Сегодня алюминий используется практически во всех отраслях промышленности, начиная с производства пищевой посуды и заканчивая созданием фюзеляжей космических кораблей. Для тех или иных производственных процессов подходят только определенные марки алюминия, которые обладают определенными физико-химическими свойствами.
Главные свойства металла – высокая теплопроводность, ковкость и пластичность, устойчивость к образованию коррозии, небольшой вес и низкое омическое сопротивление. Они находятся в прямой зависимости от процентного содержания примесей, входящих в его состав, а также от технологии получения или обогащения. В соответствии с этим выделяют основные марки алюминия.
Виды алюминия
Все марки металла описаны и внесены в единую систему признанных национальных и международных стандартов: Европейских EN, Американских ASTM и международных ISO. В нашей стране марки алюминия определены ГОСТом 11069 и 4784. Во всех документах алюминий и его сплавы рассматриваются отдельно. При этом сам металл подразделяется именно на марки, а сплавы не имеют конкретно определенных знаков.
В соответствии с национальными и международными стандартами, следует выделить два вида микроструктуры нелегированного алюминия:
- высокой чистоты с процентным содержанием более 99,95%;
- технической чистоты, содержащей около 1% примесей и добавок.
В качестве примесей чаще всего рассматривают соединения железа и кремния. В международном стандарте ISO для алюминия и его сплавов выделена отдельная серия.
Химический состав алюминиевых сплавов
| Алюминиевые сплавы | |||||||||||||
| Марка | Массовая доля элементов, % | Плотность, кг/дм³ | |||||||||||
| ГОСТ | ISO209-1-89 | Кремний (Si) | Железо (Fe) | Медь (Cu) | Марганец (Mn) | Магний (Mg) | Хром (Cr) | Цинк (Zn) | Титан (Ti) | Другие | Алюминийне менее | ||
| Каждый | Сумма | ||||||||||||
| АД000 | A199,8 1080A | 0,15 | 0,15 | 0,03 | 0,02 | 0,02 | 0,06 | 0,02 | 0,02 | 99,8 | 2,7 | ||
| АД00 1010 | A199,7 1070A | 0,2 | 0,25 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,07 | 0,03 | 0,03 | 99,7 | 2,7 | ||
| АД00Е 1010Е | ЕА199,7 1370 | 0,1 | 0,25 | 0,02 | 0,01 | 0,02 | 0,01 | 0,04 | Бор:0,02 Ванадий+титан:0,02 | 0,1 | 99,7 | 2,7 | |
Марки алюминия
Технический вид материала делится на определенные марки, которые закреплены за соответствующими стандартами, например АД0 по ГОСТ 4784-97. При этом в классификацию входит и металл высокой частоты, чтобы не создавать путаницу. Данная спецификация содержит следующие марки:
- Первичный (А5, А95, А7Е).
- Технический (АД1, АД000, АДС).
- Деформируемый (АМг2, Д1).
- Литейный (ВАЛ10М, АК12пч).
- Для раскисления стали (АВ86, АВ97Ф).
Кроме того, выделяют и категории лигатуры – соединения алюминия, которые используются для создания сплавов из золота, серебра, платины и других драгоценных металлов.
Первичный алюминий
Первичный алюминий (марка А5) – типичный пример данной группы. Его получают путем обогащения глинозема. В природе металл в чистом виде не встречается ввиду его высокой химической активности. Соединяясь с другими элементами, он образует бокситы, нефелины и алуниты. Впоследствии из этих руд получают глинозем, а из него с помощью сложных химико-физических процессов — чистый алюминий.
ГОСТ 11069 устанавливает требования к маркам первичного алюминия, которые следует отметить путем нанесения вертикальных и горизонтальных полос несмываемой краской различных цветов. Данный материал нашел широкое применение в передовых отраслях промышленности, главным образом там, где от сырья требуются высокие технические характеристики.
Свойства крылатого металла
Алюминий (Aluminium) имеет несчастливый 13 номер в периодической таблице Менделеева. Однако на счастливую судьбу металла это не повлияло.
Этот легкий серебристый металл послушно поддается механической обработке и литью, имеет большую тягучесть.
Редкая способность — быстро образовывать окисные пленки на поверхности чистого металла. Но эти пленки не слишком хорошо защищают от коррозии. Надежнее химическое и электрохимическое оксидирование. Формула оксидной пленки А12Оз.
Химические и физические характеристики алюминия:
- плотность 2,7 г/см3;
- температура плавления 660°С;
- кипит цветной металл при температуре 2518°С;
- строение кристаллической решетки гранецентрированное, кубическое;
- степени окисления 0; +3.
С помощью металлического алюминия (его взаимодействия с оксидами металлов) получают трудновосстанавливаемые металлы. Этот метод называется алюминотермия.
| Свойства атома | |
| Название, символ, номер | Алюминий / Aluminium (Al), 13 |
| Группа, период, блок | 13, 3, |
| Атомная масса (молярная масса) | 26,9815386(8)[1] а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Ne] 3s2 3p1 |
| Электроны по оболочкам | 2, 8, 3 |
| Радиус атома | 143 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 121 ± 4 пм |
| Радиус Ван-дер-Ваальса | 184 пм |
| Радиус иона | 51 (+3e) пм |
| Электроотрицательность | 1,61 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | −1,66 В |
| Степени окисления | 0; +3 |
| Энергия ионизации | 1‑я: 577,5 (5,984) кДж/моль (эВ) 2‑я: 1816,7 (18,828) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Термодинамическая фаза | Твёрдое вещество |
| Плотность (при н. у.) | 2,6989 г/см³ |
| Температура плавления | 660 °C, 933,5 K |
| Температура кипения | 2518,82 °C, 2792 K |
| Уд. теплота плавления | 10,75 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 284,1 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 24,35[2] 24,2[3] Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 10,0 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | кубическая гранецентрированая |
| Параметры решётки | 4,050 Å |
| Температура Дебая | 394 K |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 237 Вт/(м·К) |
| Скорость звука | 5200 м/с |
| Номер CAS | 7429-90-5 |
Алюминий имеет один стабильный изотоп, 27Al.
Микроструктура алюминия на протравленной поверхности слитка, чистотой 99,9998 %, размер видимого сектора около 55×37 мм
Неправда, но хорошо придумано
В печатных изданиях, а сейчас и в интернете гуляет история о крестьянине, который вел «крамольные беседы о полете на Луну». Крестьянина (или мещанина), по одним сведениям Петрова, по другим Никифорова, сослали в киргизский поселок Байконур» Якобы известие о факте напечатано был в Московских губернских новостях», в 1848 году. Сейчас, когда с космодрома Байконура ушли в космос не один десяток спутников и станций, этот факт выглядит пророческим и мистическим.
Вот только это неправда. Дотошные читатели перерыли подшивки этой газеты, и заметки такой не обнаружили. Это просто красивая легенда.
Алюминиевые сплавы, плюсы и минусы
Кодовый символ, указывающий, что алюминий может быть вторично переработан
Чистый алюминий в строительных конструкциях применять нецелесообразно. Прочностные характеристики у него «так себе». А вот алюминиевые сплавы — другое дело. Сейчас известны и используются около 60 сплавов. Можно выбрать для любых нужд, на любой вкус.
Классификация сплавов проводится по составу, свойствам, по способности к термической обработке.
Добавки меди, магния и марганца, цинка существенно улучшают характеристики сплава в сравнении с чистым металлом. Этими металлами чаще всего легируют алюминий. Титан, литий, ванадий, церий, скандий, некоторые редкоземельные элементы для легирования применяются реже, но свойства этих сплавов также востребованы в промышленности.
Дюраль
Дюралюмины — сплавы алюминия с медью (4%), магнием (0,5%) и небольшого количества железа, марганца, кремния. Недостаток дюралей — подверженность коррозии; с ней справляются, применяя анодирование, плакировку, авиационную грунтовку, окрашивание.
Востребованные свойства сплава: хорошая статическая и усталостная прочность, высокая вязкость разрушения.
Широко применяется в деталях и конструкциях, где большую роль играет масса изделия. Главные потребители сплава — авиация, судостроение, космонавтика.
Для любознательных: дюралюминий придумали в 1909 году. «Папа» сплава — А. Вильм.
Сплав 7075
Разрабатывался компанией Sumitomo Metal Corporation (Япония) в строжайшей тайне.
Представляет соединение алюминия с цинком (до 6%), магния (2-2,5%), меди (до 1,5%). В тот же сплав добавлены титан, кремний, марганец, хром, железо. Добавки эти составляют не более 0,5%, но свой вклад в свойства сплава вносят.
Сплав сравним по прочности со сталью, но легче ее в три раза.
Модификации сплава:
- 7075-0;
- 7075-06;
- 7075-Т651;
- 7075-Т7;
- 7075-АСР.
Сплавы устойчивы к коррозии, хорошо полируются.
Применяются в производстве винтовок для армии и граждан. Промышленности автомобильная, авиационная, морская активно используют сплав. Его минус — достаточно высокая цена.
Сплавов разных много
В России довольно много сплавов с разными свойствами:
- D1, D16, 1161, 1163 — алюминий, магний, медь;
- АМГ1 — АМГ6, сплав алюминия и магния;
- AD31, AD33, AD35, AB — алюминий, кремний, магний. Список легко продолжить.
Старость в радость
Не всегда старость — это плохо. Металл — как человек или вино; с возрастом свойства алюминия меняются; он становится лучше, крепче, сильнее.
Естественное старение металла происходит при нормальных условиях; можно сказать, что металл «дозревает».
Искусственное старение проходит при термообработке и пластическом деформировании.
Термическая обработка бывает разных видов. Выбор зависит от назначения будущего сплава.
| Вид термообработки | Что дает термообработка |
| Закалка с полным искусственным старением | Высокая прочность сплава, но некоторое снижение пластичности |
| Закалка со стабилизирующим старением | Хорошая прочность, довольно высокая стабильность структуры |
| Закалка с последующим смягчающим отпуском | Хорошая пластичность, но снижение прочности сплава |
| Искусственное старение | Повышает прочность сплава, улучшает возможность обработки резанием |
| Отжиг | Повышение пластичности, уменьшение остаточных напряжений металла |
| Закалка | Улучшает прочностные характеристики |
| Закалка и неполное искусственное старение | Повышает прочность при сохранении пластичности |
Технический алюминий
Техническим алюминием называют материал с процентным содержанием инородных примесей менее 1%. Очень часто его также называют нелегированным. Технические марки алюминия по ГОСТу 4784-97 характеризуются очень низкой прочностью, но высокой антикоррозионной стойкостью. Благодаря отсутствию в составе легирующих частиц на поверхности металла быстро образуется защитная оксидная пленка, которая отличается устойчивостью.
Марки технического алюминия отличаются и хорошей тепло- и электропроводностью. В их молекулярной решетке практически отсутствуют примеси, которые рассеивают поток электронов. Благодаря этим свойствам материал активно используется в приборостроении, при производстве нагревательного и теплообменного оборудования, предметов освещения.
Деформируемый алюминий
К деформируемому алюминию относят материал, который подвергают горячей и холодной обработке давлением: прокатке, прессованию, волочению и другим видам. В результате пластических деформаций из него получают полуфабрикаты различного продольного сечения: алюминиевый пруток, лист, ленту, плиту, профили и другие.
Основные марки деформируемого материала, используемого на отечественном производстве, приведены в нормативных документах: ГОСТ 4784, OCT1 92014-90, OCT1 90048 и OCT1 90026. Характерной особенностью деформируемого сырья является твердая структура раствора с большим содержанием эвтектики – жидкой фазы, которая находится в равновесии с двумя или более твердыми состояниями вещества.
Область применения деформируемого алюминия, как и та, где применяется алюминиевый пруток, достаточно обширна. Он используется как в областях, требующих высоких технических характеристик от материалов — в корабле- и самолетостроении, так и на строительных площадках в качестве сплава для сварки.
Алюминиевые сплавы
Наиболее распространенные элементы в составе алюминиевых сплавов — медь, марганец, магний, цинк и кремний. Реже встречаются сплавы с титаном, бериллием, цирконием и литием.
Алюминиевые сплавы условно разделяют на две группы: литейные и деформируемые.
Для изготовления литейных сплавов расплавленный алюминий заливают в литейную форму, которая соответствует конфигурации получаемого изделия. Эти сплавы часто содержат значительные примеси кремния для улучшения литейных свойств.
Деформируемые сплавы сначала разливают в слитки, а затем придают им нужную форму.
Происходит это несколькими способами в зависимости от вида продукта:
- Прокаткой, если необходимо получить листы и фольгу.
- Прессованием, если нужно получить профили, трубы и прутки.
- Формовкой, чтобы получить сложные формы полуфабрикатов.
- Ковкой, если требуется получить сложные формы с повышенными механическими свойствами.
Литейный алюминий
Литейные марки алюминия используются для производства фасонных изделий. Их главной особенностью является сочетание высокой удельной прочности и низкой плотности, что позволяет отливать изделия сложных форм без образования трещин.
Согласно своему назначению, литейные марки условно делятся на группы:
- Высокогерметичные материалы (АЛ2, АЛ9, АЛ4М).
- Материалы с высокой прочностью и жароустойчивостью (АЛ 19, АЛ5, АЛ33).
- Вещества с высокой антикоррозионной устойчивостью.
Очень часто эксплуатационные характеристики изделий из литейного алюминия повышают различными видами термической обработки.
Область применения
Этот металл активно эксплуатируется в металлургической отрасли, электрической сфере, а также в механической. Разберем по порядку.
Как уже упоминалось ранее, из алюминия можно изготовить легковесную металлическую конструкцию, с высоким коэффициентом прочности. Это очень выгодно в плане того, что затраты на фундаментирование здания, а также закупку прочных опор отпадают. Еще одним продуктом являются очень тонкие горячекатаные листы, которые активно эксплуатируются в химической отрасли. Благодаря инертности к щелочам и иным химическим веществам, алюминий является приоритетным металлом, при обшивке помещения.
Вторая сфера применения – электрическая. Давно известно, что алюминий может полностью заменить медь, так как является превосходным проводником электричества. Взять, к примеру, электронику в авто. Если заменить все медные провода алюминиевыми, общий вес автомобиля снизится на 12 килограмм. Это существенно облегчает задачу в машиностроении. К слову, этот металл зачастую применяется в машиностроении, при изготовлении небольших деталей для легковых и грузовых авто. Благодаря незначительному весу и высокой прочности, можно значительно уменьшить общий вес авто, сохранив все эксплуатационные характеристики.
Механическая. У каждого человека имеется свой персональный гаджет, электронное устройство или иной прибор. Но мало кто знает, что в каждом телефоне содержится небольшое количество алюминия, позволяющего поддерживать устройству работоспособность, а также выдержку батареи. Микросхемы, контакты батареи – это все изготовлено из данного металла.
Помимо этого, применяется в различных механизмах наподобие подъемного крана или тяжелого грузового авто.
Стоит отметить, что мастера кузнечного дела рекомендуют этот металл для декорирования и обшивки зданий. Благодаря высокой ковкости, из алюминия можно изготовить любое изделие, с минимальными затратами.
