Химические свойства алюминия
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Ижевский государственный университет"
Факультет "Современные технологии и автомобили"
"Кафедра химии и химической технологии"
Реферат по теме
Химические свойства алюминия
Выполнил:
Белов И.С
Б1-712-1
Принял: Кибенко В.Д.
Ижевск 2011
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Алюминий и его сплавы
.1 Алюминий в природе
.2 Свойства алюминия
.3 Алюминиевые сплавы
.3.1 Маркировка алюминиевых сплавов
1.3.2 Классификация алюминиевых сплавов
ГЛАВА 2. Получение и применение алюминия и его сплавов
.1 Получение алюминия
.2 Применение алюминия и его сплавов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Использованная литература
ВВЕДЕНИЕ
Алюминий - химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 13, относительная атомная масса 26,98. В природе представлен лишь одним стабильным нуклидом 27Al. Искусственно получен ряд радиоактивных изотопов алюминия, наиболее долгоживущий - 26Al имеет период полураспада 720 тысяч лет. Кристаллическая решетка кубическая гранецентрированная
Впервые алюминий был получен датским физиком Гансом Христианом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути.
По темпам роста производства и потребления алюминий не имеет себе равных среди других материалов. Разнообразные свойства алюминия и его сплав обусловили применение их в производстве более 500 тыс. различных изделий современной промышленности. производственные мощности алюминиевых заводов и запасы алюминия во многом определяют мощь страны.
В данной курсовой мы узнаем о свойствах алюминия, способах его получения и областях, в которых применяется этот цветной металл.
ГЛАВА 1. АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
1.1 Алюминий в природе
В земной коре алюминия очень много: 8,6% по массе. Он занимает первое место среди всех металлов и третье среди других элементов (после кислорода и кремния). Алюминия вдвое больше, чем железа, и в 350 раз больше, чем меди, цинка, хрома, олова и свинца вместе взятых! Как писал более 100 лет назад в своем классическом учебнике Основы химии Д.И.Менделеев, из всех металлов "алюминий есть самый распространенный в природе; достаточно указать на то, что он входит в состав глины, чтоб ясно было всеобщее распространение алюминия в коре земной. Алюминий, или металл квасцов (alumen), потому и называется иначе глинием, что находится в глине".
Важнейший минерал алюминия - боксит, смесь основного оксида AlO(OH) и гидроксида Al(OH)3. Крупнейшие месторождения боксита находятся в Австралии, Бразилии, Гвинее и на Ямайке; промышленная добыча ведется и в других странах. Богаты алюминием также алунит (квасцовый камень) (Na,K)2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3, нефелин (Na,K)2O·Al2O3·2SiO2. Всего же известно более 250 минералов, в состав которых входит алюминий; большинство из них - алюмосиликаты, из которых и образована в основном земная кора. При их выветривании образуется глина, основу которой составляет минерал каолинит Al2O3·2SiO2·2H2O. Примеси железа обычно окрашивают глину в бурый цвет, но встречаются и белая глина - каолин, которую применяют для изготовления фарфоровых и фаянсовых изделий.
Изредка встречается исключительно твердый (уступает лишь алмазу) минерал корунд - кристаллический оксид Al2O3, часто окрашенный примесями в разные цвета. Его синяя разновидность (примесь титана и железа) называется сапфиром, красная (примесь хрома) - рубином. Разные примеси могут окрашивать так называемый благородный корунд также в зеленый, желтый, оранжевый, фиолетовый и другие цвета и оттенки.
Еще недавно считалось, что алюминий как весьма активный металл не может встречаться в природе в свободном состоянии, однако в 1978 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. Известно, что при нагревании галогенидов алюминия - хлорида, бромида, фторида они могут с большей или меньшей легкостью испаряться (так, AlCl3 возгоняется уже при 180° C). 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 + AlCl3
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.
Название алюминия происходит от латинского alumen (род. падеж aluminis). Так называли квасцы, двойной сульфат калия-алюминия KAl(SO4)2·12H2O), которые использовали как протраву при крашении тканей. Латинское название, вероятно, восходит к греческому "халмэ" - рассол, соляной раствор. Любопытно, что в Англии алюминий - это aluminium, а в США - aluminum.
Во многих популярных книгах по химии приводится легенда о том, что некий изобретатель, имя которого история не сохранила, принес императору Тиберию, правившему Римом в 14-27 н.э., чашу из металла, напоминающего цветом серебро, но более легкого. Этот подарок стоил жизни мастеру: Тиберий приказал казнить его, а мастерскую уничтожить, поскольку боялся, что новый металл может обесценить серебро в императорской сокровищнице.
Эта легенда основана на рассказе Плиния Старшего, римского писателя и ученого, автора Естественной истории - энциклопедии естественнонаучных знаний античных времен. Согласно Плинию, новый металл был получен из "глинистой земли". А ведь глина действительно содержит алюминий.
Современные авторы почти всегда делают оговорку, что вся эта история - не более чем красивая сказка. И это не удивительно: алюминий в горных породах чрезвычайно прочно связан с кислородом, и для его выделения необходимо затратить очень много энергии. Однако в последнее время появились новые данные о принципиальной возможности получения металлического алюминия в древности. Как показал спектральный анализ, украшения на гробнице китайского полководца Чжоу-Чжу, умершего в начале III в. н.э., сделаны из сплава, на 85% состоящего из алюминия. Могли ли древние получить свободный алюминий? Все известные способы (электролиз, восстановление металлическим натрием или калием) отпадают автоматически. Могли ли в древности найти самородный алюминий, как, например, самородки золота, серебра, меди? Это тоже исключено: самородный алюминий - редчайший минерал, который встречается в ничтожных количествах, так что древние мастера никак не могли найти и собрать в нужном количестве такие самородки.
