессах получения некоторых металлов методом алюминотермии. На основе А. методом порошковой металлургии создан САП (спечённый алюминиевый порошок), обладающий при температурах выше 300°С большой жаропрочностью.

А. используют в производстве взрывчатых веществ (аммонал, алюмотол). Широко применяют различные соединения А.

Производство и потребление А. непрерывно растет, значительно опережая по темпам роста производство стали, меди, свинца, цинка.

Лит.: Беляев А. И., Вольфсон Г. Е., Лазарев Г. И..Фирсанова Л. А., Получение чистого алюминия, [М.], 1967; Беляев А. И., Рапнопорт Н.. Б., Фирсанова Л. А., Электрометаллургия алюминия, М., 1953; Беляев А. И., История алюминия, в сборнике: Труды института истории естествознания и техники, т. 20, М., 1959; Фридляндер И. Н., Алюминий и его сплавы, М., 1965.

Ю. И. Романьков.

Геохимия А. Геохимические черты А. определяются его большим сродством к кислороду (в минералах А. входит в кислородные октаэдры и тетраэдры), постоянной валентностью (3), слабой растворимостью большинства природных соединений. В эндогенных процессах при застывании магмы и формировании изверженных пород А. входит в кристаллическую решётку полевых шпатов, слюд и др. минералов — алюмосиликатов. В биосфере А. — слабый миграт, его мало в организмах и гидросфере. Во влажном климате, где разлагающиеся остатки обильной растительности образуют много органических кислот, А. мигрирует в почвах и водах в виде органо-минеральных коллоидных соединений; А. адсорбируется коллоидами и осаждается в нижней части почв. Связь А. с кремнием частично нарушается и местами в тропиках образуются минералы — гидроокислы А. — бёмит, диаспор, гидраргиллит. Большая же часть А. входит в состав алюмосиликатов — каолинита, бейделлита и др. глинистых минералов. Слабая подвижность определяет остаточное накопление А. в коре выветривания влажных тропиков. В результате образуются элювиальные бокситы. В прошлые геологические эпохи бокситы накапливались также в озёрах и прибрежной зоне морей тропических областей (например, осадочные бокситы Казахстана). В степях и пустынях, где живого вещества мало, а воды нейтральные и щелочные, А. почти не мигрирует. Наиболее энергична миграция А. в вулканических областях, где наблюдаются сильнокислые речные и подземные воды, богатые А. В местах смешения кислых вод с щелочными — морскими (в устьях рек и др.), А. осаждается с образованием бокситовых месторождений.

А. И. Перельман.

Алюминий в организме. А. входит в состав тканей животных и растений; в органах млекопитающих животных обнаружено от 10-3 до 10-5% А. (на сырое вещество). А. накапливается в печени, поджелудочной и щитовидной железах. В растительных продуктах содержание А. колеблется от 4 мг на 1 кг сухого вещества (картофель) до 46 мг (жёлтая репа), в продуктах животного происхождения — от 4 мг (мёд) до 72 мг на 1кг сухого вещества (говядина). В суточном рационе человека содержание А. достигает 35—40 мг. Известны организмы — концентраторы А., например плауны (Lycopodiaceae), содержащие в золе до 5,3% А., моллюски (Helix и Lithorina), в золе которых 0,2—0,8% А. Образуя нерастворимые соединения с фосфатами, А. нарушает питание растений (поглощение фосфатов корнями) и животных (всасывание фосфатов в кишечнике).

Лит.: Войнар А. О., Биологическая роль микроэлементов в организме животных и человека, 2 изд., М., 1960, с. 73—77.

В.В. Ковальский.

Источник: Большая советская энциклопедия на Gufo.me


Значения в других словарях

  1. алюминий — алюминий м. Химический элемент, серебристо-белый лёгкий ковкий металл, широко используемый в промышленности. Толковый словарь Ефремовой
  2. алюминий — -я, м. Химический элемент, серебристо-белый легкий ковкий металл. [От лат. alumen, aluminis — квасцы] Малый академический словарь
  3. Алюминий — Или глиний (хим. обозначение — Al; атомный вес 27,04) — металл, не найденный до сих пор в природе в свободном состоянии; зато в виде соединений, а именно силикатов, элемент этот повсеместно и широко распространен: он входит в состав массы горных пород. Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона
  4. алюминий — алюминий , -я Орфографический словарь. Одно Н или два?
  5. алюминий — АЛЮМИНИЙ (от лат. alumen, род. падеж aluminis — квасцы; лат. Aluminium) Al хим. элемент III гр. периодической системы, ат. н. 13, ат. м. 26,98154. В природе один стабильный изотоп 27Al. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 215∙10−25 м2. Химическая энциклопедия
  6. алюминий — Al, серебристо-белый металл, химический элемент III группы периодической системы (ат. н. 13, ат. масса 26.98). По распространённости занимает первое место среди металлов. В свободном виде в природе не встречается. Чистый алюминий впервые выделил в 1825… Техника. Современная энциклопедия
  7. АЛЮМИНИЙ — АЛЮМИНИЙ (символ Аl), металл серебристо-белого цвета, элемент третьей группы периодической таблицы. Впервые в чистом виде был получен в 1827 г. Наиболее распространенный металл в коре земного шара; главным источником его является руда — боксит. Научно-технический словарь
  8. алюминий — АЛЮМИНИЙ -я; м. [от лат. alumen (aluminis) — квасцы]. Химический элемент (Al), серебристо-белый лёгкий ковкий металл с высокой электропроводностью (применяемый в авиации, электротехнике, строительстве, быту и т.п.). Сульфат алюминия. Сплавы алюминия. Толковый словарь Кузнецова
  9. АЛЮМИНИЙ — АЛЮМИНИЙ (лат. Aluminium, от alumen — квасцы) — Al, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 13, атомная масса 26,98154. Серебристо-белый металл, легкий (2,7 г/см3) — пластичный, с высокой электропроводностью, tпл 660 °С. Большой энциклопедический словарь
  10. алюминий — АЛЮМИНИЙ, алюмний м. химич. щелочной металл глиний, основа глинозема, глины; также, как основа ржавчины, железо; а яри — медь. Алюминит м. ископаемое, похожее на квасцы, водный сернокислый глинозем. Алюнит м. ископаемое, весьма близкое к квасцам. Толковый словарь Даля
  11. алюминий — орф. алюминий, -я Орфографический словарь Лопатина
  12. Алюминий — Al (от лат. alumen — название квасцов, применявшихся в древности как протрава при крашении и дублении * a. aluminium; н. Aluminium; ф. aluminium; и. aluminio), — хим. элемент III группы периодич. системы Mенделеева, ат. н. 13, ат. м. 26,9815. Горная энциклопедия
  13. алюминий — Алюминия, мн. нет, м. [от лат. alumen – квасцы]. Серебристо-белый ковкий легкий металл. Большой словарь иностранных слов
  14. алюминий — АЛЮМ’ИНИЙ, алюминия, мн. нет, ·муж. (от ·лат. alumen — квасцы). Серебристо-белый ковкий легкий металл. Толковый словарь Ушакова
  15. алюминий — Алюми́н/ий/. Морфемно-орфографический словарь
  16. алюминий — Алюминий, алюминии, алюминия, алюминиев, алюминию, алюминиям, алюминий, алюминии, алюминием, алюминиями, алюминии, алюминиях Грамматический словарь Зализняка
  17. алюминий — АЛЮМИНИЙ, я, м. Химический элемент, серебристо-белый лёгкий ковкий металл, получаемый электролизом глинозёма. | прил. алюминиевый, ая, ое. Толковый словарь Ожегова
  18. алюминий — сущ., кол-во синонимов: 8 глиний 2 крылатый металл 1 легкий металл 1 люминий 1 металл 86 минерал 5627 серебристый металл 1 элемент 159 Словарь синонимов русского языка

