Алюминий – металл серебристо-белого цвета, востребованный в различных отраслях, включая промышленность, строительство и даже быт. Это обусловлено удачным сочетанием его механических и технологических свойств.
Он выделяется своей небольшой плотностью при достаточной прочности, устойчивостью к коррозии и перепадам температур. В периодической системе элементов Менделеева алюминий (Al) занимает 13-е место. Важно отметить, что этот элемент – один из самых распространенных в земной коре, уступая лишь кислороду и кремнию, и составляет около 8% её массы. Для сравнения, содержание золота в земной коре – ничтожно мало.
Промышленные способы получения алюминия
Еще в XVI веке Парацельс выдвинул гипотезу о существовании этого металла, выделив "квасцовую землю" из квасцов. Он обнаружил оксид металла, ранее неизвестный и вызвавший его интерес. В следующем столетии немецкий химик Маргграф повторил эти опыты и дал название новому элементу, производное от латинского "alumen" (квасцы). Однако экономически выгодный способ промышленного производства алюминия был найден только в конце XIX века.
Мне кажется, важно помнить, что разработка эффективных методов получения алюминия стала настоящим прорывом, который открыл дорогу для широкого применения этого металла. До этого момента он был, по сути, драгоценным.
В качестве сырья для получения алюминия в основном используют бокситы – осадочные породы, образовавшиеся в результате разрушения алюмосиликатов. В России алюминий получают также из нефелиновых руд, добываемых на Кольском полуострове и в Кемеровской области. Примечательно, что добыча алюминия из нефелиновых руд позволяет получать попутные продукты: портландцемент, соду и удобрения.
Наиболее распространенная технология получения глинозема (оксида алюминия) из бокситов – щелочной метод Байера, разработанный российскими учеными в конце XIX века. В результате получают Al2O3 – химически стойкое вещество с температурой плавления +2050°C. Металлический алюминий высокой чистоты получают электролитическим восстановлением оксида. Для производства особо чистого алюминия применяют трехслойный электролиз. Дополнительную очистку проводят с использованием рафинирующего электролиза с применением алюминийорганических соединений, зонной плавки или дистилляции субфторидов.
Ключевые характеристики алюминия
Химическая активность алюминия снижается из-за образования на его поверхности прочной оксидной пленки, предотвращающей коррозию как полуфабрикатов, так и готовых изделий.
Рассмотрим основные физические свойства:
- Плотность: 2,7 г/см³, что значительно меньше, чем у железа (7,85 г/см³).
- Температура плавления: +600°C, опять же ниже, чем у железа (+1535°C).
- Высокая электро- и теплопроводность.
- Парамагнетизм (слабое притяжение к магниту только в магнитном поле).
- Гранецентрированная кубическая кристаллическая структура.
Присутствие примесей, таких как кремний, цинк, титан, железо и медь, может влиять на физические и технологические характеристики алюминия. Повышение чистоты алюминия улучшает его электро- и теплопроводность, а также коррозионную стойкость, что, однако, увеличивает его стоимость. Предел прочности после холодной пластической деформации составляет 150 МПа, а относительное удлинение – 50%.
Алюминий хорошо поддается формовке, механической обработке и различным видам сварки. Для повышения коррозионной стойкости детали и конструкции подвергают анодированию – электрохимическому процессу, создающему плотную оксидную пленку.
Анодирование – это отличный способ защиты алюминиевых деталей от воздействия окружающей среды. Это не только повышает их срок службы, но и позволяет придать им декоративный вид.
Рассмотрим также химические свойства алюминия:
- Химическая активность: в порошкообразном состоянии и при высоких температурах алюминий активно взаимодействует с кислородом, фосфором, серой, азотом, йодом и углеродом. При комнатной температуре он реагирует с бромом, хлором и щелочами.
- Алюминий образует интерметаллические соединения (алюминиды) при взаимодействии с другими металлами.
- Наличие плотной оксидной пленки обеспечивает устойчивость к коррозии в атмосферных условиях, пресной и морской воде, а также нейтральность к органическим кислотам и разбавленной или концентрированной азотной кислоте (HNO3). При отсутствии оксидной пленки алюминий активно реагирует с водой.
Классификация алюминия по чистоте
Уровни чистоты определяются процентным содержанием основного компонента:
- Технический алюминий: 99,5 – 99,79%.
- Алюминий высокой чистоты: 99,8 – 99,949%.
- Сверхчистый алюминий: 99,95 – 99,9959%.
- Особо чистый алюминий: 99,9960 – 99,9990%.
- Ультрачистый алюминий: более 99,999%.
Алюминий технической чистоты широко применяется в промышленности благодаря своим физическим свойствам. Из него изготавливают листы, трубы, плиты, прутки и профили, используемые для создания элементов конструкций, не подвергающихся значительным нагрузкам. Высокочистые материалы используются для производства фольги и проводников.
Разновидности алюминиевых сплавов
Алюминий чаще всего используется в виде сплавов, которые делятся на деформируемые и литейные.
Деформируемые сплавы
Эти сплавы хорошо поддаются обработке на различных этапах, сочетая в себе прочность и пластичность. Они используются для изготовления листового материала, стержней, труб, кованых и штампованных изделий методами прокатки, волочения, прессования и ковки. Сплавы этой группы делятся на термически упрочняемые и термически неупрочняемые.
Одним из известных сплавов является дюралюмин (Al-Cu-Mg), часто с добавлением марганца для повышения коррозионной стойкости. Ранее популярный сплав Д1 постепенно заменяется более современным Д16. В Европе и США широко используются марки 2017, 2024, 2117. Листы из дюралюмина для повышения коррозионной стойкости плакируют – покрывают слоем чистого алюминия.
Еще один представитель этой группы – авиаль (АВ), применяемый в авиастроении. Хотя он немного уступает дюралюмину по прочности, он превосходит его по пластичности при нормальных и повышенных температурах. Авиаль хорошо обрабатывается режущими инструментами и сваривается аргонодуговой или контактной сваркой.
Высокопрочные алюминиевые сплавы превосходят дюралюмин по прочности, но уступают ему в пластичности. Сплав В95 используется в авиастроении для конструкций, работающих при температурах выше +100°C. Он хорошо поддается точечной сварке и обработке режущими инструментами.
Литейные сплавы
Алюминиевые сплавы для фасонного литья должны обладать хорошей жидкотекучестью, минимальной усадкой, устойчивостью к образованию горячих трещин и коррозии. В их составе больше легирующих элементов, чем в деформируемых. Широко используются сплавы Al-Si, Al-Cu, Al-Mg с добавлением марганца, хрома и никеля.
Использование алюминия и его сплавов в транспорте
Современное транспортное строительство невозможно представить без использования алюминиевых материалов, сочетающих в себе прочность, пластичность, низкую плотность и стойкость к коррозии.
Авиастроение
В российском авиастроении используются высокопрочные и термостойкие сплавы на основе алюминия, цинка, магния и меди. Менее прочные сплавы без цинка применяются для создания киля, крыльев и фюзеляжа. Для гидросамолетов часто выбирают магнийсодержащие сплавы АМг5, АМг6, обладающие хорошей свариваемостью, а также сплавы В92, 1915, 1420.
Космическая техника
В этой области применяются алюминиевые сплавы, стабильные при низких температурах. Из сплава 2219, пригодного для работы в криогенных условиях (жидкий кислород, гелий, водород), изготавливались плиты для космических "Шаттлов". Емкости для жидкого водорода делают из сплава на основе алюминия и лития 2090.
Алюминий в судостроении
В судостроении алюминий и его сплавы играют важную роль в создании легких и прочных конструкций. Их используют для производства корпусов судов, надстроек, палуб, а также различного оборудования и коммуникационных систем. Замена стали на алюминий позволяет значительно снизить вес корабля, что положительно сказывается на его маневренности и скорости. Особой популярностью в этой отрасли пользуются сплавы, содержащие магний и марганец, благодаря их повышенной прочности и коррозионной стойкости в морской воде.
Применение алюминия на железной дороге
Железнодорожная отрасль предъявляет высокие требования к материалам, используемым для производства оборудования и инфраструктуры. Алюминий и его сплавы соответствуют этим требованиям благодаря своей износостойкости и устойчивости к коррозии. Они применяются для изготовления контейнеров, предназначенных для транспортировки различных видов сырья, включая нефть и нефтепродукты.
Использование алюминиевых сплавов для изготовления цистерн – это отличное решение, учитывая, что они легче стальных. Это позволяет увеличить полезную нагрузку и снизить затраты на топливо при транспортировке. А еще алюминий не ржавеет!
Алюминий в автомобилестроении
В автомобилестроении алюминий применяется для изготовления кузовных деталей, двигателей и других компонентов. Это обусловлено его малой плотностью, прочностью и устойчивостью к коррозии. Использование алюминия позволяет снизить вес автомобиля, что приводит к улучшению топливной экономичности и динамических характеристик. Кроме того, из алюминия изготавливают емкости для перевозки опасных грузов, таких как жидкости и газы под высоким давлением.
Роль алюминия в металлургии
Алюминий – активный металл, который нашел применение в металлургии в качестве восстановителя при производстве других металлов, таких как кальций, хром и марганец. Кроме того, алюминий используется в процессе десульфурации стали, когда добавляется несортовой материал для удаления кислорода из расплавленного металла. Этот процесс существенно улучшает характеристики стали, делая её более прочной и устойчивой к различным воздействиям. В заключение можно отметить, что алюминий и его сплавы являются незаменимыми материалами в современной промышленности. Благодаря своим уникальным свойствам они находят широкое применение в различных отраслях, от судостроения до металлургии, способствуя повышению эффективности и безопасности производственных процессов.
Автор статьи — инженер-технолог Сергей Кузнецов.