Алюминий и его сплавы: характеристика, свойства, применение

Алюминий — серебристо-белый легкий парамагнитный металл. Впервые получен физиком из Дании Гансом Эрстедом в 1825 году. В периодической системе Д. И. Менделеева имеет номер 13 и символ Al, атомная масса равна 26,98.

Производство алюминия

Для производства алюминия используют бокситы — это горная порода, которая содержит гидраты оксида алюминия. Мировые запасы бокситов почти не ограничены и несоизмеримы с динамикой спроса.

Боксит дробят, измельчают и сушат. Получившуюся массу сначала нагревают паром, а затем обрабатывают щелочью — в щелочной раствор переходит большая часть оксида алюминия. После этого раствор длительно перемешивают. На этапе электролиза глинозем подвергают воздействию электрического тока силой до 400 кА. Это позволяет разрушить связь между атомами кислорода и алюминия, в результате чего остается только жидкий металл. После этого алюминий отливают в слитки или добавляют к нему различные элементы для создания алюминиевых сплавов.

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:

1. Прокаткой, если необходимо получить листы и фольгу.
2. Прессованием, если нужно получить профили, трубы и прутки.
3. Формовкой, чтобы получить сложные формы полуфабрикатов.
4. Ковкой, если требуется получить сложные формы с повышенными механическими свойствами.

Марки алюминиевых сплавов

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

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

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

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

Виды и свойства алюминиевых сплавов

Алюминиево-магниевые сплавы

Эти пластичные сплавы обладают хорошей свариваемостью, коррозийной стойкостью и высоким уровнем усталостной прочности.

В алюминиево-магниевых сплавах содержится до 6% магния. Чем выше его содержание, тем прочнее сплав. Повышение концентрации магния на каждый процент увеличивает предел прочности примерно на 30 МПа, а предел текучести — примерно на 20 МПа. При подобных условиях уменьшается относительное удлинение, но незначительно, оставаясь в пределах 30–35%. Однако при содержании магния свыше 6% механическая структура сплава в нагартованном состоянии приобретает нестабильных характер, ухудшается коррозийная стойкость.

Для улучшения прочности в сплавы добавляют хром, марганец, титан, кремний или ванадий. Примеси меди и железа, напротив, негативно влияют на сплавы этого вида — снижают свариваемость и коррозионную стойкость.

Алюминиево-марганцевые сплавы

Это прочные и пластичные сплавы, которые обладают высоким уровнем коррозионной стойкости и хорошей свариваемостью.

Для получения мелкозернистой структуры сплавы этого вида легируют титаном, а для сохранения стабильности в нагартованном состоянии добавляют марганец. Основные примеси в сплавах вида Al-Mn — железо и кремний.

Сплавы алюминий-медь-кремний

Сплавы этого вида также называют алькусинами. Из-за высоких технических свойств их используют во втулочных подшипниках, а также при изготовлении блоков цилиндров. Обладают высокой твердостью поверхности, поэтому плохо прирабатываются.

Алюминиево-медные сплавы

Механические свойства сплавов этого вида в термоупрочненном состоянии порой превышают даже механические свойства некоторых низкоуглеродистых сталей. Их главный недостаток — невысокая коррозионная стойкость, потому эти сплавы обрабатывают поверхностными защитными покрытиями.

Алюминиево-медные сплавы легируют марганцем, кремнием, железом и магнием. Последний оказывает наибольшее влияние на свойства сплава: легирование магнием значительно повышает предел текучести и прочности. Добавление железа и никеля в сплав повышает его жаропрочность, кремния — способность к искусственному старению.

Алюминий-кремниевые сплавы

Сплавы этого вида иначе называют силуминами. Некоторые из них модифицируют добавками натрия или лития: наличие буквально 0,05% лития или 0,1% натрия увеличивает содержание кремния в эвтектическом сплаве с 12% до 14%. Сплавы применяются для декоративного литья, изготовления корпусов механизмов и элементов бытовых приборов, поскольку обладают хорошими литейными свойствами.

Сплавы алюминий-цинк-магний

Прочные и хорошо обрабатываемые. Типичный пример высокопрочного сплава этого вида — В95. Подобная прочность объясняется высокой растворимостью цинка и магния при температуре плавления до 70% и до 17,4% соответственно. При охлаждении растворимость элементов заметно снижается.

Основной недостаток этих сплавов — низкую коррозионную стойкость во время механического напряжения — исправляет легирование медью.

Авиаль

Авиаль — группа сплавов системы алюминий-магний-кремний с незначительными добавлениями иных элементов (Mn, Cr, Cu). Название образовано от сокращения словосочетания «авиационный алюминий».

Применять авиаль стали после открытия Д. Хансоном и М. Гейлером эффекта искусственного состаривания и термического упрочнения этой группы сплавов за счет выделения Mg2Si.

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью и удовлетворительной коррозионной стойкостью. Из авиаля изготавливают кованые и штампованные детали сложной формы. Например, лонжероны лопастей винтов вертолетов. Для повышения коррозионной стойкости содержание меди иногда снижают до 0,1%.

Также сплав активно используют для замены нержавеющей стали в корпусах мобильных телефонов.

Физические свойства

• Плотность — 2712 кг/м³.
• Температура плавления — от 658°C до 660°C.
• Удельная теплота плавления — 390 кДж/кг.
• Температура кипения — 2500 °C.
• Удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг.
• Удельная теплоемкость — 897 Дж/кг·K.
• Электропроводность — 37·10⁶ См/м.
• Теплопроводность — 203,5 Вт/(м·К).

Химический состав алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы
Марка		Массовая доля элементов, %											Плотность, кг/дм³
ГОСТ	ISO 209-1-89	Кремний (Si)	Железо (Fe)	Медь (Cu)	Марганец (Mn)	Магний (Mg)	Хром (Cr)	Цинк (Zn)	Титан (Ti)	Другие		Алюминий не 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

Применение алюминия

Ювелирные изделия

В далеком прошлом из-за высокой стоимости алюминия его использовали для изготовления ювелирных изделий. Так, весы с алюминиевыми и золотыми чашами были подарены Д. И. Менделееву в 1889 г.

Когда себестоимость алюминия снизилась, мода на ювелирные изделия из этого металла прошла. Но и в наши дни его используют для изготовления бижутерии. В Японии, например, алюминием заменяют серебро при производстве национальных украшений.

Столовые приборы

По-прежнему пользуются популярностью столовые приборы и посуда из алюминия. В частности, в армии широко распространены алюминиевые фляжки, котелки и ложки.

Стекловарение

Алюминий широко применяют в стекловарении. Высокий коэффициент отражения и низкая стоимость вакуумного напыления — основные причины использования алюминия при изготовления зеркал.

Пищевая промышленность

Алюминий зарегистрирован как пищевая добавка Е173. Ее используют в качестве пищевого красителя, а также для сохранения продуктов от плесени. Е173 окрашивает кондитерские изделия в серебристый цвет.

Военная промышленность

Из-за небольшого веса и низкой стоимости алюминий широко применяют при изготовлении ручного стрелкового оружия — автоматов и пистолетов.

Ракетная техника

Алюминий и его соединения используют в качестве ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твердых ракетных топливах.

Алюмоэнергетика

В алюмоэнергетике алюминий используют для производства водорода и тепловой энергии, а также выработки электроэнергии в воздушно-алюминиевых электрохимических генераторах.