gufo.me

Алюминиевые сплавы (литейные, деформируемые): применение, свойства, марки

Среди всех сплавов своими эксплуатационными качествами выделяются алюминиевые. Их применяют при производстве летательных аппаратов, возведении домов, выпуске наземного транспорта и морских судов. При этом выделяют довольно много недостатков, которыми обладают алюминиевые сплавы: мягкость, не очень высокая прочный, относительно невысокая устойчивость к воздействию повышенной влажности. Однако всего несколько основных положительных качеств определяет широкое распространение алюминиевых сплавов в самых различных областях промышленности. Рассмотрим все особенности данного материала подробнее.

Алюминиевые сплавы

Характеристики алюминиевых сплавов

Сплавы на основе алюминия могут обладать самыми различными характеристиками, так как при их получении проводится смешивание различных примесей. Именно поэтому рассматривая механические свойства алюминиевых сплавов следует уделить внимание тому, какие именно элементы входят в состав.

Для начала отметим классификацию материалов, которые получаются при соединении меди и алюминия. Они делятся на три основные группы:

  1. Действующие элементы медь и алюминий.
  2. Действующие элементы медь, магний и алюминий.
  3. Сочетание меди, алюминия и магния с добавлением легирующих элементов (в основном марганца).

Последняя группа сегодня получила довольно большое распространение, так как температура плавления алюминиевых сплавов, входящих в нее, довольно высока. Сплавы последней группы называют дюралюминием.

Слитки из алюминиевых сплавов
Алюминиевые сплавы

Рассматривая дюралюминий уделим внимание нижеприведенным моментам:

  1. В состав данного сплава входят железо и кремний. В большинстве случаев подобные легирующие элементы воспринимаются как вещества, ухудшающие эксплуатационные качества. В данном случае железо способствует повышению жаростойкости, а кремний позволяет с высокой эффективностью провести старение.
  2. Входящие в состав магний и марганец повышают прочность. За счет их включения в состав стало возможно использовать дюралюминий при производстве обшивочных листов для высокоскоростных поездов и летательных аппаратов или самолетов.

Часто встречается сплав, представляющий собой сочетание алюминия и магния. Технические характеристики подобного алюминиевого сплава зависят от того, сколько магния в составе.

Среди основных особенностей можно отметить нижеприведенные моменты:

  1. С увеличением концентрации магния повышается прочность, но уменьшается коррозионная стойкость.
  2. Прирост магния на 1% приводит к повышению прочности примерно на 30 000 Па.
  3. В большинстве сплавов не более 6% магния. Это связано с тем, что слишком большая концентрация станет причиной покрытия всей поверхности коррозией. Также большая концентрация марганца становится причиной неоднородности структуры, неравномерная нагрузка может стать причиной появления трещины или другой деформации.

Сочетание алюминия с марганцем практически не подвергают термической обработке. Это связано с тем, что даже при соблюдении условий проведения закалки существенно изменить эксплуатационные качества сплава не получится. Плотность алюминиевого сплава может колебаться в достаточно большом диапазоне: от 2 до 4 грамм на кубический сантиметр.

Рассматривая слав, прочность которого имеет рекордные показатели, следует уделить внимание сплаву алюминия с цинком и магнием. При применении современных технологий производства можно добиться качеств, которые будут характерны для титана. Среди особенностей подобного сплава отметим:

  1. Термическая обработка становится причиной растворения цинка, за счет чего предел прочности алюминиевого сплава возрастает в несколько раз.
  2. Применять подобный материал в электрической промышленности нельзя, так как прохождение электричества становится причиной существенного снижения коррозионной стойкости.
  3. Коррозионная стойкость в некоторых случаях повышается путем добавления меди, но все же она становится низкой.

В литейной промышленности весьма большое распространение получили алюминиевые сплавы, которые в своем составе имеют кремний. Тот момент, что при термической обработке кремний отлично растворяется в алюминии, позволяет использовать металл при фасонном или формовочном литье. Получаемые изделия хорошо обрабатываются резанием, а также обладают повышенной плотностью.

Очень редко встречаются смеси алюминия и железа, а также никеля. Это связано с тем, что подобные элементы зачастую применяются исключительно как легирующие вещества.

Примером можно назвать то, что железо добавляется в состав для упрощения процесса отделения детали от формы. В состав могут добавляться титан, который существенно повышает показатель прочности.

Подводя итоги по характеристикам алюминиевых сплавов можно отметить нижеприведенные моменты:

  1. Предел текучести может варьироваться в достаточно большом диапазоне.
  2. Температура плавления алюминия может изменяться в зависимости от того, какие применялись легирующие вещества.
  3. Прочность материала можно существенно повысить.
  4. Некоторые легирующие элементы снижают коррозионную стойкость, улучшая другие эксплуатационные качества. Именно поэтому проводится покрытие поверхности защитными веществами.

Из-за легкости и прочности, а также относительно высокой коррозионной стойкости алюминиевые сплавы получили достаточно широкое применение. Альтернативных материалов, которые обладают подобными свойствами и низкой стоимостью, практически нет.

Сферы применения

Алюминий и алюминиевые сплавы получили самое широкое применение, что связано с основными эксплуатационными качествами. Их применение во многом зависит от состава. Примером назовем следующие моменты:

  1. Изначально сплавы стали применяться при изготовлении элементов дирижаблей или самолетов, что связано с легкостью и прочностью.
  2. Сегодня за счет того, что состав определяет плавление при достаточно высоких температурах, сплавы стали применять при изготовлении скоростных поездов. Для снижения их веса применяется алюминиевые сплавы. При движении на большой скорости поверхность нагревается, но при этом не деформируется.
  3. Машиностроительная, пищевая и легкая промышленность, сфера производства бытовой техничек и электроники – применение алюминиевого сплава весьма обширно.

Алюминиевый прокат

Столь обширная сфера применения определена также тем, что процесс производства сплава весьма прост, получаемый материал не имеет высокой стоимости, а эксплуатационные качества могут быть изменены путем добавления различных легирующих элементов.

Классификация

Рассматривая виды алюминиевых сплавов следует отметить, что они могут классифицироваться по достаточно большому количеству признаков. Классификация алюминия его сплавов по типу вспомогательных элементов подразумевает выделение следующих основных групп:

  1. С добавлением присадок. В качестве присадки применяется просто огромное количество различных веществ, к примеру, магний, цинк, хром, кремний и другие.
  2. С добавлением интреметаллидов. Эту группу можно охарактеризовать добавлением соединением нескольких металлов, к примеру, меди и магния, лития и магния.

Специальные алюминиевые сплавы могут состоять из огромного количества элементов. Их добавление проводится для придания материалу особых эксплуатационных качеств.

В зависимости от выбранного метода металлообработки можно выделить:

  1. Деформируемые сплавы – твердые, из-за повышенной пластичности могут подвергаться обработки путем прессования или ковки. Для повышения эксплуатационных качеств может проводится дополнительная обработка.
  2. Литейные поступают на производство в жидком виде. Подобный материал легко поддается резке после отвердевания. Пример применения литейного сплава — изготовление корпусных деталей различной формы.

По степени прочности можно выделить несколько групп:

  1. Сверхпрочные.
  2. Среднепрочные.
  3. Малопрочные.

Кроме этого в отдельную группу принято выделять дуралюмины, которые обладают особыми эксплуатационными качествами.

Легкий алюминиевый сплав может иметь достаточно большое количество различных примесей. При этом химический состав отражается на маркировке.

Деформируемые алюминиевые сплавы

Довольно большое распространение деформируемых алюминиевых сплавов можно связать с тем, что при их применении процесс производства различных изделий существенно упрощается. Область применения следующая:

  1. Прокат.
  2. Штамповка.
  3. Ковка.
  4. Прессовка.
  5. Экструзия.

