Для чего применяется алюминий
Алюминий: свойства, применение, виды, способы получения
Алюминий – металлический элемент серебристо-белого цвета, его механические характеристики и технологические свойства обеспечивают широкое применение в различных отраслях промышленности, строительстве и быту.
Алюминий сочетает малую плотность и прочность, устойчивость к коррозии и резким температурным перепадам. В периодической таблице Менделеева обозначается как Al, атомный номер – 13. Этот элемент распространен в земной коре, по содержанию в ней занимает третье место после кислорода и кремния. В недрах его содержится примерно 8%. Для сравнения – золото в земной коре присутствует в количестве, равном всего миллионным долям процента.
Технологии промышленного получения алюминия
Впервые о существовании этого металла в 16 веке догадался Парацельс, выделивший из квасцов «квасцовую землю». В нейон выявил оксид неизвестного на тот момент металла, очень заинтересовавший ученого. В 18 веке его опыты повторил немецкий химик Маргграф, который и дал имя новому элементу. В переводе с латыни переводится как «вяжущий». Только в конце позапрошлого века был найден экономически выгодный способ промышленного получения алюминия.
Чаще всего этот металл получают из бокситов –вторичных пород. Они образовались при распаде алюмосиликатов первичного происхождения, которые, в свою очередь, сформировались в высокотемпературных условиях вулканических извержений. В России алюминий выделяют из нефелиновых руд, добываемых на Кольском полуострове и в Кемеровской области. Вторичные продукты добычи Al из нефелиновых руд: портландцемент, сода, удобрения.
Популярная технология получения глинозема (оксида алюминия) из бокситов – щелочной метод Байера, разработанный российскими учеными в конце 19 века. Полученный в результате этого процесса оксид Al2O3 – прочное химическое соединение, плавящееся при +2050°C. Металл в чистом виде получают электролизным восстановлением оксида. ОсобочистыйAlполучают трехслойным электролизом. Дополнительную очистку, если такая требуется, проводят рафинирующим электролизом с электролитом из алюмоорганических соединений, а также с помощью зонного плавления или дистилляции через субфторид.
Основные свойства алюминия
Этот элемент химически активен, но образующаяся на его поверхности плотная оксидная пленка защищает полуфабрикаты и готовые изделия от коррозионного разрушения.
Для алюминия характерны следующие физические свойства:
Основные естественные примеси, присутствующие в Al после восстановления из оксида (кремний, цинк, титан, железо, медь), влияют на физические и технологические параметры металла. Чем он чище, тем выше его электропроводность, теплопроводность, коррозионная стойкость и, конечно, цена. Основные механические параметры: предел прочности после холодного пластического деформирования– 150 МПа, относительное удлинение – 50%.
Alлегко формуется, поддается механической обработке, сваривается различными видами сварки. Для повышения коррозионной стойкости поверхность деталей и конструкций анодируют. Анодирование – электрохимический процесс создания толстой оксидной пленки.
Химические характеристики металла алюминия:
Виды алюминия по степени очистки
В зависимости от процентного содержания основного элемента принята следующая классификация степеней чистоты:
Алюминий технической чистоты имеет широкое применение в промышленности, где важны его главные физические свойства – небольшая плотность, электро- и теплопроводимость. Он выпускается в виде алюминиевых листов, труб, плит, прутков, профильного проката. Их применяют для изготовления деталей и элементов конструкций, не запланированных для значительных нагрузок. Из высокоочищенных материалов выпускают фольгу и токопроводящие элементы.
Виды алюминиевых сплавов
Основная область применения алюминия– производство сплавов, которые разделяют на деформируемые и литейные.
Деформируемые
Такие марки хорошо обрабатываются на всех стадиях обработки, сочетают прочность и пластичность. Используется при производстве листов, прутков, труб, поковок, штамповок. Применяемые способы деформирования: прокатка, волочение, прессование, ковка. По способности повышать прочностные характеристики деформируемые материалы на базе алюминия подразделяют на термически неупрочняемые и термически упрочняемые.
Популярный сплав, относящийся к этой группе, – дюралюминAl-Cu-Mg, в который дополнительно вводится марганец, повышающий устойчивость к коррозии. Если ранее наиболее распространенным был материал Д1, то постепенно его заменила более технологичная марка Д16. В Евросоюзе и США используются марки 2017, 2024, 2117.Дюралюмин, выпускаемый в листах, для дополнительного улучшения коррозионной стойкости плакируют – покрывают поверхность слоем чистого Al.
Еще один представитель этой группы – авиаль (АВ), материал, используемый в авиастроении. Он немного уступает по прочности дюралюминам, но превышает их по пластичности в нормальном и нагретом состояниях. Удовлетворительно обрабатывается режущими инструментами, сваривается аргонодуговой и контактной сваркой.
Высокопрочные сплавы на основе алюминия обладают повышенными прочностными свойствами, но меньшей пластичностью по сравнению с дюралюминами. Марка В95широко применяется в самолетостроении для конструкций, эксплуатируемых при температурах выше +100°C. Хорошо сваривается точечной сваркой и обрабатывается режущими инструментами.
Литейные
Алюминиевые сплавы для фасонного литья отличаются жидкотекучестью, небольшой усадкой, стойкостью к образованию горячих трещин, коррозии. Количество легирующих элементов в таких материалах выше, чем в деформируемых. Наиболее распространены композиции Al-Si, Al-Cu, Al-Mg, дополнительно легированные небольшими количествами марганца, хрома, никеля.
Примеры использования алюминия и его сплавов при производстве различных видов транспорта
Современные отрасли транспортостроения невозможно представить без материалов, созданных на основе Al, которые сочетают достаточно высокую прочность, пластичность, малую плотность и хорошую устойчивость ко многим видам коррозии.
Самолетостроение
В РФ при создании авиационной техники широко используют тремоупрочняемые высокопрочные марки, содержащие, помимо AL, цинк, магний, медь. Марки повышенной прочности и среднепрочные, не имеющие в своем составе цинка, используются для изготовления киля, крыла, фюзеляжа. Для гидросамолетов востребованы магнийсодержащие марки АМг5, АМг6 с хорошей свариваемостью и марки В92, 1915, 1420.
Создание объектов космической техники
В этой области используют сплавы на основе алюминия, обладающие хорошей устойчивостью к низким температурам. Из марки 2219, способной работать при криогенных температурных условиях в контакте с жидким кислородом, гелием, водородом, изготавливались листы, применяемые при создании космических «Шаттлов». Из алюминиево-литиевой марки 2090 изготавливают емкости для жидкого водорода.
Судостроение
Алюминиевая промышленность изготавливает полуфабрикаты из алюминия и его сплавов для использования в судостроении. Из них производят судовое оборудование, корпуса судов, коммуникационные системы, надстройки для палубы. Применение этих материалов вместо стали уменьшает массу судна, улучшает его маневренность и максимально допустимую скорость. Чаще всего в этой отрасли востребованы магний- и марганецсодержащие марки.
Железнодорожный транспорт
Подвижной состав, эксплуатируемый на железной дороге, изготавливается только из прочных, износостойких, коррозионностойких, долговечных материалов. Такие свойства имеют алюминий и сплавы на его основе. Из них изготавливают емкости для перевозки сырой нефти, темных и светлых нефтепродуктов, масел.
Автомобильный транспорт
Сочетание небольшой плотности, прочности, декоративных характеристик и коррозионной устойчивости позволяет успешно использовать алюминиевые марки в автомобилестроении. Их применение расширяет ассортимент перевозимых товаров, среди которых могут быть жидкости и газы высоких классов опасности.
Применение алюминия в металлургии
Алюминий – высокоактивный металл, поэтому его используют в металлургии в качестве мощного восстановителя при производстве хрома, кальция, марганца. Для раскисления стали используется низкокачественный материал, не подходящий для производства полуфабрикатов и готовой металлопродукции. В ходе этого процесса из расплавленного железа удаляется кислород, негативно влияющий на эксплуатационные свойства конечного продукта.
Применение алюминия
Области применения алюминия
Авиация
На современном этапе развития дозвуковой и сверхзвуковой авиации алюминиевые сплавы являются основными конструкционными материалами в самолетостроении.
В России при изготовлении авиационной техники успешно используются упрочняемые термической обработкой высокопрочные алюминиевые сплавы Al-Zn-Mg-Cu и сплавы средней и повышенной прочности Al-Mg-Cu. Они являются конструкционным материалом для обшивки и внутреннего сплавного набора элементов планера самолета (фюзеляж, крыло, киль и др.). Сплав 1420, принадлежащий системе Al-Zn-Mg, используют при конструировании сварного фюзеляжа пассажирского самолета. При изготовлении гидросамолетов предусмотрено применение свариваемых коррозионностойких магнолиевых сплавов (AМг5, АМг6) и сплавов Al-Zn-Mg (1915, В92, 1420).
Рисунок 1 – Гражданский самолет
Бесспорное преимущество имеется у свариваемых алюминиевых сплавов при создании объектов космической техники. Высокие значения удельной прочности, удельной жесткости материала позволили обеспечить изготовление баков, межбаковых и носовых частей ракеты с высокой про-дольной устойчивостью. К достоинствам алюминиевых сплавов (2219 и др.) следует отнести их работоспособность при криогенных температурах в контакте с жидким кислородом, водородом и гелием. У этих сплавов происходит так называемое криогенное упрочнение, т.е. прочность и пластичность параллельно растут с понижением температуры.
Сплав 1460 принадлежит системе Al-Cu-Li и является более перспективным для проектирования и изготовления баковых конструкций применительно к криогенному типу топлива – сжатому кислороду, водороду или природному газу.
Судостроение
Алюминий и сплавы на его основе находят все более широкое применение в судостроении. Из алюминиевых сплавов изготовляют корпусы судов, палубные надстройки, коммуникацию и различного рода судовое оборудование.
Основное преимущество при внедрении алюминия и его сплавов по сравнению со сталью – снижение массы судов, которая может достигать 50 – 60 %. В результате представляется возможность повысить грузоподъемность судна или улучшить его тактико-технические характеристики (маневренность, скорость и т.д.).
Наиболее широкое применение среди алюминиевых сплавов для изготовления конструкций речного и морского флота находят магналиевые сплавы АМгЗ, АМг5, АМг61, а также сплавы АМц и Д16. Корпус судна повышенной грузоподъемности изготовляют из стали, тогда как надстройки и другое вспомогательное оборудование из алюминиевых сплавов. Имеет место изготовление рыболовецких баркасов из сплава АМг5 (обшивка).
Широкое применение в судостроении США находят свариваемые сплавы серии 5ххх и 6ххх. Там, где необходима высокая прочность (500 МПа), используются полуфабрикаты из сплавов серии 2xxx и 7ххх.
Железнодорожный транспорт
Тяжелые условия эксплуатации подвижного состава железной дороги (длительный срок службы и способность выдерживать ударные нагрузки) выдвигают особые требования к конструкционным материалам.
Рисунок 2 – Товарный поезд
Основные характеристики алюминия и его сплавов, раскрывающие целесообразность применения их в железнодорожном транспорте, высокая удельная прочность, небольшая сила инерции, коррозионная стойкость. Внедрение алюминиевых сплавов при изготовлении сварных емкостей повышает их долговечность при перевозке ряда продуктов химической и нефтехимической промышленности.
Алюминий и его сплавы используются при изготовлении кузова и рамы вагона. Для вагона рекомендованы свариваемые сплавы средней прочности марок АМг3, AMr5, Амг6 и 1915. Перспективными сплавами для рефрижераторных вагонов являются алюминиевые сплавы. В зависимости от продуктов химической промышленности выбирается марка свариваемого материала для котлов цистерны.
В США из свариваемых сплавов серии 6ххх, серии 5ххх и сплава 7005 изготавливают подвижной состав с получением оптимальных прочностных характеристик и высокой коррозионной стойкости сварных элементов.
Автомобильный транспорт
Одним из основных требований к материалам, применяемым в автомобильном транспорте, является малая масса и достаточно высокие показатели прочности. Принимаются во внимание также коррозионная стойкость и хорошая декоративная поверхность материала.
Рисунок 3 – Автомобиль
Высокая удельная прочность алюминиевых сплавов увеличивает грузоподъемность и уменьшает эксплуатационные расходы передвижного транспорта. Высокая коррозионная стойкость материала продляет сроки эксплуатации, расширяет ассортимент перевозимых товаров, включая жидкости и газы с высокой агрессивной концентрацией.
При изготовлении элементов каркаса, обшивки кузова полуприцепа автофургона, рефрижератора, скотовоза и т.п. перспективным материалом являются алюминиевые сплавы АД31, 1915 (прессованные профили) и сплавы АМг2, АМг5 (лист).
Находят применение алюминиевые сплавы АМц, АМгЗ и 1915 при изготовлении отдельных узлов легкового автомобиля (навесные детали, бамперы, радиаторы охлаждения, отопители).
В автомобилестроении США широко используются алюминиевые свариваемые сплавы серии Зххх, 5ххх и 6ххх.
Из прессованных полуфабрикатов сплавов 2014 и 6061 изготовляют балки, рамы тяжелых грузовых автомобилей. Панели и отдельные элементы из сплава 5052 поступают на изготовление кабины. В качестве обшивочного материала кузова грузовика используют лист из сплавов 5052, 6061, 2024, 3003 и 5154. Стойки кузова выполняются из прессованных полуфабрикатов сплавов 6061 и 6063. Магналиевые сплавы серии 5ххх (5052, 5086, 5154 и 5454) являются основным материалом при изготовлении автоцистерн.
Строительство
Перспективность применения алюминиевых сплавов в строительных конструкциях подтверждается технико-экономическими расчетами и многолетней мировой практикой в области сооружения различных строительных объектов.
Внедрение алюминиевых сплавов в строительстве уменьшает металлоемкость, повышает долговечность и надежность конструкций при эксплуатации их в экстремальных условиях (низкая температура, землетрясение и т.п.). В зависимости от назначения строительных алюминиевых конструкций рекомендуются различные марки сплавов: АД1, АМц, АМг2, АД31, 1915 и др.
Рисунок 4 – Здание со светопрозрачными конструкциями из алюминия
Опыт, накопленный в США, подтверждает целесообразность использования алюминиевых сплавов в строительных конструкциях. На них расходуется больше алюминия, чем в любой другой отрасли промышленности. При этом предпочтение отдается внедрению свариваемых сплавов серии Зххх, 5ххх и 6ххх.
Нефтяная и химическая промышленность
Освоение новых месторождений, увеличение глубины скважин выдвигают определенные требования к материалам, применяемым для изготовления деталей и узлов нефте- и газопромыслового оборудования и аппаратуры для переработки продуктов нефти.
Рисунок 5 – Нефтяная вышка
Высокая удельная прочность алюминиевых сплавов позволяет уменьшить массу бурильного оборудования, облегчить их транспортабельность и обеспечить прохождение глубоких скважин.
Коррозионностойкие алюминиевые сплавы дают возможность повысить эксплуатационную надежность бурильных, насосно-компрессорных и нефтегазопроводных труб. Повышенная сопротивляемость коррозионному растрескиванию позволяет применить алюминиевые сплавы при изготовлении емкостей для хранения нефти и ее продуктов.
Основным конструкционным материалом при изготовлении бурильных труб из алюминиевых сплавов является сплав марки Д16.
Высокую стойкость к сырой нефти и некоторым бензинам показали алюминиевые сплавы АМг2, AMr3, АМг5 и АМг6. Из перечисленных магналиевых сплавов наиболее технологичным сплавом для изготовления аппаратов является сплав АМг2, особенно при изготовлении конденсаторов и холодильников на нефтеперегонных заводах.
В США оборудование для нефтяной промышленности изготовляется из алюминиевых сплавов серии Зххх, 5ххх и 6ххх. В конструкции бурового оборудования применяют трубы из сплава 6063. Морские платформы собираются из труб 6061, 6063, а также из высокопрочных сплавов марок 2014 и 7075. Из алюминия АДОО, АДО и АД1 изготовляют емкости, колонны, конденсаторы и т.п. для производства уксусной кислоты, сульфирования жирных спиртов, хлората калия, натриевой и аммиачной селитры, синильной кислоты и т.д.
Химической промышленности рекомендованы алюминиевые сплавы АМц, АМг2, АМгЗ, АМг5 для изготовления сосудов, работающих под давлением при температурах от – 196 до +150 °С.
Из алюминия АДОО, АДО и АД1 изготовляют емкости, колонны, конденсаторы и т.п. для производства уксусной кислоты, сульфирования жирных спиртов, хлората калия, натриевой и аммиачной селитры, синильной кислоты и т.д.
В США в зависимости от условий эксплуатации аппаратуры химической промышленности применяют сплавы серий 1ххх, Зххх, 5ххх. В отдельных случаях для обеспечения наибольшей прочности применяют термически упрочняемые сплавы 2ххх и 7ххх с пониженной коррозионной стойкостью.
Емкости для хранения химических продуктов выполняют из сплавов высокой коррозионной стойкости – 1100 или 3003; сосуды высокого давления – из сплавов 5052 или 6063; тара, цистерны и другие виды оборудования для хранения уксусной кислоты, высокомолекулярных жирных кислот, спиртов и других продуктов – из сплавов 3003, 6061, 6063, 5052; емкости для озоносодержащих растворов удобрений из сплавов 3004; 5052 и 5454; емкости для хранения растворов нитрата аммония из сплавов 1100, 3003, 3004, 5050, 5454, 6061 и 6062 [3].
Электрика
Алюминий и ряд сплавов на его основе находят применение в электротехнике, благодаря хорошей электропроводности, коррозионной стойкости, небольшому удельному весу, и, что немаловажно, меньшей стоимостью, по сравнению с медью и ее проводниковыми сплавами.
В зависимости от величины удельного электросопротивления, алюминиевые сплавы подразделяют на проводниковые и сплавы с повышенным электрическим сопротивлением.
Удельная электрическая проводимость электротехнического алюминия марок А7Е и А5Е составляет порядка 60 % от проводимости отожженной меди по международному стандарту. Технический алюминий АД0 и электротехнический А5Е используют для изготовления проводов, кабелей и шин. Применение в электротехнической промышленности получили низколегированные сплавы алюминия системы Al-Mg-Si АД31, АД31Е.
Сплавы алюминия, повышающие его прочность и улучшающие другие свойства, получают введением в него легирующих добавок, таких, как медь, кремний, магний, цинк, марганец.
Дуралюмин
Дуралюмин (дюраль, дюралюминий, от названия немецкого города, где было начато промышленное производство сплава) – сплав алюминия (основа) с медью (Cu: 2,2 – 5,2%), магнием (Mg: 0,2 – 2,7 %) марганцем(Mn: 0,2 – 1 %). Подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. Является конструкционным материалом длZ авиационного и транспортного машиностроения.
Рисунок 6 – Дюралюминий листовой
Силумин
Силумин – легкие литейные сплавы алюминия (основа) с кремнием (Si: 4 – 13 %), иногда до 23 % и некоторыми другими элементами: Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Из него изготавливают детали сложной конфигурации, главным образом в авто- и авиастроении.
 |  |
| Рисунок 7 – Силумин | Рисунок 8 – Магналии |
Магналии
Магналии – сплавы алюминия (основа) с магнием (Mg: 1 – 13 %) и другими элементами, обладающие высокой коррозийной стойкостью, хорошей свариаемостью, высокой пластичностью. Из них изготавливают фасонные отливки (литейные магналии), листы, проволоку, заклепки и т. д. (деформируемые магналии).
По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна [4].
Применение в быту
Исследуя влияние алюминия на различные пищевые продукты, ученые установили, что при контакте пищи с алюминием не разрушаются витамины. Это открытие послужило причиной широкого применения алюминия в пищевой промышленности, в виде посуды из алюминия, а также в косметике и бытовой химии. Из алюминия изготавливают разнообразную аппаратуру, предназначенную для переработки пищевых продуктов в сахарной, кондитерской, маслобойной и других отраслях промышленности.
Рисунок 9 – Алюминивая посуда
Фармацевтика
Говоря об универсальности алюминия, нельзя обойти вниманием важный факт: металл, из которого делают посуду и самолеты, широко применяется для лечения и предупреждения тяжелых болезней и одобрен для этих целей Всемирной организацией здравоохранения. Конечно, речь идет не об алюминии в чистом виде, а о его соединениях.
В 1926 году было открыто, что осажденный квасцами дифтерийный токсоид (обезвреженный бактериальный токсин) гораздо лучше стимулирует выработку антител, чем он же в чистом виде. С тех пор для усиления действия вакцин чаще всего используют алюминиевые соли, поскольку они считаются безвредными для человека.
Именно на основе алюминия производят наиболее эффективные антациды. Гидроокись алюминия, хорошо нейтрализующая кислоту, нужна для лечения язвенных болезней, диспепсии, раздражения желудка. Для этих же целей подходит фосфат алюминия.
Но даже тем, у кого прекрасное здоровье, пригодится содержащее алюминий средство, которое продается в любое аптеке, да и не только. Речь идет о дезодоранте-антиперспиранте. Еще древние греки и римляне использовали квасцы для подавления секреции. Обычными квасцами пользовались и наши бабушки. В первые фабричные средства от запаха пота добавляли хлорид алюминия, а основным агентом современных средств является хлоргидрат алюминия. Кстати, на чем основан эффект их действия, до сих пор точно не известно [6].
Использование алюминия: сферы применения чистого металла и его сплавов
Алюминий, как наиболее легкий и пластичный металл, обладает широкой сферой использования. Он отличается устойчивостью к коррозии, имеет высокую электропроводность, а также легко переносит резкие температурные колебания. Еще одной особенностью является при контакте с воздухом появление на его поверхности особой пленки, которая защищает металл.
Все эти, а также другие особенности послужили его активному использованию. Итак, давайте узнаем подробнее, каковы области применения алюминия.
Основные области применения алюминия и его сплавов
Данный конструкционный металл имеет широкое распространение. В частности именно с его использования начали свою работу авиастроение, ракетостроение, пищевая промышленность и изготовление посуды. Благодаря своим особенностям алюминий позволяет улучшить маневренность судов за счет меньшей массы.
Отдельно стоит упомянуть способность металла проводить ток. Такая особенность позволила сделать его главным конкурентом меди. Он активно применяется при производстве микросхем и в целом в области микроэлектроники.
Наиболее популярными сферами использования можно назвать:
Широкое распространение объясняется преимуществами металла, однако есть у него и существенный недостаток – это невысокая прочность. Чтобы минимизировать его, в металл добавляется медь и магний.
Как вы уже поняли, основное свое применение получили алюминий и его соединения в электротехнике (и просто технике), быту, промышленности, машиностроении, авиации. Теперь же мы поговорим о применении металла алюминия в строительстве.
О применении алюминия и его сплавах расскажет это видео:
Использование в строительстве
Использование алюминия человеком в области строительства обуславливается его устойчивостью к коррозии. Это дает возможность изготавливать из него конструкции, которые планируется использовать в агрессивных средах, а также на открытом воздухе.
Кровельные материалы
Алюминий активно используется для производства кровли. Этот листовой материал помимо хороших декоративных, несущих и ограждающих особенностей, отличается и доступной стоимостью по сравнению с остальными кровельными материалами. При этом такая кровля не требует профилактического осмотра или ремонта, а срок ее службы превышает многие существующие материалы.
При добавлении в чистый алюминий других металлов можно получить абсолютно любые декоративные особенности. Такая кровля позволяет иметь широкую цветовую гамму, которая идеально впишется в общий стиль.
Оконные переплеты
Можно встретить алюминий среди фонарных и оконных переплетов. Если с аналогичной целью использовать древесину, то она проявит себя как ненадежный и недолговечный материал.
Сталь же быстро покроется коррозией, будет иметь большой вес переплета и неудобства в его открытии. В свою очередь алюминиевые конструкции такими недостатками не обладают.
О свойствах и использовании алюминия расскажет видеоролик ниже:
Стеновые панели
Алюминиевые панели производятся из сплавов этого металла и используются для внешней отделки домов. Они могут иметь вид обычных штампованных листов или готовых ограждающих панелей, состоящих из листов, утеплителя и облицовки. В любом случае они максимально сдерживают тепло внутри дома и, обладая небольшим весом, не несут нагрузку на фундамент.
Отдельной характеристики заслуживает применение сплава алюминия разных марок.
Соединения металла
Сплавы получается в результате искусственного добавления к алюминию других металлов с целью получения необходимых свойств. И на сегодняшний момент существует нескончаемое количество составов таких сплавов, имеющих самое широкое применение.
Если вы захотите самостоятельно изготовить что-либо из алюминия, то следующее видео расскажет вам о его расплавке в домашних условиях: