Алюминий — состав, структура, свойства, процесс плавления

Алюминий — состав, структура, свойства, процесс плавления

Кусок чистого алюминия

Алюминий — очень редкий минерал семейства меди-купалита подкласса металлов и интерметаллидов класса самородных элементов. Преимущественно в виде микроскопических выделений сплошного мелкозернистого строения. Может образовывать пластинчатые или чешуйчатые кристаллы до 1 мм., отмечены нитевидные кристаллы длиной до 0,5 мм. при толщине нитей несколько мкм. Лёгкий парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке.

Состав и структура алюминия

Алюминий – это самый распространенный в земной коре металл. Его относят к легким металлам. Он обладает небольшой плотностью и массой. Кроме того, у него довольно низкая температура плавления. В то же время он обладает высокой пластичностью и показывает хорошие тепло- и электропроводные характеристики.

Предел прочности чистого алюминия составляет всего 90 МПа. Но, если в расплав добавить некоторые вещества, например, медь и ряд других, то предел прочности резко вырастает до 700 МПа. Такого же результат можно достичь, применяя термическую обработку.

Алюминий, обладающий предельно высокой чистотой – 99,99% производят для использования в лабораторных целях. Для применения в промышленности применяют технически чистый алюминий. При получении алюминиевых сплавов применяют такие добавки, как – железо и кремний. Они не растворяются в расплаве алюминия, а из добавка снижает пластичность основного материала, но в то же время повышает его прочность.

Внешний вид простого вещества

Структура этого металла состоит из простейших ячеек, состоящих из четырех атомов. Такую структуру называют гранецентрической.

Проведенные расчеты показывают, что плотность чистого металла составляет 2,7 кг на метр кубический.

Марки алюминиевых сплавов

Для маркировки алюминиевых сплавов согласно ГОСТ 4784-97 пользуются буквенно-цифровой системой, в которой:

• А — технический алюминий;
• Д — дюралюминий;
• АК — алюминиевый сплав, ковкий;
• АВ — авиаль;
• В — высокопрочный алюминиевый сплав;
• АЛ — литейный алюминиевый сплав;
• АМг — алюминиево-магниевый сплав;
• АМц — алюминиево-марганцевый сплав;
• САП — спеченные алюминиевые порошки;
• САС — спеченные алюминиевые сплавы.

После первого набора символов указывается номер марки сплава, а следом за номером — буква, которая обозначает его состояние:

• М — сплав после отжига (мягкий);
• Т — после закалки и естественного старения;
• А — плакированный (нанесен чистый слой алюминия);
• Н — нагартованный;
• П — полунагартованный.

Где применяется

Применение легкого и прочного металла необходимо не только в авиации.

В пуленепробиваемых и бронированные стеклах, экранчиках смартфонов присутствует сапфир. У таких стекол высокая прочность на сжатие.

Из алюминия делают фольгу, которую используют в электрических конденсаторов. Домохозяйки с удовольствием запекают в фольге вкусняшки для домашних. Кастрюли, сковородки, другие изделия для домашнего хозяйства производят из «крылатого металла».

Тонко молотый порошок металла используют для производства прочной краски.

Вы удивитесь, но алюминиевая кастрюлька в кухне, самолет и перстень с сапфиром — родня. В каждом есть наш герой.

Оксид алюминия — это корунд. А к ним относятся сапфиры, рубины, изумруды — все эти короли драгоценных камней содержат алюминий. Сам корунд используют как наждак.

Процесс производства

Технологический процесс получения данного металла включает в себя три этапа:

1. Получение глинозема из первичного сырья (содержащие алюминий руды).
2. Создание из получившегося глинозема технического алюминия.
3. Процесс максимальной очистки металла.

Получение оксида алюминия происходит из глинозема под действием электролиза. Соединение должно быть максимально чистым, поскольку на этом этапе его получения весьма проблематично избавиться от ненужных примесей.

Чтобы получить алюминий с чистотой приближенной к единице, необходимо организовать несколько цехов для его обработки, каждый из которых будет отвечать за определенный этап производства. Именно поэтому чистый металл имеет достаточно высокую цену, которая достигает до 1700 долларов за 1 т (1000 кг алюминия).

Получение

Алюминий находится на первом месте среди металлов и на третьем среди всех элементов по распространённости в земной коре. Приблизительно 8% массы земной коры составляет именно этот металл. Алюминий содержится в тканях животных и растений в качестве микроэлемента. В природе он встречается в связанном виде в форме горных пород, минералов. Каменная оболочка земли, находящаяся в основе континентов, формируется именно алюмосиликатами и силикатами.

Алюмосиликаты – это минералы, образовавшиеся в результате вулканических процессов в соответствующих условиях высоких температур. При разрушении алюмосиликатов первичного происхождения (полевые шпаты) сформировались разнообразные вторичные породы с более высоким содержанием алюминия (алуниты, каолины, бокситы, нефелины). В состав вторичных пород алюминий входит в виде гидроокисей или гидросиликатов. Однако не каждая алюминийсодержащая порода может быть сырьём для глинозёма – продукта, из которого при помощи метода электролиза получают алюминий.

Наиболее часто алюминий получают из бокситов. Залежи этого минерала распространены в странах тропического и субтропического пояса. В России также применяются нефелиновые руды, месторождения которых располагаются в Кемеровской области и на Кольском полуострове. При добыче алюминия из нефелинов попутно также получают поташ, кальцинированную соду, цемент и удобрения.

В бокситах содержится 40-60% глинозёма. Также в составе имеются оксид железа, диоксид титана, кремнезём. Для выделения чистого глинозёма используют процесс Байера. В автоклаве руду нагревают с едким натром, охлаждают, отделяют от жидкости «красный шлам» (твёрдый осадок). После осаждают гидроокись алюминия из полученного раствора и прокаливают её для получения чистого глинозёма. Глинозём должен соответствовать высоким стандартам по чистоте и размеру частиц.

Из добытой и обогащённой руды извлекают глинозём (оксид алюминия). Затем методом электролиза глинозём превращают в алюминий. Заключительным этапом является восстановление процессом Холла-Эру. Процесс заключается в следующем: при электролизе раствора глинозёма в расплавленном криолите происходит выделение алюминия. Катодом служит дно электролизной ванны, а анодом – угольные бруски, находящиеся в криолите. Расплавленный алюминий осаждается под раствором криолита с 3-5% глинозёма. Температура процесса поднимается до 950°С, что намного превышает температуру плавления самого алюминия (660°С). Глубокую очистку алюминия проводят зонной плавкой или дистилляцией его через субфторид.

Виды алюминиевых сплавов

Алюминий, а также сплавы на его основе создаются из металлической руды, которая делится на несколько видов:

• Первичная.
• Техническая.
• Литейная.
• Деформируемая.
• Антифрикционная.

По методу использования вещества делятся на деформируемые и литейные. Деформированные отличаются повышенной пластичностью после термообработки. Литейные могут хорошо заполнять формы для отливки.

Пластичные вещества отличаются устойчивостью к коррозии, хорошей свариваемостью. Прочность сплава из алюминия зависит от количества используемой меди. Если добавляется 6% вещества для легирования, устойчивость к механическим воздействиям увеличиваются приблизительно на 30 МПа, текучесть повышается на 20 МПа.

Показатель относительного удлинения немного снижается в таких условиях, но не превышает пределы 35%. Если количество магния превышает 6%, структура материала становится нестабильной, уменьшается устойчивость к коррозии. Чтобы улучшить характеристики, в соединение добавляют такие элементы:

• Марганец.
• Кремний.
• Хром
• Титан.
• Ванадий.

Добавление меди и железа плохо сказываются на состоянии алюминиево-магниевых соединений. Показатель свариваемости и стойкости к воздействию ржавчины ухудшается.

Добавление марганца позволяет повышать пластичность. Для создания мелкозернистой структуры проводится легирование с помощью титана. Чтобы состояние вещества было стабильным, добавляется марганец. Кремний и железо являются главными примесями марганцевых соединений.

Добавки из алюминия, меди, кремния применяются при производстве втулочных подшипников, блоков цилиндров. Из-за твердой поверхности приработка требует продолжительных усилий.

После легирования медью повышается термостойкость. Даже низкоуглеродистая сталь не так устойчива к температурному воздействию. Такой продукт неустойчив к воздействию коррозии, поэтому требует обработки и полимеризации. Алюминиево-медное соединение модифицируется с помощью таких материалов:

• Кремний.
• Магний.
• Марганец.
• Железо.

Магний сильно повышает прочность металла, придаёт текучесть. Жаропрочность соединения увеличивается после добавления никеля и железа. Стимулируется процесс искусственного старения.

Добавление кремния помогает получить вещество, которое называется силумином. Качественные характеристики соединения повышаются небольшим количеством натрия и никеля. Такие материалы используются для декоративного литья, производства корпусов механизмов и деталей бытовой техники. Они применяются в таких отраслях, благодаря хорошим литейным характеристикам.

Алюминий, магний и цинк удобно обрабатывать, такой материал отличается устойчивостью к механическим воздействиям. Эти характеристики обеспечивает хорошая растворимость цинка и магния. Под воздействием холода такое свойство заметно снижается. Материал неустойчив к коррозии, поэтому требуется дополнительное легирование с помощью меди.

Применение

Механические свойства алюминия не столь хороши, чтобы применять его в чистом виде. Поэтому чаще всего используются сплавы на основе данного вещества. Таких много, можно назвать самые основные.

1. Дюралюминий.
2. Алюминиево-марганцевые.
3. Алюминиево-магниевые.
4. Алюминиево-медные.
5. Силумины.
6. Авиаль.

Основное их отличие — это, естественно, сторонние добавки. Во всех основу составляет именно алюминий. Другие же металлы делают материал более прочным, стойким к коррозии, износоустойчивым и податливым в обработке.

Можно назвать несколько основных областей применения алюминия как в чистом виде, так и в виде его соединений (сплавов).

1. Для изготовления проволоки и фольги, используемой в быту.
2. Изготовление посуды.
3. Самолетостроение.
4. Кораблестроение.
5. Строительство и архитектура.
6. Космическая промышленность.
7. Создание реакторов.

Вместе с железом и его сплавами алюминий — самый важный металл. Именно эти два представителя периодической системы нашли самое обширное промышленное применение в руках человека.

Получение и применение алюминия

Алюминий достаточно трудно выделить из природных соединений химическим способом, что объясняется высокой прочностью связей в оксиде алюминия, поэтому, для промышленного получения алюминия применяют электролиз раствора глинозема Al₂O₃ в расплавленном криолите Na₃AlF₆. В результате процесса алюминий выделяется на катоде, на аноде — кислород:

Исходным сырьем служат бокситы. Электролиз протекает при температуре 1000°C: температура плавления оксида алюминия составляет 2500°C — проводить электролиз при такой температуре не представляется возможным, поэтому оксид алюминия растворяют в расплавленном криолите, и уже затем полученный электролит используют при электролизе для получения алюминия.

Применение алюминия:

• алюминиевые сплавы широко применяются в качестве конструкционных материалов в автомобиле-, самолето-, судостроении: дюралюминий, силумин, алюминиевая бронза;
• в химической промышленности в качестве восстановителя;
• в пищевой промышленности для изготовления фольги, посуды, упаковочного материала;
• для изготовления проводов и проч.

Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию 🙂 Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:

Код кнопки:
Политика конфиденциальности Об авторе