Деформируемые алюминиевые сплавы

В результате получаются различные заготовки или уже практически готовые детали с исключительными эксплуатационными качествами. После получения требующейся формы проводится отжиг, закалка или старение, которые позволяют существенно повысить показатель прочности.  Данный типа алюминия применяют для получения труб, листа или профиля.

Литейные алюминиевые сплавы

Технологии получения деталей и заготовок путем литья применяются на протяжении многих лет. Они хороши тем, что позволяют получать самые различные формы, которые могут иметь сложные поверхности. Сплавы на основе алюминия могут переходить в текучее состояние при более низких температурах, чем другие металлы. Именно поэтому процесс изготовления различных деталей существенно упрощается.

Среди других особенностей материала данной группы отметим:

  1. После формирования устойчивой кристаллической решетки полученную поверхность достаточно легко подвергать механической обработке.
  2. Получаемые заготовки рассматриваемым методом также хорошо поддаются обработке методом давления.

Литейные алюминиевые сплавы получили весьма широкое применение в различных отраслях промышленности, особенно тех, в которых нужно получать сложные корпусные детали. За счет литья по форме существенно упрощается дальнейшая механическая обработка.

Литейные алюминиевые сплавы

Основные требования, предъявляемые к литейным алюминиевым сплавом – сочетание хороших литейных свойств и оптимальных физико-механических качеств. Данную группу можно разделить на:

  1. Конструкционные герметичные. Этот тип материала характеризуется высокими литейными качествами, а также удовлетворительной коррозионной стойкостью и механической обрабатываемостью. Как правило, получаемые заготовки и изделия в дальнейшем не подвергаются термической обработке для повышения эксплуатационных качеств. Для изготовления средних и крупных деталей, которые зачастую представлены корпусами, достаточно часто проводится легирование состава.
  2. Высокопрочные и жаропрочные. Довольно часто подобный состав дополнительно легируется титаном, за счет чего обеспечиваются высокие эксплуатационные качества. Жаропрочность выдерживается в пределах 350 градусов Цельсия. Для упрочнения состава проводится закалка на протяжении достаточно длительного периода. Довольно часто подобный сплав применяется при получении крупногабаритных заготовок самого различного предназначения.
  3. Коррозионностойкие составы характеризуются тем, что обладают высокой коррозионной стойкостью при эксплуатации в самых различных агрессивных средах. Структура хорошо подается обработке методом резания и сваривания. Однако стоит учитывать относительно невысокие литейные свойства.

Последняя разновидность алюминиевых сплавов достаточно часто применяется при изготовлении деталей, которые будут эксплуатироваться при воздействии морской воды.

Принципы маркировки

Довольно большое количество сложностей возникает с определением марки материала. Маркировка алюминиевых сплавов проводится так, чтобы их можно было просто определить. Как правило, каждому составу присваивается свой номер, который может состоять из цифр и букв.

Среди особенностей маркировки можно отметить нижеприведенные моменты:

  1. Начинается маркировка с одной или нескольких букв, которые указывают на состав.
  2. Кроме этого марки имеют цифровой порядковый номер.
  3. В конце обозначения также может указываться цифра, которая указывает на особенности проведенной термической или иной обработки.

Разберем применяемые правила обозначений на конкретном примере сплава Д17П. Первая буква указывает на то, какой именно состав. В данном случае это дюралюминий. Все дюралюминии имеют определенный химический состав, однако концентрация основных элементов может существенно отличаться. Поэтому число 17 – порядковый номер, указывающий на конкретный материал (то есть с определенными качествами). В конце есть буква, которая применяется для обозначения полунагартованного сплава. Данный метод обработки предусматривает воздействие давления без предварительного нагрева сплава, а значит прочность будет вполовину меньше максимального значения.

В заключение отметим, что каждый состав обладает своими особыми физико-механическими качествами. Данные свойства определяют то, куда именно будет направлен материал для изготовления деталей или дальнейшей обработки. Наиболее важными свойствами принято считать пластичность, теплопроводность, электрическую проводимость и другие. Немаловажным фактором также является то, насколько качественно было проведено изготовление материала. Применение современных технологий позволяет с высокой точностью контролировать концентрацию тех или иных элементов, исключает вероятность появления различных дефектов. В большинстве случаев производство проводится в соответствии с ГОСТ и другими мировыми стандартами.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

stankiexpert.ru

Что такое алюминий и где его применяют?

Ещё сто лет назад этот металл ценился буквально на вес золота и даже ещё дороже, а сегодня из него штампуют кухонную утварь и пивные банки.

Речь идёт, конечно, об алюминии, который постепенно по уровню использования в различных отраслях промышленности приближается к стали.

Алюминий – что это за металл?

Когда речь заходит об алюминии, первое, что приходит на ум – это необычайно малый вес металла. Действительно, его плотность составляет примерно 2,7 г/куб. см (для сравнения: плотность железа – 7,874 г/куб. см).

Кроме того, алюминий является самым распространённым из всех металлов и третьим по распространённости химическим элементом (первые два – кислород и кремний). На долю алюминия приходится около 8% массы земной коры.

Немного истории

Алюминий стал известен человечеству довольно поздно: лишь во второй половине XIX века немецкому химику Веллеру удалось выделить чистый металл из хлорида алюминия, разогрев его смесь с калием до высокой температуры. Но ещё очень долго приобрести хотя бы небольшой кусочек серебристого металла могли себе позволить лишь очень состоятельные люди и богатые музеи, так как цена килограмма алюминия превышала стоимость равного количества золота.

Достаточно вспомнить богатый подарок, который сделали британские ученые знаменитому создателю периодической таблицы Д.И. Менделееву. Они преподнесли великому русскому химику лабораторные весы, изготовленные из алюминия и золота.

Как получают алюминий?

Основной трудностью в получении алюминия из руды являлась необходимость нагревать её до очень высокой температуры, превышающей 1900 градусов Цельсия. Длительное время, вплоть до ХХ столетия, металл не представлял никакого интереса для промышленности, несмотря на все свои замечательные качества, так как промышленное производство оставалось невероятно дорогим и сложным. Лишь после того, как были введены в действие мощные промышленные электростанции, началась эра массового использования алюминия.

Метод электролиза, требующий значительного расхода электроэнергии, был практически одновременно предложен двумя изобретателями – французом П. Эру и американцем Ч. Холлом – ещё в 1886 году. С некоторыми изменениями он используется в алюминиевой промышленности и сегодня. Измельчённую руду растворяют в расплавленном криолите, после чего подвергают расплав электролизу при помощи графитовых или коксовых электродов.

Для получения одной тонны металла необходимо затратить примерно 15 МВт*ч электроэнергии. Много ли это? Примерно столько же электричества расходует многоэтажный стоквартирный дом за месяц. Поэтому алюминиевые комбинаты всегда располагают вблизи крупных электростанций, чаще всего возле ГЭС или АЭС.

Свойства алюминия

Достаточно высокая сложность производства алюминия с лихвой окупается его великолепными свойствами:

  • лёгким весом, почти в три раза меньшим, чем у стали, благодаря чему снижается весовая нагрузка при изготовлении из него различных конструкций;
  • превосходной пластичностью, позволяющей простой штамповкой формовать из листового металла изделия сложной формы;
  • устойчивостью к коррозии благодаря тончайшей оксидной плёнке, защищающей его поверхность от окисления;
  • великолепной электропроводностью, позволяющей изготавливать из него лёгкие и дешёвые провода;
  • отличной ковкостью, лёгкостью обработки любыми способами, причём как в нагретом, так и в холодном состоянии;
  • способностью образовывать сплавы со многими металлами;
  • отсутствием намагничивания.

Детали и элементы различных механизмов, профилированная и штампованная продукция, многочисленная кухонная утварь и предметы быта, медицинские изделия, бытовая техника и многое другое изготавливается сегодня из алюминия. Впрочем, металл очень редко используется в чистом виде, так как его сплавы с другими металлами, как правило, обладают гораздо более ценными и нужными свойствами.

Даже небольшое количество другого металла существенно изменяет свойства алюминия. Сегодня он широко используется в строительстве, электронной промышленности, электротехнике, авиации, автомобилестроении, энергетике, пищепроме, машиностроении и в ряде других, не менее важных отраслей.

www.vseznaika.org

состав, свойства, применение различных марок сплава

Для производства различных деталей и вещей может использоваться дюралюминий. Данный материал получил свое название от города, в котором он был создан. Отличия дюрали от алюминия заключаются в химическом составе, который оказывает влияние на основные эксплуатационные качества. Рассмотрим особенности данного сплава подробнее.

Дюралюминий

Химический состав

Появление дюралюминия связывают с немецкой компанией, которая расположена в городе Дюрен. Специалисты этой компании занимались разработкой нового сплава, и ошибочно провели смешивание ранее не используемых компонентов. После проведения предварительных тестов они были удивлены тем, какого смогли добиться результата, но изначально посчитали их ошибочными. Спустя некоторое время они повторили свой эксперимент и добились еще более высоких результатов.

Алюминий и дюралюмин, в первую очередь, отличаются друг от друга химическим составом. Дюралюминий обладает следующим составом:

  1. 4-5% меди;
  2. 93% алюминия;
  3. 2-3% других легирующих элементов, которые добавляются для придания сплаву особых качеств.

Состав различных марок дюрали

Долгое время дюралюмин изготавливался при обычных условиях, что определяло некачественное соединение элементов. Начавшаяся война сделала данный металл стратегически важным, что привело к поиску более эффективных методов соединения всех компонентов. Результатом данных исследований стали следующие технологические особенности процесса:

  1. Нагрев проводится при температуре до 500 градусов Цельсия.
  2. На разогрев уходит около 3-х часов.
  3. Проводится быстрое охлаждение водой или селитрой для повышения прочности.

Состав дюралюминия может существенно меняться —  все зависит от особенностей применяемой технологии производства.

Наиболее распространенная марка Д16 имеет следующий химический состав:

  1. Основная часть дюралюминия во всех случая представлена алюминием, на который приходится 90-94% от общей массы.
  2. В состав добавляется достаточно большое количество меди (3,8-4,9%).
  3. Обязательным условием можно назвать добавление в равных частях кремния и железа, примерно по 0,5%.
  4. В состав входит цинк (не более 2,5%).
  5. Добавляется фиксированное значение магния — 1,8%.

Остальные компоненты представлены хромом, марганцем, титаном, которые берутся примерно по 1%.

Получаемый дюралюминий при подобном химическом составе обладает достаточно высоким показателем мягкости. Именно поэтому Д16 зачастую применяется в качестве полуфабрикатов при производстве штамповок.

Не только состав сплава дюрали оказывает влияние на основные технологические свойства. Вместе со специфической подборкой компонентов применяются технология искусственного старения, которая заключается в закалке.Для повышения прочности и твердости поверхности сплав подвергается термической обработке с охлаждением.

Технологические свойства дюрали

В зависимости от химического состава и применяемого метода изготовления технологические свойства дюрали могут существенно отличаться. ГОСТа именно для этого металла пока нет.

Сразу после появления дюралюминия его назвали самым подходящим материалом для строительства дирижаблей и самолетов.

Среди технологических свойств следует отметить нижеприведенные моменты:

  1. Низкая стоимость, которая обуславливается простой технологией производства. Тот момент, что компоненты не нужно разогревать до экстремально высоких температур определяет существенное удешевление материала. Также на стоимости благоприятно отражается возможность проведения производства в обычной среде.
  2. Небольшой вес. Рассматривая химический состав можно отметить, что большая часть состава представлена алюминием. Этот металл известен своей легкостью.
  3. Высокие показатели температуры плавления позволили использовать сплав дюраль при производстве различных элементов самолетов и другой техники. Температура плавления дюралюминия около 650 градусов Цельсия. При этом обычный алюминий плавится уже при более низких температурах, что приводит к изменению основных технологических качеств и деформации изделий.
  4. Плотность дюралюминия составляет 2,5 грамма на кубический сантиметр (у стали на каждый кубический сантиметр приходится 8 грамм). Именно этот показатель определяет существенно снижение веса изготавливаемых деталей. Данный показатель может варьироваться в относительно небольшом диапазоне, достигать значения 2,8 грамм на кубический сантиметр.
  5. Статическая прочность дюралюминия достаточно высока, что определяет устойчивость к разовой нагрузке. Именно поэтому сплав применяется при изготовлении различных ответственных деталей. Проведенные исследования указывают на то, что разрушить подобный материал довольно сложно.

Однако есть и один недостаток – относительно невысокая устойчивость к воздействию повышенной влажности. Разрушение сплава блокируют путем нанесения защитного покрытия, что несколько повышает стоимость сплава.

Детали из дюрали

Дюралюминий Д16 получил достаточно широкое распространение. Отличные эксплуатационные качества он демонстрирует при температуре не выше 250 градусов Цельсия. Стоит учитывать, что уже при температуре 80 градусов Цельсия появляются признаки образования межкристаллической коррозии.

В последнее время в чистом виде дюралюминий практически не применяется. Это связано не только с высокой вероятностью появления коррозии, но и другими недостатками алюминиевого сплава. Для повышения эксплуатационных качеств сегодня выполняют следующее улучшение:

  1. Закалку в естественных условиях. При маркировке указывается буква «Т».
  2. Выполняют процедуру искусственного старения, что также отражается на маркировке «Т1».
  3. Анодирование и покрытие поверхности специальными лаками (в маркировке указывают букву «А»).

Снижение коррозионной стойкости происходит не только по причине повышения температуры, но и механического воздействия. Именно поэтому уделяется внимание дополнительным процедурам увеличения эксплуатационных качеств.

Более высокими эксплуатационными качествами обладает сплав под названием ВД95. Кроме этого, данная разновидность сплава проходит процедуру старения, за счет чего существенно повышается потенциал этой разновидности дюралюминия.

Область применения

Тугоплавкость дуралюмина марки ВД95 определяет его широкое применение не только в сфере авиастроения, но и изготовления скоростных поездов, которые постепенно становятся самым распространенным транспортным средством в Европе и Азии. Это связано с тем, что при движении на большой скорости из-за возникающего трения поверхность может сильно нагреваться. Слишком высокая пластичность из-за перестроения кристаллической решетки становится причиной деформации поверхности при механическом воздействии. Также применение дюралюминия представлено производством прутков, заклепок, болтов и других крепежных материалов.

Дюралюминий в авиастроении
Дюралюминий в строительстве

Несмотря на тугоплавкость, есть возможность проводить сварочные работы с помощью аргона. Данный процесс настолько прост, что его можно провести в собственном гараже. В различных отраслях машиностроения дюралюминий применяется для получения изоляционных материалов. Примером можно назвать появление фольги толщиной около 0,2 миллиметров, которая применяется в качестве отражающего слоя при производстве изоляции.

В пищевой промышленности фольга из дюралюминия встречается довольно часто — ее используют для оборачивания конфет.

Сплав получил широкое применение и в буровой отрасли. Это связано с уникальным сочетанием нижеприведенных качеств:

  1. Легкость.
  2. Прочность.
  3. Стойкость к повышенным температурам и влажности.

Изготавливаемые буры из дюралюминия отлично справляются с гашением вибрации.

В заключение отметим, что широкая область применения определена особыми эксплуатационными качествами и относительно невысокой стоимостью материала. Кроме этого отметим, что сегодня алюминий в чистом виде стали использовать намного реже.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

stankiexpert.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *