Применение алюминия в технике. Алюминий: свойства химические и физические. Общее определение алюминия

Федеральное агентство по образованию РФ

Государственный технологический университет

"Московский институт стали и сплавов"

Российская олимпиада школьников

"Инновационные технологии и материаловедение"

II-й этап: Научно-творческий конкурс

Направление (профиль):

"Материаловедение и технологии новых материалов"

"Свойства алюминия и области применения в промышленности и быту "

Работу выполнил:

Зайцев Виктор Владиславович

Москва, 2009

1. Введение

4. Применение алюминия и его сплавов в промышленности и быту

4.1 Авиация

4.2 Судостроение

4.3 Железнодорожный транспорт

4.4 Автомобильный транспорт

4.5 Строительство

4.6 Нефтяная и химическая промышленность

4.7 Алюминевая посуда

5. Заключение

5.1. Алюминий - материал будущего

6. Список используемой литературы

1. Введение

В своём реферате на тему ”Свойства алюминия и области применения в промышленности и быту” я хотел бы указать на особенность этого металла и его превосходство перед другими. Весь мой текст является доказательством того, что алюминий метал будущего и без него будет трудным наше дальнейшее развитие.

1.1 Общее определение алюминия

Алюминий (лат. Aluminium, от alumen - квасцы) - химический элемент III гр. периодической системы, атомный номер 13, атомная масса 26,98154. Серебристо-белый металл, легкий, пластичный, с высокой электропроводностью, tпл = 660 °С. Химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой). По распространенности в природе занимает 3-е место среди элементов и 1-е среди металлов (8,8% от массы земной коры). По электропроводности алюминий - на 4-м месте, уступая лишь серебру (оно на первом месте), меди и золоту, что при дешевизне алюминия имеет огромное практическое значение. Алюминия вдвое больше, чем железа, и в 350 раз больше, чем меди, цинка, хрома, олова и свинца вместе взятых. Его плотность равна всего 2,7*10 3 кг/м 3 . Алюминий имеет решётку гранецентрированного куба, устойчив при температурах от - 269 °С до точки плавления (660 °С). Теплопроводность составляет при 24°С 2,37 Вт×см -1 ×К -1 . Электросопротивление алюминия высокой чистоты (99,99%) при 20°С составляет 2,6548×10 -8 Ом×м, или 65% электросопротивления международного эталона из отожжённой меди. Отражательная способность полированной поверхности составляет более 90%.

1.2 История получения алюминия

Документально зафиксированное открытие алюминия произошло в 1825. Впервые этот металл получил датский физик Ганс Христиан Эрстед, когда выделил его при действии амальгамы калия на безводный хлорид алюминия (полученный при пропускании хлора через раскаленную смесь оксида алюминия с углем). Отогнав ртуть, Эрстед получил алюминий, правда, загрязненный примесями. В 1827 немецкий химик Фридрих Вёлер получил алюминий в виде порошка восстановлением гексафторалюмината калием. Современный способ получения алюминия был открыт в 1886 молодым американским исследователем Чарльзом Мартином Холлом. (С 1855 до 1890 было получено лишь 200 тонн алюминия, а за следующее десятилетие по методу Холла во всем мире получили уже 28000т. этого металла) Алюминий чистотой свыше 99,99% впервые был получен электролизом в 1920г. В 1925 г. в работе Эдвардса опубликованы некоторые сведения о физических и механических свойствах такого алюминия. В 1938г. Тэйлор, Уиллей, Смит и Эдвардс опубликовали статью, в которой приведены некоторые свойства алюминия чистотой 99,996%, полученного во Франции также электролизом. Первое издание монографии о свойствах алюминия вышло в свет в 1967г. Еще недавно считалось, что алюминий как весьма активный металл не может встречаться в природе в свободном состоянии, однако в 1978г. в породах Сибирской платформы был обнаружен самородный алюминий - в виде нитевидных кристаллов длиной всего 0,5 мм (при толщине нитей несколько микрометров). В лунном грунте, доставленном на Землю из районов морей Кризисов и Изобилия, также удалось обнаружить самородный алюминий. Предполагают, что металлический алюминий может образоваться конденсацией из газа. При сильном повышении температуры галогениды алюминия разлагаются, переходя в состояние с низшей валентностью металла, например, AlCl. Когда при понижении температуры и отсутствии кислорода такое соединение конденсируется, в твердой фазе происходит реакция диспропорционирования: часть атомов алюминия окисляется и переходит в привычное трехвалентное состояние, а часть - восстанавливается. Восстановиться же одновалентный алюминий может только до металла: 3AlCl > 2Al + AlCl 3 . В пользу этого предположения говорит и нитевидная форма кристаллов самородного алюминия. Обычно кристаллы такого строения образуются вследствие быстрого роста из газовой фазы. Вероятно, микроскопические самородки алюминия в лунном грунте образовались аналогичным способом.

2. Классификация алюминия по степени чистоты и его механические свойства

В последующие годы благодаря сравнительной простоте получения и привлекательным свойствам опубликовано много работ о свойствах алюминия. Чистый алюминий нашёл широкое применение в основном в электронике - от электролитических конденсаторов до вершины электронной инженерии - микропроцессоров; в криоэлектронике, криомагнетике. Более новыми способами получения чистого алюминия являются метод зонной очистки, кристаллизация из амальгам (сплавов алюминия со ртутью) и выделение из щёлочных растворов. Степень чистоты алюминия контролируется величиной электросопротивления при низких температурах. В настоящее время используется следующая классификация алюминия по степени чистоты:

Механические свойства алюминия при комнатной температуре:

3. Основные легирующие элементы в алюминиевых сплавах и их функции

Чистый алюминий - довольно мягкий металл - почти втрое мягче меди, поэтому даже сравнительно толстые алюминиевые пластинки и стержни легко согнуть, но когда алюминий образует сплавы (их известно огромное множество), его твердость может возрасти в десятки раз. Наиболее широко применяются:

Бериллий добавляется для уменьшения окисления при повышенных температурах. Небольшие добавки бериллия (0,01 - 0,05%) применяют в алюминиевых литейных сплавах для улучшения текучести в производстве деталей двигателей внутреннего сгорания (поршней и головок цилиндров).

Бор вводят для повышения электропроводимости и как рафинирующую добавку. Бор вводится в алюминиевые сплавы, используемые в атомной энергетике (кроме деталей реакторов), т.к он поглощает нейтроны, препятствуя распространению радиации. Бор вводится в среднем в количестве 0,095 - 0,1%.

Висмут. Металлы с низкой температурой плавления, такие как висмут, свинец, олово, кадмий вводят в алюминиевые сплавы для улучшения обрабатываемости резанием. Эти элементы образуют мягкие легкоплавкие фазы, которые способствуют ломкости стружки и смазыванию резца.

Галлий добавляется в количестве 0,01 - 0,1% в сплавы, из которых далее изготавливаются расходуемые аноды.

Железо. В малых количествах (»0,04%) вводится при производстве проводов для увеличения прочности и улучшает характеристики ползучести. Так же железо уменьшает прилипание к стенкам форм при литье в кокиль.

Индий. Добавка 0,05 - 0,2% упрочняют сплавы алюминия при старении, особенно при низком содержании меди. Индиевые добавки используются в алюминиево-кадмиевых подшипниковых сплавах.

Примерно 0,3% кадмия вводят для повышения прочности и улучшения коррозионных свойств сплавов.

Кальций придаёт пластичность. При содержании кальция 5% сплав обладает эффектом сверхпластичности.

Кремний является наиболее используемой добавкой в литейных сплавах. В количестве 0,5 - 4% уменьшает склонность к трещинообразованию. Сочетание кремния с магнием делают возможным термоуплотнение сплава.

Магний. Добавка магния значительно повышает прочность без снижения пластичности, повышает свариваемость и увеличивает коррозионную стойкость сплава.

Медь упрочняет сплавы, максимальное упрочнение достигается при содержании меди 4 - 6%. Сплавы с медью используются в производстве поршней двигателей внутреннего сгорания, высококачественных литых деталей летательных аппаратов.

Олово улучшает обработку резанием.

Титан. Основная задача титана в сплавах - измельчение зерна в отливках и слитках, что очень повышает прочность и равномерность свойств во всём объёме.

Алюминий - один из самых распространенных и дешевых металлов. Без него трудно представить себе современную жизнь. Недаром алюминий называют металлом 20 века. Он хорошо поддается обработке: ковке, штамповке, прокату, волочению, прессованию. Чистый алюминий - довольно мягкий металл; из него делают электрические провода, детали конструкций, фольгу для пищевых продуктов, кухонную утварь и "серебряную" краску. Этот красивый и легкий металл широко используют в строительстве и авиационной технике. Алюминий очень хорошо отражает свет. Поэтому его используют для изготовления зеркал - методом напыления металла в вакууме.

Введение

1. Алюминий

2. Сплавы алюминия

Заключение

Введение

Алюминий - химический элемент третьей группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Его порядковый номер 13, атомная масса 26,98.

Алюминий - металл, сферы потребления которого постоянно расширяются. В ряде областей промышленности он успешно вытесняет традиционно применяемые металлы и сплавы. Бурное развитие потребления алюминия обусловлено замечательными его свойствами, среди которых в первую очередь следует назвать высокую прочность в сочетании с малой плотностью, удовлетворительную коррозионную стойкость, хорошую способность к формоизменению путем литья, давления и резания; возможность соединения алюминиевых деталей в различных конструкциях с помощью сварки, пайки, склеивания и других способов; способность к нанесению защитных и декоративных покрытий.

Все это в сочетании с большими запасами алюминия в земной коре делает перспективы развития производства и потребления алюминия весьма широким.

В наши дни трудно найти отрасль промышленности, где бы ни использовался алюминий или его сплавы - от микроэлектроники до тяжёлой металлургии. Это обуславливается хорошими механическими качествами, лёгкостью, малой температурой плавления, что облегчает обработку, высоким внешними качествами, особенно после специальной обработки. Учитывая перечисленные и многие другие физические и химические свойства алюминия, его неисчерпаемое количество в земной коре, можно сказать, что алюминий - один из самых перспективных материалов будущего.

алюминий сплав химический элемент

1. Алюминий

Алюминий сравнительно молодой металл. Название его происходит от латинского слова ALUMEN - так 500 лет до н.э. называли алюминиевые квасцы, которым использовались для протравливания при крашении тканей и дубления кож.

Алюминий как элемент был открыт в 1825г., когда были получены первые небольшие комочки этого металла. Начало его промышленного освоения относится к концу 19-го столетия - после открытия технологии его получения путем электролиза глинозема, растворенного в расплавленном криолите. Этот принцип лежит и в основе современного промышленного извлечения алюминия из глинозема во всех странах мира.

В России над технологией получения алюминия во второй половине прошлого века работал известный ученый-химик Н.Н. Бекетов, трудами которого воспользовались немцы, построившие первый алюминиевый завод в Гмелингине. Первый алюминиевый завод в нашей стране был пущен в эксплуатацию в 1932г. На базе Волховской гидростанции. Строительство Днепрогэса позволило запустить в 1933г. второй алюминиевый завод. Развитие электроэнергетического комплекса в 60-70 гг. позволило построить большое количество мощных алюминиевых заводов и занять ведущее место на мировом рынке алюминия.

Алюминий представляет собой серебристо-белый пластичный металл. В воздушной среде он быстро покрывается окисной пленкой, которая защищает его от коррозии. Алюминий химически стоек против азотной и органических кислот, но разрушается щелочами, а также соляной и серной кислотами. Важнейшее свойство алюминия - небольшая плотность, он в три раза легче железа. Механические свойства алюминия невысоки: сопротивление на разрыв - 5-9 кгс/мм², относительное удлинение - 25-45%. Высокая пластичность (достигается отжигом при температурах 350-410°С) этого металла позволяет прокатывать его в очень тонкие листы, например, фольга может иметь толщину до 0,005мм. Алюминий хорошо сваривается, однако трудно обрабатывается резанием. Для повышения прочности в алюминий вводят кремний, марганец, медь и другие компоненты. Значительные природные запасы алюминия, его небольшая плотность, высокие антикоррозийные свойства, хорошая электропроводность способствовали широкому распространению этого металла в различных отраслях техники. Алюминий и его сплавы применяются в самолето- и машиностроении, при строительстве зданий и линий электропередачи, во многих отраслях промышленности. Из него изготавливают различные емкости и арматуру для химической промышленности, в пищевой промышленности применяется упаковочная фольга из алюминия и его сплавов (для обертки кондитерских и молочных изделий). Широкое признание получила алюминиевая посуда. Алюминий хорошо подвергается различным тонким покрытиям и окраске, поэтому его используют и как декоративный материал.

2. Сплавы алюминия

Алюминий всех марок содержит более 99% чистого алюминия. В зависимости от химического состава он подразделяется на алюминий особой, высокой и технической частоты, обозначается буквой А и цифрой, показывающей десятые и сотые доли процента после 99%, например, А85 - содержит 99,85% алюминия.

Дюралюминий - сплав алюминия с медью (2,2-5,2%), магнием (2-2,7%) и марганцем (0,2-1,0%). Его подвергают закалке в воде после нагрева до температуры около 500°С и упрочняющему старению. По своим механическим свойствам он приближается к среднеуглеродистым сталям. Применяется, главным образом, в виде различного проката - листы, уголок, трубы и т.д. как конструкционный материал он используется для транспортного и авиационного машиностроения.

Силумин - сплав алюминия и кремния, обладает хорошими литейными свойствами, мягкий, применяется для изготовления неответственных деталей методом литья и давления. Кроме алюминия и кремния (10-13%) в этот сплав входят: железо (0,2-0,7%), марганец (0,05-0,5%), кальций (0,07-0,2%), титан (0,05-0,2%), медь (0,03%) и цинк (0,08%). Могут использоваться сплавы алюминия с цинком, магнием.

Большинство металлических элементов сплавляются с алюминием, но только некоторые из них играют роль основных легирующих компонентов в промышленных алюминиевых сплавах. Тем не менее, значительное число элементов используют в качестве добавок для улучшения свойств сплавов. Наиболее широко применяются:

Бериллий добавляется для уменьшения окисления при повышенных температурах. Небольшие добавки бериллия (0,01 - 0,05%) применяют в алюминиевых литейных сплавах для улучшения текучести в производстве деталей двигателей внутреннего сгорания (поршней и головок цилиндров).

Бор вводят для повышения электропроводимости и как рафинирующую добавку. Бор вводится в алюминиевые сплавы, используемые в атомной энергетике (кроме деталей реакторов), т.к. он поглощает нейтроны, препятствуя распространению радиации. Бор вводится в среднем в количестве 0,095 - 0,1%.

Висмут. Металлы с низкой температурой плавления, такие как висмут, свинец, олово, кадмий вводят в алюминиевые сплавы для улучшения обрабатываемости резанием. Эти элементы образуют мягкие легкоплавкие фазы, которые способствуют ломкости стружки и смазыванию резца. Галлий добавляется в количестве 0,01 - 0,1% в сплавы, из которых далее изготавливаются расходуемые аноды.

Железо. В малых количествах (0,04%) вводится при производстве проводов для увеличения прочности и улучшает характеристики ползучести. Так же железо уменьшает прилипание к стенкам форм при литье в кокиль.

Индий. Добавка 0,05 - 0,2% упрочняют сплавы алюминия при старении, особенно при низком содержании меди. Индиевые добавки используются в алюминиево-кадмиевых подшипниковых сплавах.

Примерно 0,3% кадмия вводят для повышения прочности и улучшения коррозионных свойств сплавов. Кальций придаёт пластичность. При содержании кальция 5% сплав обладает эффектом сверхпластичности.

Кремний является наиболее используемой добавкой в литейных сплавах. В количестве 0,5 - 4% уменьшает склонность к трещинообразованию. Сочетание кремния с магнием делают возможным термоуплотнение сплава.

Магний. Добавка магния значительно повышает прочность без снижения пластичности, повышает свариваемость и увеличивает коррозионную стойкость сплава.

Медь упрочняет сплавы, максимальное упрочнение достигается при содержании меди 4 - 6%. Сплавы с медью используются в производстве поршней двигателей внутреннего сгорания, высококачественных литых деталей летательных аппаратов. Олово улучшает обработку резанием.

Титан. Основная задача титана в сплавах - измельчение зерна в отливках и слитках, что очень повышает прочность и равномерность свойств во всём объёме.

Хотя алюминий считается одним из наименее благородных промышленных металлов, он достаточно устойчив во многих окислительных средах. Причиной такого поведения является наличие непрерывной окисной плёнки на поверхности алюминия, которая немедленно образуется вновь на зачищенных участках при воздействии кислорода, воды и других окислителей.

В большинстве случаев плавку ведут на воздухе. Если взаимодействие с воздухом ограничивается образованием на поверхности нерастворимых в расплаве соединений и возникающая пленка этих соединений существенно замедляет дальнейшее взаимодействие, то обычно не принимают каких-либо мер для подавления такого взаимодействия. Плавку в этом случае ведут при прямом контакте расплава с атмосферой. Так поступают при приготовлении большинства алюминиевых, цинковых, оловянно - свинцовых сплавов.

Пространство, в котором протекает процесс плавки сплавов, ограничивается огнеупорной футеровкой, способной выдерживать температуры 1500 - 1800С. Во всех процессах плавки участвует газовая фаза, которая формируется в процессе сгорания топлива, взаимодействуя с окружающей средой и футеровкой плавильного агрегата.

3. Применение алюминия и его сплавов

В настоящее время алюминий и его сплавы используют практически во всех областях современной техники. Важнейшие потребители алюминия и его сплавов - авиационная и автомобильная отрасли промышленности, железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая промышленность и приборостроение, промышленное и гражданское строительство, химическая промышленность, производство предметов народного потребления.

Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей и химикатов и в большинстве пищевых продуктов. Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют в морской воде. Морские бакены, спасательные шлюпки, суда, баржи строятся из сплавов алюминия с 1930 г. В настоящее время длина корпусов кораблей из сплавов алюминия достигает 61 м. Существует опыт алюминиевых подземных трубопроводов, сплавы алюминия обладают высокой стойкостью к почвенной коррозии. В 1951 году на Аляске был построен трубопровод длиной 2,9 км. После 30 лет работы не было обнаружено ни одной течи или серьёзного повреждения из-за коррозии.

Алюминий в большом объёме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию. При частом намокании, если поверхность алюминиевых изделий не была дополнительно обработана, он может темнеть, вплоть до почернения в промышленных городах с большим содержанием окислителей в воздухе. Для избежания этого выпускаются специальные сплавы для получения блестящих поверхностей путём блестящего анодирования - нанесения на поверхность металла оксидной плёнки. При этом поверхности можно придавать множество цветов и оттенков. Например, сплавы алюминия с кремнием позволяют получить гамму оттенков, от серого до чёрного. Золотой цвет имеют сплавы алюминия с хромом.

Учитывая высокую стойкость алюминия к окислению, порошок используются в качестве пигмента в покрытиях для окраски оборудования, крыш, бумаги в полиграфии, блестящих поверхностей панелей автомобилей. Также слоем алюминия покрывают стальные и чугунные изделия во избежание их коррозии.

По масштабам применения алюминий и его сплавы занимают второе место после железа (Fe) 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. 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 (94% - алюминий, 4% медь (Cu), по 0,5% магний (Mg), марганец (Mn), железо (Fe) и кремний (Si)), силумина (85-90% - алюминий, 10-14% кремний (Si), 0,1% натрий (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 (Cu), магния (Mg), железа (Fe), >никеля (Ni) 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 (Zr) - широко применяют в ядерном реакторостроении. Алюминий применяют в производстве взрывчатых веществ. 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.

Использование алюминия и его сплавов во всех видах транспорта и в первую очередь - воздушного позволило решить задачу уменьшения собственной ("мертвой") массы транспортных средств и резко увеличить эффективность их применения. Из алюминия и его сплавов изготовляют авиаконструкции, моторы, блоки, головки цилиндров, картеры, коробки передач. Алюминием и его сплавами отделывают железнодорожные вагоны, изготовляют корпуса и дымовые трубы судов, спасательные лодки, радарные мачты, трапы. Широко применяют алюминий и его сплавы в электротехнической промышленности для изготовления кабелей, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей переменного тока. В приборостроении алюминий и его сплавы используют в производстве кино - и фотоаппаратуры, радиотелефонной аппаратуры, различных контрольно-измерительных приборов. Благодаря высокой коррозионной стойкости и нетоксичности алюминий широко применяют при изготовлении аппаратуры для производства и хранения крепкой азотной кислоты, пероксида водорода, органических веществ и пищевых продуктов. Алюминиевая фольга, будучи прочнее и дешевле оловянной, полностью вытеснила ее как упаковочный материал для пищевых продуктов. Все более широко используется алюминий при изготовлении тары для консервирования и храпения продуктов сельского хозяйства, для строительства зернохранилищ и других быстровозводимых сооружений. Являясь одним из важнейших стратегических металлов, алюминий, как и его сплавы, широко используется в строительстве самолетов, танков, артиллерийских установок, ракет, зажигательных веществ, а также для других целей в военной технике.

Алюминий высокой чистоты находит широкое применение в новых областях техники - ядерной энергетике, полупроводниковой электронике, радиолокации, а также для защиты металлических поверхностей от действия различных химических веществ и атмосферной коррозии. Высокая отражающая способность такого алюминия используется для изготовления из пего отражающих поверхностей нагревательных и осветительных рефлекторов и зеркал. В металлургической промышленности алюминий используют в качестве восстановителя при получении ряда металлов (например, хрома, кальция, марганца) алюмотермическими способами, для раскисления стали, сварки стальных деталей.

Широко применяют алюминий и его сплавы в промышленном и гражданском строительстве для изготовления каркасов зданий, ферм, оконных рам, лестниц и др. В Канаде, например, расход алюминия для этих целей составляет около 30 % от общего потребления, в США - более 20 %. По масштабам производства и значению в хозяйстве алюминий прочно занял первое место среди других цветных металлов.

Заключение

Производство алюминия будет расти в странах, где имеется доступ к дешёвым источникам электроэнергии, бокситов и развитой инфраструктуре. Россия - одна из наиболее привлекательных стран для энергоёмких отраслей промышленности (по данным CRU), а также с точки зрения затрат на производство. Предполагается, что реализация российских проектов позволит увеличить производство алюминия к 2015 г. до 5,39-5,743 млн. тонн, то есть в 1,3-1,4 раза.

Уже сейчас трудно найти отрасль промышленности, где бы не использовался алюминий или его сплавы - от микроэлектроники до тяжёлой металлургии. Это обуславливается хорошими механическими качествами, лёгкостью, малой температурой плавления, что облегчает обработку, высоким внешними качествами, особенно после специальной обработки. Учитывая перечисленные и многие другие физические и химические свойства алюминия, его неисчерпаемое количество в земной коре, можно сказать, что алюминий - один из самых перспективных материалов будущего.

Изучив сферы применения алюминия и его сплавов, можно сделать следующие выводы:

Совокупность свойств (малую плотность (2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло - и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость) алюминия и его большие природные запасы позволяют отнести алюминий к числу важнейших технических материалов.

Уже сейчас трудно найти отрасль промышленности, где бы не использовался алюминий или его сплавы - от микроэлектроники до тяжёлой металлургии.

Список использованной литературы

1.Багров, Н.М. Основы отраслевых технологий [Текст] учебное пособие / Н.М. Багров, - СПб.: Изд-во СПбГУЭФ, 2006, - 251с.

2.Горынин, И.В. Алюминиевые сплавы. Применение алюминиевых сплавов [Текст] справочное руководство / И.В. Горынин, М.: 1978,-с.145.

.3. Ключников, Н.Г. Алюминий [Текст] учебное пособие / Н.Г. Ключников, А.Ф. Колодцев, М.: 2001,-с.67.

4.4.

Химический элемент алюминий – лёгкий металл серебристого цвета. Алюминий - самый распространенный в земной коре металл. Физические и химические свойства алюминия позволили ему найти широкое применение в современной промышленности и повседневной жизни.

Химические свойства алюминия

Химическая формула алюминия Аl. Атомный номер 13. Алюминий относится к простым веществам, так как его молекула содержит атом только одного элемента. Внешний энергетический уровень атома алюминия содержит 3 электрона. Эти электроны легко отдаются атомом алюминия во время химических реакций. Поэтому алюминий имеет высокую химическую активность и способен вытеснять металлы из их оксидов. Но в обычных условиях он довольно устойчив к химическому взаимодействию, так как покрыт прочной оксидной плёнкой.

С кислородом алюминий взаимодействует только при высокой температуре. В результате реакции образуется оксид алюминия. С серой, фосфором, азотом, углеродом взаимодействие также происходит при высокой температуре. А вот с хлором и бромом алюминий вступает в реакцию при обычных условиях. С йодом реагирует при нагревании, но только если катализатором выступает вода. С водородом алюминий не взаимодействует.

С металлами алюминий способен образовывать соединения, которые называются алюминиды.

В реакцию с водой вступает алюминий, очищенный от оксидной плёнки. Гидроксид, который получается в результате этой реакции, является малорастворимым соединением.

Алюминий легко взаимодействует с разбавленными кислотами, образуя соли. Но с концентрированными кислотами реагирует только при нагревании, образуя соли и продукты восстановления кислоты.

Алюминий легко реагирует со щелочами.

Физические свойства алюминия

Алюминий - прочный металл, но в то же время и пластичный, легко подвергается механической обработке: штамповке, полировке, вытягиванию.

Алюминий самый легкий из металлов. Имеет очень высокую теплопроводность. По электропроводности алюминий практически не уступает меди, но при этом он намного легче и дешевле.

Применение алюминия

Впервые металл алюминий был получен датским физиком Гансом Христианом Эрстедом в 1825 г . И в те времена алюминий считали драгоценным металлом. Модницы любили носить украшения из него.

Но промышленный способ получения алюминия был создан значительно позже - в 1855 г. французским химиком Анри Этьенн Сент-Клер Девилем.

Алюминиевые сплавы применяются практически во всех машиностроительных отраслях. Современная авиационная, космическая и автомобильная промышленность, кораблестроение не могут обходиться без таких сплавов. Наиболее известные сплавы – дюралюминий, силумин, литейные сплавы. Пожалуй, самым востребованным из этих сплавов является дюралюминий.

При переработке алюминия горячей и холодной обработкой получают профили, проволоку, трубы, ленты, листы. Алюминиевые листы или лента широко используются в современном строительстве. Так, специальную алюминиевую ленту применяют для заклеивания торцов различных строительных панелей, чтобы обеспечить надежную защиту от попадания осадков и пыли внутрь панели.

Так как алюминий обладает высокой электропроводностью, его используют для изготовления электропроводов и электротехнических шин.

Алюминий не является драгоценным металлом. Но некоторые его соединения используются в ювелирной промышленности. Наверное, не все знают, что рубин и сапфир – это монокристаллы окиси алюминия, в которые добавлены красящие окислы. Красный цвет рубину придают ионы хрома, а голубой цвет сапфира – от содержания ионов железа и титана. Чистая кристаллическая окись алюминия называется корундом.

В промышленных условиях создают искусственные корунд, рубин и сапфир.

Используется алюминий и в медицине. Он входит в состав некоторых препаратов, которые оказывают адсорбирующее, обволакивающее и обезболивающее действие.

Трудно найти такую отрасль современной промышленности, в которой не использовались бы алюминий и его соединения.

Алюминий в чистом виде впервые выделен Фридрихом Велером. Немецкий химик нагрел безводный хлорид элемента с металлическим калием. Произошло это во 2-ой половине 19-го века. До 20-го столетия кг алюминия стоил дороже .

Новый металл позволяли себе лишь богачи и государственные . Причина высокой стоимости – сложность отделения алюминия от других веществ. Метод добычи элемента в промышленных масштабах предложил Чарльз Холл.

В 1886-ом году он растворил оксид в расплаве криолита. Немец заключил смесь в гранитный сосуд и подключил к нему электрический ток. На дно емкости осели бляшки чистого металла.

Химические и физические свойства алюминия

Какой алюминий? Серебристо-белый, блестящий. Поэтому, Фридрих Велер сравнивал полученные им гранулы металла с . Но, была оговорка, — алюминий значительно легче.

Пластичность же приближена к драгоценным и . Алюминий – вещество , без проблем вытягивающееся в тонкую проволоку и листы. Достаточно вспомнить фольгу. Она делается на основе 13-го элемента.

Алюминий легок за счет небольшой плотности. Она втрое меньше, чем у и железа. При этом в прочности 13-ый элемент почти не уступает.

Такое сочетание сделало серебристый металл незаменимым в промышленности, к примеру, производстве деталей для автомобилей. Речь идет и о кустарном производстве, ведь сварка алюминия возможна даже в домашних условиях.

Формула алюминия позволяет активно отражать световые, но и тепловые лучи. Высока и электропроводность элемента. Главное, излишне не нагревать его. При 660-ти градусах расплавится. Поднимись температура чуть выше – сгорит.

Металл исчезнет, останется лишь оксид алюминия . Он образуется и в стандартных условиях, но лишь в виде поверхностной пленки. Она защищает металл. Поэтому, он неплохо противостоит коррозии, ведь доступ кислорода блокирован.

Оксидная пленка защищает металл и от воды. Если удалить с поверхности алюминия налет, запустится реакция с Н 2 О. Выделение газов водорода произойдет даже при комнатной температуре. Так что, алюминиевая лодка не превращается в дым лишь за счет оксидной пленки и защитной краски, нанесенной на корпус судна.

Наиболее активно взаимодействие алюминия с неметаллами. Реакции с бромом и хлором проходят даже при обычны условиях. В итоге, образуются соли алюминия . Соли водорода получаются, если соединить 13-ый элемент с растворами кислот. Реакция состоится и со щелочами, но лишь после удаления оксидной пленки. Выделится чистый водород.

Применение алюминия

Металл напыляют на зеркала. Пригождаются высокие показатели отражения света. Процесс проходит в условиях вакуума. Изготавливают не только стандартные зеркала, но предметы с зеркальными поверхностями. Таковыми становятся: керамическая плитка, бытовая техника, светильники.

Дуэт алюминий-медь – основа дюралюминий. Попросту его называют дюраль. В качестве добавляют . Состав прочнее чистого алюминия в 7 раз, поэтому, подходит для области машиностроения и авиаконструирования.

Медь придает 13-му элементу прочность, но не тяжесть. Дюраль остается в 3 раза легче железа. Небольшая масса алюминия – залог легкости авто, самолетов, кораблей. Это упрощает перевозку, эксплуатацию, снижает цену продукции.

Купить алюминий автопромышленники стремятся еще и потому, что на его сплавы легко наносятся защитные и декоративные составы. Краска ложится быстрее и ровнее, чем на сталь, пластик.

При этом, сплавы податливы, просто обрабатываются. Это ценно, учитывая массу изгибов и конструктивных переходов на современных моделях автомобилей.

13-ый элемент не только легко красится, но и сам может выступать в роли красителя. В текстильной промышленности закупается сульфат алюминия . Он же пригождается в печатном деле, где требуются нерастворимые пигменты.

Интересно, что раствор сульфата алюминия применяют еще и для очистки воды. В присутствии «агента» вредные примеси выпадают в осадок, нейтрализуются.

Нейтрализует 13-ый элемент и кислоты. Особенно хорошо с этой ролью справляется гидроксид алюминия . Его ценят в фармакологии, медицине, добавляя в лекарства от изжоги.

Выписывают гидроксид и при язвах, воспалительных процессах кишечного тракта. Так что в аптечных препарата тоже есть алюминий. Кислота в желудке – повод узнать о таких лекарствах побольше.

В СССР и бронзы с 11-процентной добавкой алюминия чеканили . Достоинство знаков – 1, 2 и 5 копеек. Начали выпускать в 1926-ом, закончили в 1957-ом году. А вот производство алюминиевых банок для консервов не прекратили.

Тушенку, сайру и прочие завтраки туристов до си пор упаковывают в тару на основе 13-го элемента. Такие банки не вступают в реакцию с продуктами питания, при этом, легки и дешевы.

Порошок алюминия входит в состав многих взрывчатых смесей, в том числе и пиротехники. В промышленности применяют подрывные механизмы на основе тринитротолуола и измельченного 13-го элемента. Мощная взрывчатка получается и при добавлении к алюминию аммиачной селитры.

В нефтяной отрасли необходим хлорид алюминия . Он играет роль катализатора при разложении органики на фракции. У нефти есть свойство выделять газообразные, легкие углеводороды бензинового типа, взаимодействуя с хлоридом 13-го металла. Реагент должен быть безводным. После добавления хлорида, смесь прогревают до 280-ти градусов Цельсия.

В строительстве нередко смешиваю натрий и алюминий . Получается присадка к бетону. Алюминат натрия ускоряет его затвердение за счет убыстрения гидратации.

Повышается скорость микрокристаллизации, значит, увеличивается прочность и твердость бетона. К тому же, алюминат натрия спасает арматуру, уложенную в раствор, от коррозии.

Добыча алюминия

Металл замыкает тройку самых распространенных на земле. Это объясняет его доступность и широкое применение. Однако, в чистом виде природа элемент человеку не дает. Алюминий приходится выделять из различных соединений. Больше всего 13-го элемента в бокситах. Это глиноподобные породы, сосредоточенные, в основном, в тропическом поясе.

Бокситы дробят, потом сушат, снова дробят и перемалывают в присутствии небольшого объема воды. Получается густая масса. Ее нагревают паром. При этом большая часть , коим бокситы тоже не бедны, испаряется. Остается оксид 13-го металла.

Его помещают в промышленные ванны. В них уже находится расплавленный криолит. Температура держится на отметке 950 градусов Цельсия. Нужен и электрический ток силой минимум в 400 кА. То есть, используется электролиз, как и 200 лет назад, когда элемент выделял Чарльз Холл.

Проходя через раскаленный раствор, ток разрывает связи между металлом и кислородом. В итоге, на дне ванн остается чистый алюминий. Реакции окончены. Завершает процесс отливание из осадка и их отправка потребителю, или же, использование для формирования различных сплавов.

Основные производства алюминия находятся там же, где и залежи бокситов. В передовика – Гвинея. В ее недрах скрыто почти 8 000 000 тонн 13-го элемента. На 2-ом месте Австралия с показателем в 6 000 000. В Бразилии алюминия уже в 2 раза меньше. Общемировые же запасы оцениваются в 29 000 000 тонн.

Цена алюминия

За тонну алюминия просят почти 1 500 долларов США. Таковы данные бирж цветных металлов на 20 января 2016-го. Стоимость устанавливается, в основном, промышленниками. Точнее, на цену алюминия влияет их спрос на сырье. Влияет на запросы поставщиков и стоимость электроэнергии, ведь производство 13-го элемента энергоемко.

Иные цены установлены на алюминия. Он идет на переплавку. Стоимость оглашается за килограмм, причем, имеет значение характер сдаваемого материала.

Так, за электротехнический металл дают примерно 70 рублей. За пищевой алюминий можно получить на 5-10 рублей меньше. Столько же платят за моторный металл. Если сдается разносортица, ее цена – 50-55 рублей за килограмм.

Самый дешевый вид лома – стружка алюминия. За нее удается выручить лишь 15-20 рублей. Чуть больше дадут за из 13-го элемента. Имеется в виду тара из-под напитков, консервов.

Невысоко ценят и алюминиевые радиаторы. Цена за килограмм лома – около 30-ти рублей. Это усредненные показатели. В разных регионах, на разных точках алюминий принимают дороже, либо дешевле. Нередко стоимость материалов зависит от сдаваемых объемов.

Редкий метал так часто поднимается в воздух, участвует в строительстве домов, автомобилей и морских судов, как алюминий. Казалось бы - не самый прочный, не самый стойкий, довольно мягкий... Что такого есть в алюминии, благодаря чему его называют "металлом будущего"?

У алюминия без сомнения есть несколько преимуществ, с которыми сложно поспорить:

Легкость;
- распространенность - алюминий самый распространенный металл на планете Земля;
- простота обработки;

Еще алюминий не выделяет вредных веществ при нагревании и хорошо проводит тепло. Но самое главное - стоит добавить к чистому алюминию немного, всего несколько десятых долей другого элемента, и.... вуаля! Получаете материал с диаметрально противоположными физико-химическими свойствами. Некоторые сплавы на основе алюминия настолько прочны, что при температуре до - 200 градусов по Цельсию сравнимы с титаном и сталью!

Получение и классификация алюминиевых сплавов

Процесс получения алюминиевых сплавов называется легированием. Однако легирование - это скорее не один, а несколько взаимосвязанных процессов. Его суть заключается в том, что в расплавленный алюминий вводят вспомогательные (легирующие) элементы в количестве от нескольких десятых до нескольких тысячных процента.

Доля вспомогательных веществ напрямую зависит от того результата, который необходимо получить. При этом важно учитывать, что алюминий обычно уже содержит в себе железо и кремний. Оба элемента не в лучшую сторону влияют на качество будущего сплава: они уменьшают его стойкость к коррозии, электропроводимость и пластичность.

В связи с тем, что алюминий и алюминиевые сплавы используются в стратегически важных областях, они подлежат обязательной государственной сертификации и маркировке. В России качество сплавов определяется на основе двух ГОСТ: №4784-97 и № 1583-93.

Сплавы из алюминия можно классифицировать по нескольким разным направлениям. По типу вспомогательных (легирующиех) элементов сплавы бывают:

С добавлением присадок (отдельных элементов - цинк, магний, марганец, хром, кремний, литий и т.д);

С добавлением интреметаллидов (соединений из нескольких металлов - магний+кремний, медь+магний, литий+магний, литий+медь и пр.).

В зависимости от выбранного метода дальнейшей металлообработки они делятся на:

Деформируемые сплавы алюминия (сплав не превращается в жидкость, а просто становится очень пластичным) - их удобно штамповать, подвергать ковке, прокату, экструзии, прессовке. Для достижения большей прочности некоторые из сплавов подвергают обработке при повышенных температурах (отжиг, закалка и старение), другие же обрабатывают под давлением. В результате получаются такие алюминиевые заготовки, как листы, профили, трубы, изделия более сложных форм и т.д.

Литейные сплавы алюминия (сплав проступает в производство в очень жидком состоянии, чтобы его легко можно налить в какую-нибудь форму) - такие сплавы легко резать, их них получаются литые фасонные (получаемые под давлением) и формовочные изделия.

Все сплавы на базе алюминия также можно разделить по степени прочности на:

Сверхпрочные (от 480 МПа) ;
- среднепрочные (от 300 - 480 МПа);
- малопрочные (до 300 МПа);

Отдельно классифицируются сплавы стойкие к воздействию высоких температур и коррозии.

Для того, чтобы изделия из сплавов было легко различить, каждому сплаву присваивается свой номер, состоящий из букв и цифр. Этот номер означает марку сплава алюминия. В начале наименования марки ставится буква или несколько букв, они указывают на состав сплава. Затем идет цифровой порядковый номер сплава. Буква в конце показывает, как обрабатывался сплав и в каком виде находится в данный момент.

Разберем принцип маркировки на примере сплава Д16П. Первая буква в марке "Д" означает дюралюминий, т.е сплав алюминия с медью и магнием. "16" - порядковый номер сплава. "П" - полунагартованный, то есть сплав прошел холодную обработку давлением до значения прочности вполовину меньше максимального.

Производство сплавов алюминия и их применение сильно разнятся в зависимости от вида и марки. Каждый сплав обладает своим собственным, весьма специфическим набором физико-механических свойств. Среди этих свойств есть такие, от которых зависит дальнейшая судьба сплава - то, куда он отправится с завода: на авиабазу, на стройку и в цех изготовления кухонной утвари. Эти свойства следующие: уровень прочности, коррозионная стойкость, плотность, пластичность, электро- и теплопроводность.

Основные свойства различных сплавов алюминия

Давайте рассмотрим основные сплавы на базе алюминия именно с точки зрения их приобретенных свойств.

Сплав меди и алюминия бываетнескольких видов - "чистый", в котором главными действующими элементами выступают Al и Cu, "медно-магниевый", в котором помимо меди и алюминия некоторую долю занимает магий и "медно-марганцевый" с легированием марганцем. Такие сплавы часто также называют дюралюминиям, их легко резать и сваривать "точечно".

Характерная черта дюралюминов в том, что для них берется алюминий с примесями железа и кремния. Как мы уже говорили, обычно присутствие этих элементов ухудшает качество сплава, но данный случай - исключение. Железо при повторной термической обработке сплава повышает его жаростойкость, а кремний выступает катализатором в процессе "старения" дюралюминов. В свою очередь магний и марганец в качестве легирующих элементов делают сплав намного прочнее.

Сплав алюминия и магния имеет разные показатели прочности и пластичности, в зависимости от количества магния. Чем магния меньше, тем меньше прочность изделия из такого сплава и тем выше стойкость к коррозии. Увеличение содержания магния на 1 % приводит к росту прочности до 30 000 Па. В среднем сплавы на основе магния и алюминия содержат до 6% первого. Почему не больше? Если магния в сплаве становится слишком много, изделие из него будет быстро покрываться ржавчиной, а кроме того такие изделия имеют нестабильную структуру, могут треснуть и т.д.

Термообработку сплавов магния с алюминием не проводят, так как она малоэффективна и не дает необходимого эффекта увлечения прочности.

Сплав алюминия с цинком и магнием считается наиболее прочным из всех алюминиевых сплавов, известных на сегодняшний день. Его прочность сравнима с титаном! Во время термообработки большая часть цинка растворяется, что и делает данный сплав таким прочным. Правда использовать в электрической промышленности изделия из таких сплавов невозможно, они не стойки к коррозии под напряжением. Чуть повысить коррозионную стойкость можно, если добавить в состав меди, но показатель все равно останется не удовлетворительным.

Сплав алюминия с кремнием - самый распространенный сплав в литейной промышленности. Поскольку кремний прекрасно растворяется в алюминии при нагреве, то образуемый расплавленный состав замечательным образом подходит для формовочного и фасонного литья. Готовые изделия относительно легко режутся и имеют высокую плотность.

Сплав алюминия с железом, как и сплавы алюминия с никелем практически не встречается "в живую". Железо добавляют исключительно как вспомогательный элемент для того, чтобы литейный сплав легко отлипал от стенок формы. Никель с свою очередь наиболее известен в производстве магнитов и присутствует в качестве одного из элементов в сплаве алюминий-никель-железо.

Сплав титана и алюминия, такжене встречается в чистом виде и используется только дляувеличения прочности изделий. С той же целью проводится сварка стали и сплавов алюминия.