Однако возможно и другое объяснение рассказа Плиния. Алюминий можно восстановить из руд не только с помощью электричества и щелочных металлов. Существует доступный и широко используемый с древних времен восстановитель - это уголь, с помощью которого оксиды многих металлов при нагревании восстанавливаются до свободных металлов. В конце 1970-х немецкие химики решили проверить, могли ли в древности получить алюминий восстановлением углем. Они нагрели в глиняном тигле до красного каления смесь глины с угольным порошком и поваренной солью или поташом (карбонатом калия). Соль была получена из морской воды, а поташ - из золы растений, чтобы использовать только те вещества и методы, которые были доступны в древности. Через некоторое время на поверхности тигля всплыл шлак с шариками алюминия! Выход металла был мал, но не исключено, что именно этим путем древние металлурги могли получить "металл 20 века".
1.2 Свойства алюминия
По цвету чистый алюминий напоминает серебро, это очень легкий металл: его плотность всего 2,7 г/см3. Легче алюминия только щелочные и щелочноземельные металлы (кроме бария), бериллий и магний. Плавится алюминий тоже легко - при 600° С (тонкую алюминиевую проволоку можно расплавить на обычной кухонной конфорке), зато кипит лишь при 2452° С. 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. В таком же порядке изменяется и теплопроводность металлов. В высокой теплопроводности алюминия легко убедиться, опустив алюминиевую ложечку в горячий чай. И еще одно замечательное свойство у этого металла: его ровная блестящая поверхность прекрасно отражает свет: от 80 до 93% в видимой области спектра в зависимости от длины волны. В ультрафиолетовой области алюминию в этом отношении вообще нет равных, и лишь в красной области он немного уступает серебру (в ультрафиолете серебро имеет очень низкую отражательную способность).
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.
Характерная степень окисления алюминия +3, но благодаря наличию незаполненных 3р- и 3d-орбиталей атомы алюминия могут образовывать дополнительные донорно-акцепторные связи. Поэтому ион Al3+ с небольшим радиусом весьма склонен к комплексообразованию, образуя разнообразные катионные и анионные комплексы: AlCl4-, AlF63-, [Al(H2O)6]3+, Al(OH)4-, Al(OH)63-, AlH4- и многие другие. Известны комплексы и с органическими соединениями.
Химическая активность алюминия весьма высока; в ряду электродных потенциалов он стоит сразу за магнием. На первый взгляд такое утверждение может показаться странным: ведь алюминиевая кастрюля или ложка вполне устойчивы на воздухе, не разрушаются и в кипящей воде. Алюминий, в отличие от железа, не ржавеет. Оказывается, на воздухе металл покрывается бесцветной тонкой, но прочной "броней" из оксида, которая защищает металл от окисления. Так, если внести в пламя горелки толстую алюминиевую проволоку или пластинку толщиной 0,5-1 мм, то металл плавится, но алюминий не течет, так как остается в мешочке из его оксида. Если лишить алюминий защитной пленки или сделать ее рыхлой (например, погружением в раствор ртутных солей), алюминий тут же проявит свою истинную сущность: уже при комнатной температуре начнет энергично реагировать с водой с выделением водорода:
2Al + 6H2O ® 2Al(OH)3 + 3H2
На воздухе лишенный защитной пленки алюминий прямо на глазах превращается в рыхлый порошок оксида:
2Al + 3O2 ® 2Al2O3
Особенно активен алюминий в мелкораздробленном состоянии; алюминиевая пыль при вдувании в пламя моментально сгорает. Если смешать на керамической пластинке алюминиевую пыль с пероксидом натрия и капнуть на смесь водой, алюминий также вспыхивает и сгорает белым пламенем.
Очень высокое сродство алюминия к кислороду позволяет ему "отнимать" кислород от оксидов ряда других металлов, восстанавливая их (метод алюминотермии). Самый известный пример - термитная смесь, при горении которой выделяется так много тепла, что полученное железо расплавляется:
8Al + 3Fe3O4 ® 4Al2O3 + 9Fe
Эта реакция была открыта в 1856 Н.Н.Бекетовым. Таким способом можно восстановить до металлов Fe2O3, CoO, NiO, MoO3, V2O5, SnO2, CuO, ряд других оксидов. При восстановлении же алюминием Cr2O3, Nb2O5, Ta2O5, SiO2, TiO2, ZrO2, B2O3 теплоты реакции недостаточно для нагрева продуктов реакции выше их температуры плавления.
Алюминий легко растворяется в разбавленных минеральных кислотах с образованием солей. Концентрированная азотная кислота, окисляя поверхность алюминия, способствует утолщению и упрочнению оксидной пленки (так называемая пассивация металла). Обработанный таким образом алюминий не реагирует даже с соляной кислотой. С помощью электрохимического анодного окисления (анодирования) на поверхности алюминия можно создать толстую пленку, которую нетрудно окрасить в разные цвета.
Вытеснение алюминием из растворов солей менее активных металлов часто затруднено защитной пленкой на поверхности алюминия. Эта пленка быстро разрушается хлоридом меди, поэтому легко идет реакция
3CuCl2 + 2Al ® 2AlCl3 + 3Cu,
которая сопровождается сильным разогревом. В крепких растворах щелочей алюминий легко растворяется с выделением водорода:
2Al + 6NaOH + 6Н2О ® 2Na3[Al(OH)6] + 3H2
(образуются и другие анионные гидроксо-комплексы). Амфотерный характер соединений алюминия проявляется также в легком растворении в щелочах его свежеосажденного оксида и гидроксида. Кристаллический оксид (корунд) весьма устойчив к действию кислот и щелочей. При сплавлении со щелочами образуются безводные алюминаты:
Al2O3 + 2NaOH ® 2NaAlO2 + H2O
Алюминат магния Mg(AlO2)2 - полудрагоценный камень шпинель, обычно окрашенный примесями в самые разнообразные цвета.
Бурно протекает реакция алюминия с галогенами. Если в пробирку с 1 мл брома внести тонкую алюминиевую проволоку, то через короткое время алюминий загорается и горит ярким пламенем. Реакция смеси порошков алюминия и иода инициируется каплей воды (вода с иодом образует кислоту, которая разрушает оксидную пленку), после чего появляется яркое пламя с клубами фиолетовых паров иода. Галогениды алюминия в водных растворах имеют кислую реакцию из-за гидролиза:
AlCl3 + H2O® Al(OH)Cl2 + HCl
Реакция алюминия с азотом идет только выше 800° С с образованием нитрида AlN, с серой - при 200° С (образуется сульфид Al2S3), с фосфором - при 500° С (образуется фосфид AlP). При внесении в расплавленный алюминий бора образуются бориды состава AlB2 и AlB12 - тугоплавкие соединения, устойчивые к действию кислот. Гидрид (AlH)х (х = 1,2) образуется только в вакууме при низких температурах в реакции атомарного водорода с парами алюминия. Устойчивый в отсутствие влаги при комнатной температуре гидрид AlH3 получают в растворе безводного эфира:
AlCl3 + LiH ® AlH3 + 3LiCl
При избытке LiH образуется солеобразный алюмогидрид лития LiAlH4 - очень сильный восстановитель, применяющийся в органических синтезах. Водой он мгновенно разлагается:
LiAlH4 + 4H2O ® LiOH + Al(OH)3 + 4H2
1.3 Алюминиевые сплавы
Ввиду низкой прочности применение алюминия как конструкционного материала, испытывающего нагрузки, исключается, но алюминий является основой алюминиевых конструкционных сплавов.
1.3.1 Маркировка алюминиевых сплавов
Алюминиевые сплавы маркируют буквенно-цифровой или цифровой маркировкой.
Буквы означают соответствующую группу, а цифры указывают номер сплава или содержание основного легирующего элемента в процентах.
Сочетание букв АМг или АМц означает сплав А1 с Mg или Мn, соответственно. У сплавов Al - Mg цифра характеризует среднее содержание Mg (в %). Так, сплавы АМгЗ, АМг5 и АМг6 содержат соответственно 3; 5 и 6% Mg.
Высокопрочные сплавы (В) системы А1 - Zn - Mg - Си имеют первую цифру 9; вторая цифра указывает номер сплава (например, В93, В94, В95).
АД-означает А1 деформируемый.
Д - означает сплав типа дуралюмин - системы А1 - Си - Mg.
АК - означает группу алюминиевых ковочных сплавов. Цифры показывают номер сплава; дополнительная цифра 1 указывает модификацию сплава (например, АК4 и АК4-1).
Состояние при поставке сплавов, не упрочняемых термообработкой, обозначают буквами, следующими после маркировки: А - сплав повышенного качества; М - мягкий, отожженный; П - полунагартованный; Н - нагартованный.
Состояние при поставке сплавов, упрочняемых термообработкой, имеет буквенно-цифровую индексацию, следующую после маркировки: М - мягкий, отожженный; Т - термически обработанный, закаленный и естественно состаренный; Т1 - термически обработанный, закаленный и искусственно состаренный; Н - нагартованный; H1 - усиленно нагартованный и т. д.
Литейные алюминиевые стали обозначаются АЛ и цифрой, показывающей условный номер сплава (например, АЛ2, АЛЗ, АЛ4).
Наряду с этим имеется буквенно-цифровая маркировка технологической обработки полуфабрикатов и изделий, качественно отражающая механические, химические и другие свойства сплава. Например, обозначения режимов термической обработки литейных алюминиевых сплавов следующие: Т1 - старение; Т2 - отжиг; Т4 - закалка; Т5 - закалка и частичное старение; Т6 - закалка и полное старение до наибольшей твердости; Т7 - закалка и стабилизирующий отпуск; Т8 - закалка и смягчающий отпуск.
1.3.2 Классификация алюминиевых сплавов
Алюминиевые сплавы в основном подразделяются на деформируемые (поддающиеся обработке давлением в катаном или прессованном виде) и литейные (обрабатываемые методами литья). В производстве порошковых, гранулируемых сплавов и композиционных материалов в той или иной мере используются процессы пластической деформации и литья.
Алюминиевые сплавы разделяют также по способности упрочняться термической обработкой на упрочняемые (закалка с 435 - 545 °С, естественное старение при 20 °С или искусственное - при 75 - 225 °С, 3 - 48 ч) и не упрочняемые при обработке. Сплавы могут подвергаться гомогенизационному (480 - 530 °С, б - 36 ч), рекристаллизационному (300 - 500 °С, 0,5 - З ч) и разупрочняющему (закаленные и состаренные сплавы - 350-430 °С, 1 - 2 ч) отжигам. Деформируемые сплавы после обработки давлением и последующей термической обработки по механическим свойствам превосходят литейные сплавы. Литейные сплавы отличаются повышенным содержанием легирующих элементов, а эвтектическая структура (15 - 20 % объема) обеспечивает жидкотекучесть и более низкую температуру плавления.
Деформируемые сплавы применяют для изготовления несложных по конфигурации деталей, воспринимающих, однако, повышенные нагрузки. Литейные сплавы используют для изготовления деталей сложной формы, воспринимающих меньшие нагрузки.
Деформируемые алюминиевые сплавы.
Коррозионностойкие сплавы повышенной пластичности разделяют на две основные группы:
а) сплавы на основе систем А1 - Мn (АМц) и Al - Mg (АМг6), не упрочняемые термической обработкой. Их используют в отожженном (М), нагартованном (Н) или полунагартованном (П) состояниях. Эти сплавы хорошо свариваются. Их применяют для изготовления коррозионностойких изделий, получаемых методами глубокой вытяжки и сварки (например, сварных бензобаков, трубопроводов для масла и бензина, корпусов и мачт судов);
б) сплавы системы А1 - Mg - Si (АВ, АД31, АДЗЗ), упрочняемые закалкой (520 - 530 °С) и искусственным старением (150 - 170 °С, 10 - 12 ч). Эти сплавы, вне зависимости от состояния материала, не склонны к коррозионному растрескиванию под напряжением. Они удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состоянии, а также свариваются с помощью точечной, шовной и аргонодуговой сварки. Большей коррозионной стойкостью обладают сплавы АД31 и АДЗЗ, работающие в интервале - 70 до +50 °С; сплав авиаль АВ из указанной группы сплавов характеризуется большей прочностью. Из сплавов АВ, АД31 и АДЗЗ изготавливают лопасти и детали кабин вертолетов, барабаны колес гидросамолетов.
Хорошим сочетанием прочности и пластичности отличаются сплавы системы А1 - Си - Mg - дуралюмины Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17 и др. Они упрочняются термической обработкой, хорошо свариваются точечной сваркой, удовлетворительно обрабатываются резанием (в термоупрочненном состоянии); однако склонны к межкристаллической коррозии после нагрева (особенно Д1, Д16 и В65). Значительное повышение коррозийной стойкости сплавов достигается плакированием (покрытием их техническим алюминием А7, А8). Сплавы Д19 и ВД17 работают при нагреве до 200 - 250 °С. Например, из сплава ВД17 изготовляют лопатки компрессора двигателя. В авиации дуралюмины применяют для изготовления лопастей воздушных винтов (Д1), силовых элементов конструкций самолетов (Д16, Д19), заклепок (В65, Д18) и др.
Высокопрочные сплавы системы А1 - Zn - Mg - Си (В93, В93 В96Ц) характеризуются большими значениями временного сопротивления (до 700 МПа). При этом достаточная пластичность, трещиностойкость и сопротивление коррозии достигаются режимами коагуляционного ступенчатого старения, а также применением сплавов повышенной (В95пч) и особой (В95оч) чистоты. В данном случае сплавы обладают лучшей коррозионной стойкостью, чем дуралюмины. Рабочая температура высокопрочных сплавов не превышает 120 °С, ибо они не являются теплопрочными. Сплавы используют для изготовления высоконагруженных изделий, как правило, работающих в условиях сжатия (стрингеры, шпангоуты, лонжероны и др.).
Высокомодульный сплав 1420 обладает за счет легирования алюминия литием и магнием (система А1 - Mg - Li) пониженной (на 11 %) плотностью и одновременно повышенным (на 4%) модулем упругости по сравнению со свойствами сплава Д16. Сплав 1420 характеризуется коррозийной стойкостью (аналогичной сплаву АМг6М) после закалки с искусственным старением, а также после сварки. Сплав может быть использован для замены в изделиях сплава Д16, обеспечивая при этом снижение их массы на 10 - 15%.
Высокой пластичностью при горячей обработке давлением ковочные сплавы АК6 и АК8 (система Al - Mg - Si - Си). Они удовлетворительно свариваются, хорошо обрабатываются резанием, но склонны к коррозии под напряжением. Для обеспечения коррозионной стойкости детали сплавов АК6 и АК8 анодируют (электрохимически оксидируют) или наносят лакокрасочные покрытия. Из ковочных сплавов изготавливают ковкой штамповкой детали самолетов, работающие под нагрузкой (рамы, пояса лонжеронов, крепежные детали). Эти сплавы способны работать при криогенных температурах.
Жаропрочные алюминиевые сплавы системы А1 - Си - Mn (Д20, Д21) и Аl - Си - Mg - Fe - Ni (АК4-1) применяют для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах до 300 °С (поршни, головки цилиндров, диски и лопатки компрессоров). Жаропрочность достигается за счет легирования сплавов никелем, железом и титаном, затормаживающими диффузионные процессы и образующими сложнолегированные мелкодисперсные упрочняющие фазы, устойчивые к коагуляции при нагреве. Сплавы обладают высокой пластичностью и технологичностью в горячем состоянии, хорошо (Д20) или удовлетворительно (Д21, АК-1) свариваются, однако отличаются пониженной коррозионной стойкостью; их защищают от коррозии анодированием и лакокрасочными покрытиями. При 250 °С большей жаропрочностью обладают сплавы Д21 и Д20 по сравнению со сплавом АК4-1.
Литейные алюминиевые сплавы. Они предназначены для получения отливок деталей сложной конфигурации, изготовление которых резанием кованых и штампованных заготовок было бы связано со значительными металлоемкостью, фондоемкостью и трудоемкостью. Сплавы для фасонного литья должны обладать хорошими литейными свойствами: высокой жидкотекучести, небольшой усадки, малой склонности к образованию горячих трещин и пористости. Одновременно сплавы должны иметь оптимальные механические и химические (сопротивление коррозии) свойства. Лучшими литейными свойствами обладают сплавы эвтектического состава. Распространены сплавы на основе систем Al - Si, Al - Си, Al - Mg.
Конструкционные герметичные сплавы систем Al - Si (АЛ2) и Аl - Si - Mg (АЛ4, АЛ9, АЛ34) получили название силумины. АЛ2 близок к эвтектическому составу (10 - 13 % Si) и отличается высокими литейными свойствами, коррозионной стойкостью, большой плотностью отливок. В то же время структура сплава АЛ2, представляющая собой игольчатую грубую эвтектику с включениями кристаллов первичного кремния, не обеспечивает требуемых механических свойств материала. Повышение пластичности сплава за счет изменения структуры (измельчение структуры эвтектики, появление избыточных кристаллов α-твердого раствора вместо кремния) достигается модифицированием АЛ2 натрием (0,065%) посредством введения в расплав смеси солей (67% NaF + 33% NaCl). Термической обработкой сплав АЛ2 не упрочняется. Упрочняются термической обработкой легированные силумины АЛ4, АЛ9, АЛ34. Силумины обладают хорошими литейными свойствами, удовлетворительной обрабатываемостью резанием, свариваемостью и коррозийной стойкостью, для повышения которой детали анодируют и защищают лакокрасочными покрытиями. Сплав АЛ2 используют для изготовления мелких, а АЛ4 и АЛ9 для изготовления средних и крупных литых деталей (корпусов компрессоров, картеров двигателей внутреннего сгорания). Сплав АЛ34 (ВАЛ5) превосходит сплавы АЛ4 и АЛ9 по прочности на 25 - 50%. Сплав АЛ34 применяется для отливок, получаемых литьем под давлением (блоков цилиндров автомобильных двигателей), и отличается хорошим комплексом технологических свойств.
Высокопрочные и жаропрочные литейные сплавы. В эту группу входят сплавы систем А1 - Си - Мn (АЛ19), Аl - Си - Mn - Ni (АЛЗЗ) и А1 - Si - Си - Mg (АЛЗ, АЛ5).
Легирование сплава АЛ 19 титаном обеспечивает ему высокие механические свойства (в том числе при динамическом нагружении) при комнатной и низких температурах, а дополнительное легирование церием и цирконием придаёт жаропрочность при температурах до 300 °С. Сплав отличается хорошей обрабатываемостью резанием и свариваемостью, но имеет пониженную коррозионную стойкость. Сплав АЛ 19 упрочняется термообработкой; он широко используется для литья крупногабаритных отливок в песчаные формы.
Сплав АЛЗЗ характеризуется высокой жаропрочностью, хорошей обрабатываемостью резанием, однако имеет пониженные литейные свойства и коррозионную стойкость. Он термически упрочняется. Температура работы сплава АЛЗЗ - до 350 °С.
Сплавы АЛЗ и АЛ5 отличаются повышенной жаропрочностью при температурах до 250 - 270 °С, но пониженной коррозионной стойкостью. Сплавы упрочняют, из них изготавливают корпуса приборов, головки цилиндров двигателей, работающие при повышенных температурах (250 - 270 °С).
Коррозионностойкие литейные алюминиевые сплавы. Сплавы систем Аl - Mg (АЛ8, АЛ27) и Al - Mg - Zn (AJI24) обладают высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, обрабатываются резанием и свариваются. Дополнительное легирование сплавов системы Al - Mg бериллием, титаном и цирконием вызывает измельчение зерна и затормаживание процесса естественного старения, приводящего к снижению пластичности и коррозионной стойкости. Поэтому сплавы системы Al - Mg упрочняются только закалкой в масле без последующего старения. Сплавы АЛ8, АЛ27 и АЛ27-1 характеризуются невысокими литейными свойствами и низкой жаропрочностью (рабочие температуры до 80 °С). Сплавы способны работать в условиях коррозии морской воды вместо дефицитных бронз, латуней и нержавеющих сталей.
Сплавы системы Аl - Mg - 7л (АЛ24) обладают стабильными механическими свойствами, хорошей жаропрочностью (до 150 °С) и удовлетворительными литейными свойствами. Сплав АЛ24 упрочняется естественным или искусственным старением без предшествующей закалки либо закалкой от 550 °С (на воздухе или в кипящей воде) с последующим искусственным старением (165 °С, 22 ч) для повышения прочности.
Спеченные алюминиевые сплавы (порошковые и гранулированные) характеризуются повышенными механическими и физическими свойствами.
Спеченный алюминиевый порошок (САП) - это материал, полученный холодным, а затем горячим брикетированием (прессованием под давлением 700 МПа при 500 - 600 °С) предварительно окисленной алюминиевой пудры (чешуек толщиной до 1 мкм). Потом из горячепрессованных брикетов ковкой, прокаткой или прессованием изготавливают изделия или полуфабрикаты. Поскольку каждая частичка пудры покрыта тонким слоем оксида алюминия, то чем тоньше пудра, тем больше в САПе оксида алюминия, выше его прочность, но ниже пластичность; в САПе содержится А12О3 от 6 до 22%. САП характеризуется высокой прочностью и жаропрочностью при повышенных температурах (350 - 500 °С). Так, временное сопротивление САПа при 500 °С колеблется в интервале 80 - 120 МПа (в зависимости от содержания А12О3). Разновидностью САПа является сплав СПАК-4 (системы А1 - Си - Mg - А12О3), в котором впервые использовано совместное упрочнение алюминиевой матрицы оксидами (А12О3) и интерметаллидами (например, Al9FeNi и др.). Обладая высокой длительной прочностью при 350 °С (в 2-2,5 раза большей, чем у сплава АК4-1), сплав СПАК4| может применяться для изготовления поршней, работающих на форсированных режимах.
Спеченные алюминиевые сплавы систем А1 - Si - Ni (САС-1) и Аl - Si - Fe (CAC-2), отличающиеся низким коэффициентом термического расширения, изготавливают из порошков, полученных пульверизацией жидких сплавов. Это обеспечивает сплавам достаточно равномерную дисперсную структуру, содержащую мелкие включения кремния и интерметаллидов.
Получили распространение гранулируемые алюминиевые сплавы, отличающиеся высоким содержанием легирующих элементов (Mn, Cr, Zr, Ti, V), нерастворимых или малорастворимых в алюминии. Гранулирование (получение гранул - литых частиц с диаметром от нескольких миллиметров до десятых долей миллиметра) осуществляют распылением расплава с высокими скоростями охлаждения (104 - 108 °С/с) в воде. При этом образуются пересыщенные переходными металлами твердые растворы на основе алюминия; одновременно изменяется структура: грубые первичные и эвтектические включения интерметаллидов (присущие слиткам, получаемым по обычной технологии) становятся более тонкими и равномерно распределенными, что повышает механические свойства сплавов. Из гранул изготавливают прессованные полуфабрикаты и листы любых алюминиевых сплавов. В процессе горячей деформации при получении полуфабрикатов аномально пересыщенные твердые растворы распадаются с выделением дисперсных частиц интерметаллидов. Таким образом, технологический нагрев до 400 - 450°С при изготовлении полуфабрикатов является упрочняющим старением сплава. Роль закалки для таких сплавов играет кристаллизация при больших скоростях охлаждения.
Дисперсионно твердеющим гранулируемым является сплав 01419 системы А1 - Сг - Zr, который упрочняется вследствие выделения фаз А13Zr, А17Сг при прессовании прутков. Сплав обладает повышенной жаропрочностью до 350 °С.
Другой группой гранулируемых сплавов являются высокопрочные сплавы типа В95, В96Ц системы Аl - Zn - Mg - Си (например, ПВ90), упрочняемые термической обработкой. Сплав ПВ90Т1 превосходит по прочности и температуре рекристаллизации все серийные деформируемые алюминиевые сплавы. Сплав ПВ90 хорошо полируется и обрабатывается резанием. Обладая размерной стабильностью, он перспективен для изготовления зеркал, узлов трения и других ответственных деталей высокоточных приборов.
Композиционные алюминиевые сплавы. Волокнистые композиционные материалы получают, армируя алюминиевые сплавы АД1, АДЗЗ борными волокнами (ВКА-1, ВКА-2). Эти материалы используют для изготовления стрингеров, труб. Для композиционных материалов ВКА-1 и ВКА-2 характерны высокие значения циклической прочности. Алюминиевые сплавы, армированные стальной проволокой (КАС-1, КАС-1А), могут подвергаться гибке, обладают высокой ударной вязкостью и жаропрочностью, большим сопротивлением распространению усталостной трещины и значительной прочностью. Применение накладок (стопперов) из материала КАС уменьшает скорость распространения трещины более чем в пять раз по сравнению с накладками из титановых сплавов.
ГЛАВА 2. ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
2.1 Получение 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:
AlF6 + 3K ® Al + 3NaF + 3KF
Позднее ему удалось получить алюминий в виде блестящих металлических шариков. В 1854 французский химик Анри Этьен Сент-Клер Девилль разработал первый промышленный способ получения алюминия - восстановлением расплава тетрахлоралюминиата натрием:
NaAlCl4 + 3Na ® Al + 4NaCl
Тем не менее, алюминий продолжал оставаться чрезвычайно редким и дорогим металлом; он стоил ненамного дешевле золота и в 1500 раз дороже железа (сейчас - только втрое). Из золота, алюминия и драгоценных камней была сделана в 1850-х погремушка для сына французского императора Наполеона III. Когда в 1855 на Всемирной выставке в Париже был выставлен большой слиток алюминия, полученный новым способом, на него смотрели, как на драгоценность. Из драгоценного алюминия сделали верхнюю часть (в виде пирамидки) памятника Вашингтону в столице США. В то время алюминий был ненамного дешевле серебра: в США, например, в 1856 он продавался по цене 12 долл. за фунт (454 г), а серебро - по 15 долл. В изданном в 1890 1-м томе знаменитого Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона говорилось, что "алюминий до сих пор служит преимущественно для выделки... предметов роскоши". К тому времени во всем мире ежегодно добывалось всего 2,5 т. металла. Лишь к концу 19 в., когда был разработан электролитический способ получения алюминия, его ежегодное производство начало исчисляться тысячами тонн, а в 20 в. - млн. тонн. Это сделало алюминий из полудрагоценного широко доступным металлом.
Современный способ получения алюминия был открыт в 1886 молодым американским исследователем Чарлзом Мартином Холлом. Химией он увлекся еще в детстве. Найдя старый учебник химии своего отца, он начал усердно штудировать его, а также ставить опыты, однажды даже получил нагоняй от матери за порчу обеденной скатерти. А спустя 10 лет он сделал выдающееся открытие, прославившее его на весь мир.
Став в 16 лет студентом, Холл услышал от своего преподавателя, Ф.Ф.Джуэтта, что если кому-нибудь удастся разработать дешевый способ получения алюминия, то этот человек не только окажет огромную услугу человечеству, но и заработает огромное состояние. Джуэтт знал, что говорил: ранее он стажировался в Германии, работал у Вёлера, обсуждал с ним проблемы получения алюминия. С собой в Америку Джуэтт привез и образец редкого металла, который показал ученикам. Неожиданно Холл заявил во всеуслышание: "Я получу этот металл!"
Шесть лет продолжалась упорная работа. Холл пытался получать алюминий разными методами, но безуспешно. Наконец, он попробовал извлечь этот металл электролизом. В то время электростанций не было, ток приходилось получать с помощью больших самодельных батарей из угля, цинка, азотной и серной кислот. Холл работал в сарае, где устроил маленькую лабораторию. Ему помогала сестра Джулия, которая очень интересовалась опытами брата. Она сохранила все его письма и рабочие журналы, которые позволяют буквально по дням проследить историю открытия. Вот выдержка из ее воспоминаний:
"Чарлз всегда был в хорошем настроении, и даже в самые плохие дни был способен посмеяться над судьбой незадачливых изобретателей. В часы неудач он находил утешение за нашим стареньким пианино. В своей домашней лаборатории он работал по-многу часов без перерыва; а когда он мог ненадолго оставить установку, то мчался через весь наш длинный дом, чтобы немного поиграть... Я знала, что, играя с таким обаянием и чувством, он постоянно думает о своей работе. И музыка ему в этом помогала."
Самым трудным было подобрать электролит и защитить алюминий от окисления. Через шесть месяцев изнурительного труда в тигле, наконец, появилось несколько маленьких серебристых шариков. Холл немедленно побежал к своему бывшему преподавателю, чтобы рассказать об успехе. "Профессор, я получил его!", - воскликнул он, протягивая руку: на ладони лежал десяток маленьких алюминиевых шариков. Это произошло 23 февраля 1886. А спустя ровно два месяца, 23 апреля того же года, француз Поль Эру взял патент на аналогичное изобретение, которое он сделал независимо и почти одновременно (поразительны и два других совпадения: и Холл, и Эру родились в 1863 и умерли в 1914).
Сейчас первые шарики алюминия, полученные Холлом, хранятся в Американской Алюминиевой компании в Питтсбурге как национальная реликвия, а в его колледже стоит памятник Холлу, отлитый из алюминия. Впоследствии Джуэтт писал: "Моим самым важным открытием было открытие человека. Это был Чарлз М.Холл, который в возрасте 21 года открыл способ восстановления алюминия из руды, и таким образом сделал алюминий тем замечательным металлом, которым теперь широко пользуются во всем мире". Пророчество Джуэтта сбылось: Холл получил широкое признание, стал почетным членом многих научных обществ. Но личная жизнь ему не удалась: невеста не хотела смириться с тем, что ее жених все время проводит в лаборатории, и расторгла помолвку. Холл нашел утешение в родном колледже, где он проработал до конца жизни. Как писал брат Чарлза, "колледж был для него и женой, и детьми, и всем остальным - всю его жизнь". Колледжу Холл завещал и большую часть своего наследства - 5 млн. долл. Умер Холл от лейкемии в возрасте 51 года.
Метод Холла позволил получать с помощью электричества сравнительно недорогой алюминий в больших масштабах. Если с 1855 до 1890 было получено лишь 200 тонн алюминия, то за следующее десятилетие по методу Холла во всем мире получили уже 28 000 т этого металла! К 1930 мировое ежегодное производство алюминия достигло 300 тыс. тонн. Сейчас же ежегодно получают более 15 млн. т. алюминия. В специальных ваннах при температуре 960-970° С подвергают электролизу раствор глинозема (технический Al2O3) в расплавленном криолите Na3AlF6, который частично добывают в виде минерала, а частично специально синтезируют. Жидкий алюминий накапливается на дне ванны (катод), кислород выделяется на угольных анодах, которые постепенно обгорают. При низком напряжении (около 4,5 В) электролизеры потребляют огромные токи - до 250 000 А! За сутки один электролизер дает около тонны алюминия. Производство требует больших затрат электроэнергии: на получение 1 тонны металла затрачивается 15000 киловатт-часов электроэнергии. Такое количество электричества потребляет большой 150-квартирный дом в течение целого месяца. Производство алюминия экологически опасно, так как атмосферный воздух загрязняется летучими соединениями фтора.
2.2 Применение алюминия и алюминиевых сплавов
Еще Д.И.Менделеев писал, что "металлический алюминий, обладая большою легкостью и прочностью и малою изменчивостью на воздухе, очень пригоден для некоторых изделий". 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.
В авиа- и машиностроении, при изготовлении строительных конструкций, используют значительно более твердые сплавы алюминия. Один из самых известных - сплав алюминия с медью и магнием (дуралюмин, или просто "дюраль"; название происходит от немецкого города Дюрена). Этот сплав после закалки приобретает особую твёрдость и становится примерно в 7 раз прочнее чистого алюминия. В то же время он почти втрое легче железа. Его получают, сплавляя алюминий с небольшими добавками меди, магния, марганца, кремния и железа. Широко распространены силумины - литейные сплавы алюминия с кремнием. Производятся также высокопрочные, криогенные (устойчивые к морозам) и жаропрочные сплавы. На изделия из алюминиевых сплавов легко наносятся защитные и декоративные покрытия. Легкость и прочность алюминиевых сплавов особенно пригодились в авиационной технике. Например, из сплава алюминия, магния и кремния делают винты вертолетов. Сравнительно дешевая алюминиевая бронза (до 11% Al) обладает высокими механическими свойствами, она устойчива в морской воде и даже в разбавленной соляной кислоте. Из алюминиевой бронзы в СССР с 1926 по 1957 чеканились монеты достоинством 1, 2, 3 и 5 копеек.
В настоящее время четвертая часть всего алюминия идет на нужды строительства, столько же потребляет транспортное машиностроение, примерно 17% часть расходуется на упаковочные материалы и консервные банки, 10% - в электротехнике.
Алюминий содержат также многие горючие и взрывчатые смеси. Алюмотол, литая смесь тринитротолуола с порошком алюминия, - одно из самых мощных промышленных взрывчатых веществ. Аммонал - взрывчатое вещество, состоящее из аммиачной селитры, тринитротолуола и порошка алюминия. Зажигательные составы содержат алюминий и окислитель - нитрат, перхлорат. Пиротехнические составы "Звездочки" также содержат порошкообразный алюминий.
Смесь порошка алюминия с оксидами металлов (термит) применяют для получения некоторых металлов и сплавов, для сварки рельсов, в зажигательных боеприпасах.
Алюминий нашел также практическое применение в качестве ракетного топлива. Для полного сжигания 1 кг алюминия требуется почти вчетверо меньше кислорода, чем для 1 кг керосина. Кроме того, алюминий может окисляться не только свободным кислородом, но и связанным, входящим в состав воды или углекислого газа. При "сгорании" алюминия в воде на 1 кг продуктов выделяется 8800 кДж; это в 1,8 раза меньше, чем при сгорании металла в чистом кислороде, но в 1,3 раза больше, чем при сгорании на воздухе. Значит, в качестве окислителя такого топлива можно использовать вместо опасных и дорогостоящих соединений простую воду. Идею использования алюминия в качестве горючего еще в 1924 предложил отечественный ученый и изобретатель Ф.А.Цандер. По его замыслу можно использовать алюминиевые элементы космического корабля в качестве дополнительного горючего. Этот смелый проект пока практически не осуществлен, зато большинство известных в настоящее время твердых ракетных топлив содержат металлический алюминий в виде тонкоизмельченного порошка. Добавление 15% алюминия к топливу может на тысячу градусов повысить температуру продуктов сгорания (с 2200 до 3200 К); заметно возрастает и скорость истечения продуктов сгорания из сопла двигателя - главный энергетический показатель, определяющий эффективность ракетного топлива. В этом плане конкуренцию алюминию могут составить только литий, бериллий и магний, но все они значительно дороже алюминия. алюминий химический сплав маркировка
Широкое применение находят и соединения алюминия. Оксид алюминия - огнеупорный и абразивный (наждак) материал, сырье для получения керамики. Из него также делают лазерные материалы, подшипники для часов, ювелирные камни (искусственные рубины). Прокаленный оксид алюминия - адсорбент для очистки газов и жидкостей и катализатор ряда органических реакций. Безводный хлорид алюминия - катализатор в органическом синтезе (реакция Фриделя - Крафтса), исходное вещество для получения алюминия высокой чистоты. Сульфат алюминия применяют для очистки воды; реагируя с содержащимся в ней гидрокарбонатом кальция:
Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 ® 2AlO(OH) + 3CaSO4 + 6CO2 + 2H2O,
он образует хлопья оксида-гидроксида, которые, оседая, захватывают, а также сорбируют на поверхности находящиеся в воде взвешенные примеси и даже микроорганизмы. Кроме того, сульфат алюминия применяют как протраву при крашении тканей, для дубления кожи, консервирования древесины, проклеивания бумаги. Алюминат кальция - компонент вяжущих материалов, в том числе портландцемента. Иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ) YAlO3 - лазерный материал. Нитрид алюминия - огнеупорный материал для электропечей. Синтетические цеолиты (они относятся к алюмосиликатам) - адсорбенты в хроматографии и катализаторы. Алюминийорганические соединения (например, триэтилалюминий) - компоненты катализаторов Циглера - Натты, которые используются для синтеза полимеров, в том числе синтетического каучука высокого качества.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сегодня рынок алюминия уступает в объеме лишь рынку стали, и спрос на легкий металл постоянно увеличивается. С одной стороны, экономика Китая - страны, которая уже сейчас потребляет четверть произведенного в мире алюминия, продолжает развиваться ошеломляющими темпами. Аналитики предсказывают 7-14-процентный годовой рост автомобилестроительной отрасли Поднебесной вплоть до 2011 года, 12-процентное увеличение расходов на строительство в текущем 2007 году и, как минимум, 16-миллионное прибавление городского населения каждый год в течение следующих 8 лет. Все это, по мнению экспертов, доведет долю Китая в потреблении алюминия до 36% уже в 2010 году.
С другой стороны, Европейский Союз рассматривает возможность ужесточения требований к выбросам углекислого газа автомобильным транспортом, что неизбежно приведет к увеличению спроса на легкий металл. Алюминий легче стали, его использование в автомобилестроении позволяет делать современные машины гораздо более энергоэффективными. Один килограмм алюминия, использованного в автомобильной конструкции вместо другого, более тяжелого металла, снижает общее потребление бензина на 8,5 литров, а выбросы CO2 - на 20 кг. 10-процентное снижение веса машины дает в результате 9-процентное улучшение в динамике потребления ей топлива.
Наконец, увеличение цен на металлы-субституты, такие как медь и цинк, способствуют прямо пропорциональному росту спроса на алюминий в электроэнергетике, транспортной промышленности, строительстве и других отраслях.
Казалось бы, спрос огромен, потребители состоятельны, прибыльность налицо - должно быть много компаний, желающих заработать на производстве крылатого металла. Но ситуация не так проста. Лидерами становятся лишь те, кто не только может полностью обеспечить производственный цикл - добыча сырья, производство глинозема и восстановление алюминия - но и сделать это с максимальной экономической эффективностью.
Запасы бокситов, основного сырья алюминиевой промышленности, очень ограничены (см. приложение 4) - в мире всего семь бокситоносных районов: западная и центральная Африка (основные залежи в Гвинее); Южная Америка (Бразилия, Венесуэла, Суринам); Карибский регион (Ямайка); Океания и юг Азии (Австралия, Индия); Китай; Средиземноморье (Греция и Турция) и Урал (Россия). Основные месторождения бокситов высокого качества, с содержанием глинозема не менее 50%, уже поделены между крупнейшими участниками отрасли. Другим компаниям остается либо приобретать глинозем на открытом рынке и быть всецело зависимыми от рыночного колебания цен, либо объединять усилия с владельцами месторождений.
1. Тихонов В.Н. "Аналитическая химия алюминии". М., "Наука", 1971
"Популярная библиотека химических элементов". М., "Наука", 1983
. Глинка Н.Л. "Общая химия". М., "Химия", 1959
. Андреев О.В., Вакулин А.А., "Материаловедение": Учебное пособие. Тюмень, Издательство Тюменского государственного университета, 2008
. Веткжов М. М., Цьшлаков А. М., Школьников С. Н. "Электрометаллургия алюминия и магния". М., "Металлургия", 1987.
. Розен Б. М., Розен Я. Б. "Металл особой ценности". М., Металлургия, 1975.