Характеристика элемента алюминия: свойства и область применения

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:

• плотность – 2,7 г/см3 (для сравнения – плотность железа составляет 7,85 г/см3);
• температура плавления +600°C (железа+1535°C);
• высокие электро- и теплопроводность;
• парамагнетизм – металл притягивается магнитом исключительно при наличии магнитного поля;
• объемная гранецентрированная металлическая кристаллическая решетка.

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:

• Химическая активность. В мелкофракционном состоянии при высоких температурах Al активно соединяется с кислородом, фосфором, серой, азотом, йодом, углеродом. При комнатных температурах реагирует с бромом, хлором, щелочами.
• Взаимодействие с другими металлами с образованием сплавов, содержащих алюминиды, – интерметаллические соединения.
• При наличии на поверхности плотной оксидной пленки –стойкость к атмосферной коррозии, пресной и соленой воде, инертность к органическим кислотам, разбавленной и концентрированной HNO3. При очищенной оксидной пленке этот металл активно вступает в реакцию с водой.

Виды алюминия по степени очистки

В зависимости от процентного содержания основного элемента принята следующая классификация степеней чистоты:

• 99,5-99,79% – промышленная чистота (техническая);
• 99,8-99,949% – высокочистая;
• 99,95-99,9959% – сверхчистая;
• 99, 9960-99,9990 % – особо чистая;
• свыше 99,999% – ультрачистая.

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.

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.

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

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.

 

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.

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.

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.

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.

Авиация

На современном этапе развития дозвуковой и сверхзвуковой авиации алюминиевые сплавы являются основными конструкционными материалами в самолетостроении.

В авиации США широко применяются сплавы серии 2ххх, Зххх, 5ххх, 6ххх и 7ххх. Серия 2ххх рекомендована для работы при высоких рабочих температурах и с повышенными значениями коэффициента вязкости разрушения. Сплавы серии 7ххх – для работы при более низких температурах значительно нагруженных деталей и для деталей с высокой сопротивляемостью к коррозии под напряжением. Для малонагруженных узлов применяются сплавы серии Зххх, 5ххх и 6xxx. Они же используются в гидро-, масло-и топливных системах.

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).

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.

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.

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.

Алюминиевых изделий изобилие, как на кухне крупного предприятия общественного питания, так и на домашней кухне: мясорубки, вилки, ложки, чашки, тазы, посуда из алюминия и т. д. Алюминиевая фольга — прекрасный упаковочный материал, хорошо сохраняющий различные продукты. В обертку из алюминиевой фольги упаковываются кулинарный жир, маргарин, мороженое, конфеты и многое другое, поэтому его еще именуют – пищевой алюминий. В алюминиевые тубы традиционно упаковывается зубная паста. Чтобы было удобно пользоваться, некоторые продукты, такие, например, как плавленый сыр, упаковывают в тубы с отвинчивающейся крышкой. В таких тубах берут с собой в космос продукты питания космонавты. Все чаще тонкий листовой пищевой алюминий применяется вместо жести при производстве консервных банок, а также все больше посуды из алюминия изготавливают производители [5].

Ювелирное дело

Ювелиры любили алюминий: его легко обрабатывать, а пленка на поверхности придает сходства с благородной патиной.

Но эти времена прошли. Сегодня металл в почете только у японцев. Мастера выполняют традиционные украшения для причесок, одежды. Они проходят как бижутерия, заменяя элитарное серебро.

Мода прихотлива: сегодня появились украшения класса люкс из бетона как оправы. Так что всплеск популярности ювелирного алюминия не исключен.

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.

Рисунок 10 – Лекарства	Рисунок 11 – Дезодоранты

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].

Космическая техника

Первым, кто понял огромный потенциал алюминия для космоса, был великий писатель-писатель Жюль Верн. В своем романе «Путешествие на Луну» от еще в 1865 году детально описал ракету из алюминия.

Алюминиевые сплавы для космических аппаратов

Корпус первого советского спутника, который был запущен в октябре 1957 года, был изготовлен из алюминиево-магниевого сплава АМг6 с содержанием магния 6 %. Алюминиево-магниевые сплавы остаются основным материалом для изготовления корпусов ракет. Во внутренних отсеках ракет применяются и дюралевые алюминиевые сплавы.

Первый искусственный космический объект – советский Спутник 1

В последние десятилетия 20-го века в космических аппаратах стали применяться алюминиево-литиевые сплавы. Плотность лития составляет всего 0,533 г/см3 – он легче воды. Добавки лития в алюминий в количестве до 2,5 % снижают плотность алюминиевого сплава , а также повышают его модуль упругости. Так, сплав 8090 имеет плотность на 10 % ниже, а модуль упругости на 11 % выше, чем у популярных в самолетостроении сплавов 2024 и 2014. На рисунке ниже показано колесо марсохода Curiosity из алюминиевого сплава 7075.

Колесо марсохода Curiosity из алюминиевого сплава 7075-Т7351

Алюминий применяется также в качестве связующего материала в бороалюминиевых композитах, которые в настоящее время также применяются в космической технике.

Порошковый алюминий – компонент ракетного топлива

Высокая химическая активность алюминия дает возможность применять его в составе ракетного топлива для твердотопливных ускорителей в разрабатываемой NASA системе космических запусков (SLS).

В ракетных ускорителях алюминиевый порошок и перхлорат аммиака соединяются вместе с помощью специального связующего вещества. Эта смесь, похожая на материал стирательной резинки, помещается затем в стальной корпус [3].

Когда эта смесь загорается, кислород из перхлората аммиака соединяется с алюминием с образованием оксида алюминия, хлорида алюминия, водяного пара и газообразного азота, а также с выделением огромного количества энергии.

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.

• Наиболее известной сферой их применения является авиастроение. Для производства самолетов используются сплавы, состоящие из алюминия, цинка и магния, что в результате позволяет получить сверхпрочный и надежный материал.
• Также нередко используются сплавы алюминия с железом, титаном, никелем.

Основные физические свойства алюминия

Основные характеристики алюминия – высокая электро- и теплопроводность, пластичность, устойчивость к холоду и коррозии. Его можно обрабатывать посредством прокатки, ковки, штамповки, волочения. Алюминий прекрасно поддается сварке.

Примеси, присутствующие в металле в различных количествах, значительно ухудшают механические, технологические и физико-химические свойства чистого алюминия. Основными из них являются титан, кремний, железо, медь и цинк.

По степени очистки алюминий разделяют на технический металл и высокой чистоты. На практике различия данных типов – в стойкости к коррозии в различной среде. Стоимость напрямую зависит от чистоты алюминия. Технический металл подходит для производства проката, различных сплавов, кабельно-проводниковых изделий. Чистый используют для специальных целей.

Алюминий обладает высокой электропроводностью, уступая только золоту, серебру, меди. Однако сочетание данного показателя с малой плотностью позволяет использовать его при производстве кабельно-проводниковых изделий наравне с медью. Электропроводность металла может увеличиваться при длительном отжиге или ухудшаться при нагартовке.

Увеличивая чистоту алюминия, производители повышают его теплопроводность. Снизить данное свойство способны примеси меди, марганца и магния. Более высокую теплопроводность имеют исключительно медь и серебро. Именно благодаря данному свойству данный металл используют для производства радиаторов охлаждения и теплообменников.

Удельная теплоемкость алюминия, как и температура его плавления, достаточно высока. Данные показатели значительно превышают аналогичные значения большей части металлов. С повышением чистоты металла увеличивается и его способность отражать от поверхности световые лучи. Алюминий хорошо поддается полировке и прекрасно анодируется.

Металл близок по свойствам к кислороду, его поверхность на воздухе быстро затягивается пленкой из оксида алюминия – тонкой и прочной. Обладая антикоррозионными свойствами, она защищает металл от образования ржавчины и предупреждает дальнейшее окисление. Алюминий не взаимодействует с азотной кислотой (концентрированной и разбавленной) и органическими кислотами, он стоек к воздействию пресной, соленой воды.

Эти особенности алюминия придают ему устойчивость к коррозии, что и используется людьми. Именно поэтому его особенно широко применяют в строительстве. Интерес к нему увеличивается еще и по причине его легкости в сочетании с прочностью и мягкостью. Такие характеристики есть далеко не у всякого вещества.

Помимо вышеуказанных, алюминий имеет еще несколько интересных физических свойств:

• Ковкость и пластичность – алюминий стал материалом изготовления прочной и легкой тонкой фольги, а также проволоки.
• Плавление происходит при температуре +660 °С.
• Температура кипения +2 450 °С.
• Плотность – 2,7 г/см³.
• Наличие объемной гранецентрированной металлической кристаллической решетки.
• Тип связи – металлический.

Области использования алюминия определяются его химическими и физическими свойствами. Характеристики металла, рассмотренные выше, применяются в бытовых целях. Основные свойства алюминия, как прочного, особо легкого, антикоррозийного материала, используются в судо- и авиастроении. Именно поэтому важно их знать.

Основные химические свойства алюминия

С химической точки зрения алюминий является чрезвычайно сильным восстановителем, имеющим способность в чистом виде быть высоко активным веществом. Основное условие – убрать оксидную пленку.

Алюминий способен вступать в реакции с:

• щелочными соединениями;
• кислотами;
• серой;
• галогенами.

Алюминий не взаимодействует в обычных условиях с водой. Йод – единственный из галогенов, с которым у металла происходит реакция без нагревания. Для взаимодействия с прочими требуется увеличение температуры.

Рассмотрим несколько примеров, показывающих химические свойства данного металла. Это уравнения, иллюстрирующие взаимодействие с:

• щелочами: 2Al + 6H2O + 2NaOH = Na[Al(OH)4] + 3Н2;
• кислотами: AL + HCL = AlCL3 + H2;
• серой: 2AL + 3S = AL2S3;
• галогенами: AL + Hal = ALHal3.

Основным свойством алюминия считается его способность восстанавливать иные вещества из их соединений.

Реакции его взаимодействия с оксидами иных металлов хорошо показывают все восстановительные свойства вещества. Алюминий прекрасно выделяет металлы из различных соединений. Примером может служить: Cr2O3 + AL = AL2O3 + Cr.

Металлургическая промышленность активно использует эту способность алюминия. Методика получения веществ, которая основывается на данной реакции, называется алюминотермия. Химическая индустрия использует алюминий чаще всего для получения иных металлов.

Как применяют основные свойства алюминия

Алюминий в чистом виде имеет слабые механические свойства. Именно поэтому наиболее часто применяют его сплавы.

Таких сплавов достаточно много, вот основные из них:

• алюминий с марганцем;
• дюралюминий;
• алюминий с магнием;
• алюминий с медью;
• авиаль;
• силумины.

В основе этих сплавов лежит алюминий, отличаются они исключительно добавками. Последние же делают материал прочным, легким в обработке, более стойким к износу, коррозии.

Есть несколько основных областей применения алюминия (чистого или в виде сплава). Из металла изготавливают:

• фольгу и проволоку для бытового использования;
• посуду;
• морские и речные суда;
• самолеты;
• реакторы;
• космические аппараты;
• архитектурные и строительные элементы и конструкции.

Алюминий является одним из самых важных металлов наравне с железом и его сплавами. Эти два элемента таблицы Менделеева наиболее широко применяются человеком в своей деятельности.

Минералы, месторождения…а самородный алюминий?

Запасы алюминия в природе огромны. Среди металлов он держит первое место по распространенности. Но «общительность», активность элемента привела к тому, что в чистом виде металл практически отсутствует.

Минералов, содержащих алюминий, много:

• бокситы;
• глиноземы;
• полевые шпаты;
• нефелины;
• корунды.

Так что добыча алюминиевого сырья не составляет большого труда.

Если все запасы на Земле истощатся (что сомнительно), то алюминий можно добывать из морской воды. Там его содержание составляет 0,01 мг/л.

Кто захочет увидеть самородный алюминий, тому придется опускаться в жерла вулканов.

Происхождением такой металл из самых глубин нашей планеты.

Температура плавления

Перед плавкой металла обычно выполняется ряд действий, который позволяет снизить показатель. Например, для расплава часто берется алюминиевый порошок, потому что он быстрее плавится. Однако, этот способ используется только на предприятиях, поскольку взаимодействие с кислородом провоцирует окисление и выделение тепла. А при контакте материала с водой происходит мгновенный взрыв.

Тепловая энергия для расплава проводится снаружи материала или внутри него. В зависимости от уровня чистоты алюминия, плавка начнется при 643–660 °C.

Сплавы обычно содержат легирующие вещества. При их большом количестве снижается температура плавления. А если в материале содержится кремний, то плавление начинается уже при 500 °C. Этот показатель всегда варьируется в определенном диапазоне, поскольку не имеет постоянной величины.

В домашних условиях расплавить алюминий тоже возможно, но для этого используется только нарезанная проволока или чушки. Работать с порошком слишком опасно, поэтому лучше не рисковать. Для плавления подходит любая емкость, изготовленная из алюминия. Довольно легко сделать самодельный горн и выполнить весь процесс на открытом огне.

Не имеет значения даже наличие краски на материале, поскольку во время плавления все посторонние вещества выйдут вместе со шлаком. Для получения качественного сырья используются флюсы, они удаляют из сплава посторонние примеси и связывают материал.

Как производят крылатый металл

Производство металла можно разделить на две стадии.

• Первая — добыча бокситов, их дробление и отделение кремния при помощи пара.
• Вторая стадия: глинозем смешивают с расплавленным криолитом и воздействуют на смесь электротоком. В процессе реакции жидкий алюминий оседает на дне ванны.

Образовавшийся металл отливают в слитки; далее он отправляется потребителям или на производство сплавов и высокочистого алюминия.

Метод энергозатратный, «кушает» много электричества.

Бывает технический и сверхчистый

Полученный алюминий называется техническим или нелегированным. В нем содержание чистого металла не менее 99%. Его потребляет электронная промышленность, он необходим в производстве теплообменных и нагревательных устройств, осветительного оборудования.

Часть этого металла отправляется на дополнительную очистку, «рафинирование». В результате имеем металл высокой чистоты, с содержанием алюминия не менее 99,995%.

Его употребляют в электронике, в производстве полупроводников. Кабельное производство, химическое машиностроение сейчас не обойдется без сверхчистого алюминия.

Интересно: до открытия промышленного способа получения алюминия он был редкостью и стоил дороже золота. Нашего великого химика, Д.И. Менделеева, британцы почтили подарком. Это были аналитические весы (вещь, незаменимая для химика), у которых чашечки изготовили из золота и алюминия.

Металл для крыльев

Без такого металла, как алюминий, невозможно покорение неба. Крыльев людям не дано, а летать хочется человеку с давних времен. Не напрасно миф об Икаре живет с античных времен. Попытки взлететь предпринимались неоднократно.

Но прорыв случился в 1903 году, когда романтики неба и замечательные механики братья Райт подняли в воздух самолетик. Этот самолет открыл путь в небо.

Токсичность металла

Хотя алюминий очень распространен в мире, живые существа не используют его из-за небольшой токсичности. Соединения его долгое время оказывают вредное действие на людей и животных. Наибольшее влияние оказывают ацетат и гидроксид алюминия. Они воздействуют негативным образом на нервную систему и выделительную функцию организма.

Интересные факты об алюминии

Этот металл имеет такие особенности:

• Его соединения существуют не только на нашей планете, но и на Луне и Марсе;
• В организме человека имеется более 100 мг данного вещества;
• Суточная необходимость в нем составляет 2, 4 мг;
• Больше всего химического элемента находится в яблоках;
• Первый слиток чистого металла был произведен в 1932 году.

Алюминий в инвестициях

В настоящее время выгодно инвестировать деньги в алюминий. Динамика цен на алюминий в 2018 году колеблется до 2, 562 доллара за тонну. Такой рост обусловлен множеством санкций и последствиями их. Цены на металл на бирже в апреле-мае не достигали выше 2,280 долларов.