Андрей Смирнов
Время чтения: ~20 мин.
Просмотров: 1

Реакции, взаимодействие алюминия. уравнения реакции алюминия с веществами

Алюминиевые сплавы

Чем легируют алюминий

Чистый алюминий имеет очень низкую прочность и его применение как конструкционного материала весьма ограничено.

Когда в алюминий добавляют другие элементы — легирующие элементы — он повышает свою прочность благодаря различным упрочняющим механизмам.

Алюминий, в принципе,  возможно легировать большинством металлических элементов. Однако только некоторые из них имеют достаточную растворимость в твердом состоянии, чтобы быть основными легирующими элементами.

Наиболее важными легирующими элементами алюминия являются:

  • медь;
  • марганец;
  • магний;
  • кремний и
  • цинк.

Вместе с тем, значительное число других элементов оказывают заметный эффект на улучшение свойств алюминиевых сплавов. Их добавляют в небольших количествах. Эти элементы включают хром, тот же марганец и цирконий, которые применяют в основном для контроля зеренной структуры.

Максимальная растворимость легирующих элементов в алюминии обычно, но не всегда,  достигается при эвтектической температуре.  Растворимость легирующих элементов в твердом алюминии снижается со снижением температуры. Это изменение растворимости в твердом алюминии является основой для упрочнения алюминиевых сплавов за счет механизма старения.

Откуда железо в алюминии

Все промышленные сплавы содержат примерно от 0,1 до 0,4 % железа (по массе). Обычно железо в алюминиевом сплаве считается примесью. Его содержание зависит от исходной руды и технологии электролиза при его выплавке. Иногда железо добавляют намеренно для придания материалу особых свойств, например, до 1 % в сплавах для изготовления алюминиевой фольги.

Для чего добавки в алюминии

В комбинации с одним или более основными легирующими элементами часто применяют дополнительные элементы:

  • висмут,
  • бор,
  • хром,
  • свинец,
  • титан и
  • цирконий.

Эти элементы обычно применяют в малых количествах, как правило, до 0,1 %. Однако в некоторых алюминиевых сплавах содержание бора, свинца и хрома может достигать 0,5 %. Благодаря этим малым добавкам сплавы получают необходимые свойства для конкретных условий, такие как, хорошая текучесть при литье, высокое качество механической обработки, теплостойкость, коррозионная стойкость, высокая прочность.

Категории алюминиевых сплавов

Удобно разделять алюминиевые сплавы на две основных категории:

  • литейные сплавы и
  • деформируемые сплавы.

В каждой из этих категорий дальнейшее разделение основано главном механизме, который отвечает за формирование их свойств – термически упрочняемые сплавы и термически неупрочняемые сплавы. Сплавы последней группы получают свои конечные свойства в результате деформационной обработки – нагартовки. Поэтому иногда их называют более позитивно — деформационно упрочняемые или даже «нагартовываемые».

О сплавах 6060, 6063, АД31

«Рулят» в мировом производстве алюминиевых профилей сплавы серии 6ххх — алюминиевые сплавы легированные магнием и кремнием — каждым по около одного процента. Европейский стандарт EN 573-3 насчитывает их около 30 штук. Из этих тридцати сплавов наиболее широко применяются алюминиевые сплавы:

  • и
  • , а также
  • 6005А,
  • и
  • 6082.

Из этих пяти сплавов в мире изготавливается более 90 % всех прессованных алюминиевых профилей.

Рисунок 7 – Популярные алюминиевые сплав серии 6ххх

Зарубежные алюминиевые сплавы

В настоящее время общепризнанной является система обозначений алюминиевых сплавов, которая была введена  Американской Алюминиевой Ассоциацией (AA). Этой системы придерживаются и международные стандарты ISO, и европейские стандарты EN.

Каждый деформируемый сплав обозначается сочетанием четырех цифр, например, 2024. Первая цифра обозначает серию сплавов. Каждая из семи серий сплавов имеет один или два основных легирующих элементов. Например, в случае сплава 2024 из серии 2ххх – это медь.

Обозначения литейных сплавов также состоит из четырех цифр, однако между третьей и четвертой цифрами стоит точка, например,  380.0.

В России и других странах СНГ наряду с международной системой обозначений широко применяется и традиционная система буквенно-цифровая обозначений алюминиевых сплавов, например, АД31.

Важнейшие свойства

Алюминий предлагает широкий спектр свойств, которые легко находят ему применение во многих конкретных технических проектах. Это обеспечивается широким выбором сплавов, их состояний и технологии изготовления. Свойства алюминия и его сплавов, которые дают им широкое применение включают следующие:

Алюминий и его сплавы являются легкими, их плотность составляет только одну треть от плотности стали.
Алюминий и алюминиевые сплавы доступны в широком интервале величин прочности – от пластичного и мягкого  технически чистого алюминия до высокопрочных сплавов с пределом прочности на растяжение до 690 МПа.
Алюминиевые сплавы имеют высокую удельную прочность, то есть прочность на единицу массы.
Алюминий сохраняет свою прочность при низких температурах и часто применяется в криогенных условиях.
Алюминий имеет высокое сопротивление коррозии в большинстве условий эксплуатации. При этом, в отличие от стали, он не образует продуктов коррозии, которые портят внешний вид изделий и конструкций
Алюминий является хорошим проводником тепла и электричества.
Алюминий обладает высокой отражательной способностью.
Алюминий является немагнитным. Это свойство является важным в электротехнической и электронной промышленности.
Алюминий не является самовоспламеняющимся

Это важно при работе с воспламеняющимися или взрывчатыми материалами.
Алюминий является нетоксичным. В большом количестве он применяется в качестве контейнеров для продуктов и напитков.
Алюминий имеет привлекательный внешний вид в своем естественном виде

Его естественная поверхность может быть обработана до матовой, блестящей или зеркальной. Легко поддается  нанесению защитно-декоративных покрытий, например, анодированию или порошковой окраске.
 Алюминий легко и многократно подвергается вторичной переработке, то есть переплавке и изготовлению новой готовой продукции. Это дает большие экономические и экологические выгоды.
Алюминий легко обрабатывается. Алюминий можно формовать и обрабатывать всеми известными методами обработки металлов, а также способами их соединения.  

Литейный алюминий

Литейные марки алюминия относятся к серии 1хх литейных сплавов по международной классификации алюминия и его сплавов. Хотя часто их называют сплавами (alloys), нет оснований относить их полноправным сплавам: они содержат не менее 99,00 % алюминия и формально не имеют легирующих элементов, однако, в отличие от марок первичного алюминия в них контролируют отношение содержания железа и кремния.

Эти марки-сплавы литейной серии 1хх применяются для отливки роторов электрических двигателей (таблица 6). Роторы обычно отливаются на машинах литья под высоким давлением, которые специально разработаны для этой цели. Типичный алюминиевый ротор показан на рисунке 1. Эти марки литейного алюминия серии 1хх применяются также в некоторых других случаях, которые не требуют сложных форм отливок.

Таблица 6 – “Роторные” марки литейного алюминия

Рисунок 1 – Типичный алюминиевый ротор электрического двигателя

В этих роторные “сплавах” установлены не только пределы чистоты алюминия, но и также отношение содержания железа и кремния. Это обеспечивает образование интерметаллических частиц, которые в меньшей степени, чем другие отрицательно влияют на литейные свойства этих “сплавов”, а также на их электрическую проводимость.

Поскольку нелегированный алюминий стоит дешевле, чем роторные сплавы, были попытки заменить их на марки первичного алюминия при изготовлении роторов. Например, слитки первичного алюминия Р1020 имеют ту же чистоту, как и “сплав” 170.2, но без контроля соотношения содержания железа и кремния, а также неконтролируемое содержание титана и ванадия. Опыт показал, что игнорирование этих различий ведет к разбросу характеристик электрической проводимости и низким литейным свойствам алюминия при отливке роторов .

  • Самый чистый «роторный» алюминий (170.1) является самым трудным для литья: он в самой большой степени подвергается усадочному растрескиванию.
  • Наоборот, наименее чистый алюминий 100.1 льется намного легче при минимальном растрескивании .
  • Более чистые марки алюминия, например, 99,80% и 99,85 %, еще более склонны к растрескиванию при их литье, чем марка алюминия 170.1  .

Вторичный алюминий

Новый (технологический) и старый (бывший в употреблении) алюминиевый лом является исходной шихтой для производства вторичного алюминия. Так называемые «вторичные плавильщики» смешивают старый лом или технологический алюминиевый лом и получают так называемые вторичные алюминиевые сплавы. Эти сплавы поставляются на литейные предприятия в виде слитков для переплавки или как жидкий металл. Эти литейные предприятия производят алюминиевую продукцию в виде отливок, которые находят широкое применение, например, в автомобилестроении. Вторичный алюминий идет также на изготовление чушек, прутков и гранул для раскисления стали.

Отсортированный алюминиевый лом, который состоит из деформируемых сплавов, снова можно применять на предприятиях по производству “полуготовой” алюминиевой продукции – полуфабрикатов. Примером этого является алюминиевые банки для пива и прохладительных напитков, которые очень широко перерабатываются во всем мире.

Лом алюминиевых банок

Алюминий для раскисления стали

Марки алюминия в ГОСТ 295

Алюминий, который применяют для раскисления стали, а также производства ферросплавов и порошков для алюминотермии также подразделяется на марки.  Требования к этим маркам алюминия устанавливает ГОСТ 295-98.  Этот алюминий изготавливают как из первичного сырья, так и из лома и отходов алюминиевых сплавов. Производится в чушках и гранулах.  Для этих марок алюминия характерно очень большое содержание примесей – в общем количестве до 13 %.

Таблица 7 – Марки алюминия для раскисления, производства ферросплавов и алюмотермии

  1. Properties of Pure Aluminum / A. Sverdlin //Handbook of Aluminium: Vol.1 Physical metallurgy and Processes, ed. G.E. Davis, D.S. MacKenzie, 2003
  2. Aluminum and Aluminum Alloys / ed. J.R. Davis – ASM International, 1993
  3. The Aluminium Industry /James F King – Woodhead Publishing, 2001
  4. https://www.aluminum.org/sites/default/files/aecd16.pdf
  5. Aluminium Alloy Castings. Properties, Processes and Applications / J.G. Kaufman, E.L. Rooy – ASM International, 2004

Где применяется

Применение легкого и прочного металла необходимо не только в авиации.

Алюминиевый прокат

В пуленепробиваемых и бронированные стеклах, экранчиках смартфонов присутствует сапфир. У таких стекол высокая прочность на сжатие.

Познавательно: ученые продолжают разработку видов стекол, обладающих противопульной устойчивостью при меньших толщине и весе. Перспективным направлением считается прозрачная броня на основе монокристалла сапфира.

Из алюминия делают фольгу, которую используют в электрических конденсаторов. Домохозяйки с удовольствием запекают в фольге вкусняшки для домашних. Кастрюли, сковородки, другие изделия для домашнего хозяйства производят из «крылатого металла».

Посуда из алюминия

Тонко молотый порошок металла используют для производства прочной краски.

Вы удивитесь, но алюминиевая кастрюлька в кухне, самолет и перстень с сапфиром — родня. В каждом есть наш герой.

Удивительно: железнодорожный транспорт на треть возит сам себя. Вес груженого товарного вагона на треть состоит из веса вагона. Про пассажирские вагоны и говорить нечего, вес людей в них всего 5%, остальное приходится на вагон.

Оксид алюминия — это корунд. А к ним относятся сапфиры, рубины, изумруды — все эти короли драгоценных камней содержат алюминий. Сам корунд используют как наждак.

Рафинирование алюминия

Чтобы получить более высокие степени чистоты алюминия применяют специальные технологии. Чистоту 99,99 % достигают путем зональной плавки или обработки жидкого алюминия методом Хупса (Hoopes).

Метод очистки Хупса

Метод Хупса – это трехслойный электролитический процесс, в котором применяют расплавленную соль с плотностью более высокой, чем у жидкого алюминия (рисунок 5). Комбинацией этих двух методов очистки можно достигать чистоты алюминия 99,999 %.

Рисунок 5 – Печь для рафинирования алюминия по методу Хупса

Нижний слой служит в качестве анода. Он состоит из рафинированного (очищенного) алюминиевого сплава с медью. Медь вводится для того, чтобы увеличить плотность нижнего слоя. Средний слой – это расплавленный электролит. Его плотность ниже, чем плотность анодного сплава и выше, чем плотность уже очищенного алюминия, который “плавает” сверху электролита.

Очистка алюминия происходит за счет растворения примесей на аноде в результате электрохимических реакций.

Очистка алюминия зонной плавкой

Принцип зонной плавки заключается в повторяемых проходах зоны плавления вдоль алюминиевого слитка. Примеси, которые снижают точку плавления алюминия, скапливаются в зоне плавления и постепенно перемещаются к концу слитка. К таким примесям относятся, например, олово, бериллий, кальций, железо, кобальт, никель, магний, медь, кремний, цинк. Примеси, которые повышают точку плавления, концентрируются в начале слитка. К таким примесям относятся, например, хром, титан, молибден, ванадий. Марганец не изменяет температуру плавления и поэтому не двигается под воздействием зоны плавления. Зонной плавкой достигают чистоты алюминия 99,9999 % .

Первичный алюминий

Процесс

Современный процесс производства слитков первичного алюминия показан на рисунке 3.1. Метод Байера применяется для превращения боксита в оксид алюминия, который в алюминиевой промышленности называют глиноземом (верхняя часть рисунка 1). Затем глинозем восстанавливают до металлического алюминия методом Холла-Эру (нижняя часть рисунка 1).


Рисунок 3.1 – Схема производства первичного алюминия:
от исходных бокситов до готового алюминия

  • Из исходной руды – бокситов – получают обогащенное сырье – глинозем.
  • Глинозем растворяют в ванне с криолитом и добавками различных солей фтора, чтобы контролировать температуру ванны, плотность, электрическое сопротивление и растворимость глинозема.
  • Затем через ванну пропускают электрический ток, чтобы путем электролиза разделить оксид алюминия – глинозем –  на кислород и алюминий.
  • Образующийся кислород реагирует с графитовыми анодами, а жидкий алюминий собирается на дне этого электролизного агрегата, которое служит в этом процессе катодом (рисунки 4.1 и 4.2).
  • Жидкий алюминий периодически откачивают с помощью сифона или специальных вакуумных агрегатов в накопительные печи и передают далее на разливку слитков.


Рисунок 3.2 – Производство глинозема – метод Байера

Рисунок 4.1 – Функциональная схема выплавки первичного алюминия

Рисунок 4.2 – Поперечное сечение электролитической ячейки

Неизбежные примеси

Основными примесями выплавленного первичного алюминия являются железо и кремний, однако цинк, галлий, титан и ванадий обычно всегда присутствуют в том иди другом количестве. Чистота алюминия оценивается максимально допустимым количеством примесей. Например, алюминий 99,70 % содержит не более 0,30 % примесей.

Термины и определения

Марки алюминия

Нелегированный алюминий – это алюминий без легирующих элементов при содержании алюминия не менее 99,00%, остальное – примеси. Примесь – металлический или неметаллический элемент, присутствующий в металле, минимальное содержание которого не контролируется.

Рафинированный алюминий – нелегированный алюминий высокой чистоты (содержание алюминия не менее 99,950%), который получают в результате специальных металлургических обработок.

Первичный алюминий – нелегированный алюминий:

  • который произведен из глинозема, обычно электролизом, и
  • который имеет содержание алюминия не менее 99,70%.

Нелегированный алюминий подразделяется на марки в зависимости от содержания в нем примесей.

Русскому термину “марка” соответствует английский термин “grade” .

Алюминиевые сплавы

Алюминиевый сплав – это алюминий:

  • который содержит легирующие элементы,
  • в котором содержание алюминия выше, чем любого другого элемента и
  • в котором, содержание алюминия не более 99,00%

Легирующий элемент – это металлический или неметаллический элемент, содержание которого контролируется в заданном интервале, чтобы обеспечивать сплаву заданные специфические свойства. Обычно легирующие элементы преднамеренно добавляют в расплав алюминия.

Легированный алюминий подразделяется на сплавы.

Каждый алюминиевый сплав имеет свое обозначение, например, сплав АД31 или сплав 2017. Это обозначение сплава однозначно определяет его химический состав, в том числе, интервалы содержания легирующих элементов и допуски на максимальное содержание примесей. Необходимо отметить, что иногда, в том числе, в стандартах, применяется выражение “марка сплава”. Однако, чем отличается смысл выражений “марка сплава” и “сплав” совершенно не понятно.

Русскому термину “сплав” соответствует английский термин “alloy” .

Применение нелегированого алюминия

Марки рафинированного алюминия

Рафинированным алюминием называют алюминий с чистотой от 99,99 % до 99,9999 %. За рубежом чистоту такого алюминия часто обозначают “4N to 6N” – по количеству девяток (Nine). Его получают специальными методами из первичного алюминия. Марки рафинированного алюминия находят применение в следующих областях:

  • Фольга для электролитических конденсаторов (марка 1199)
  • Производство полупроводников
  • Плит для производства плоских дисплеев
  • Распайка выводов в электронной промышленности
  • Производство тонких пленок
  • Производство высокочистого оксида алюминия и высокочистых порошков
  • Электронные накопители (диски памяти)
  • Для изделий с зеркальной поверхностью и ювелирных изделий
  • Производство сверхчистых алюминиевых сплавов для аэрокосмической промышленности

Марки алюминия технической чистоты

  • Электрические проводники: проволока, витые прводники, шины, полосы трансформаторов (марки 1350)
  • Литографические плиты (марка 1100)
  • Упаковка: фольга из алюминия марки (марки 1100, 1145, 1050, 1235)
  • Прессованные трубы для пищевой, химической и пивоваренной промышленности (марки 1050, 1060)
  • Теплообменники (марки 1050, 1070, 1145)
  • Системы пассивной сейсмической защиты. Низкий предел текучести и высокая пластичность применяются для эффективного рассеивания сейсмической энергии при землетрясениях (марка 1050А)
  • Алюминиевые бутылки (марки 1050А и 1070А)

Промышленный металл

Революционная технология электролитического восстановления оксида алюминия (Al2O3), растворенного в расплавленном криолите, была независимо открыта в 1886 году американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру. Это событие совпало с тремя не менее революционными прорывами в технике :

  • Как раз в это время появились первые транспортные средства на двигателях внутреннего сгорания и ценность алюминия, как конструкционного материала, резко возросла.
  • Во-вторых, электрификация потребовала огромного количества легкого электропроводного материала для передачи электроэнергии на большие расстояния и строительства опор для поддержки электрических кабелей.
  • В третьих, братья Райт, в те же времена дали толчок развитию новой отрасли промышленности – самолетостроению, в которой алюминий был просто не заменим. Из алюминия изготавливали самолетные рамы, двигатели и другие детали и агрегаты. Вслед за самолетами появились ракеты, а затем и космические аппараты, в которых легкий алюминий является основным конструкционным материалом.

Теоретические основы электротермического восстановления алюминия и кремния

Восстановление оксида алюминия в условиях электротермии можно описать тремя суммарными реакциями:

Аl2О3+3С = 2Аl + 3СО,  (85)

2Аl2О3+ 9С = Аl4С3 + 6СО , (86)

Аl2О3+ Аl4С3= 6Аl + 3СО . (87)

Величины энергии Гиббса для этих реакций (рис. 66) становятся отрицательными (т. е. реакция оказывается вероятной) при температурах: для реакции (85) — 2296 К; для реакции (86) — 2240 К и для (87) — 2370 К.

Таким образом, наиболее вероятной при высоких температурах процесса является реакция (86) — образование карбида алюминия; менее вероятна реакция восстановления оксида до металла—(85). Но продукты этих двух реакций — карбид алюминия и алюминий растворимы друг в друге и образуют весьма тугоплавкие смеси. Кроме того, Аl4С3 растворяется в Аl2О3, поэтому в результате восстановления оксида алюминия углеродом получаются смеси алюминия, карбида и оксида, имеющие высокие температуры плавления. Выпустить такую массу из печи обычно не представляется возможным. Необходимо иметь в виду, что на самом деле процесс сопровождается еще и образованием промежуточного продукта — субоксида алюминия Аl2О, обладающим высоким давлением насыщенного пара. При температурах процесса — около 2000 °С имеет значение также испарение металлического алюминия. Все эти обстоятельства исключают возможность получения алюминия восстановлением его оксида углеродом. Реакция восстановления оксида кремния

SlО2+2C = Si + 2CO

(88)

в заметной степени протекает при температуре 1727°С, когда ΔG становится отрицательной. При более низкой температуре 1527°С начинается реакция карбидообра-зования:

SiO2 + 3C = SiC + 2СО,

(89)

Образовавшийся карбид кремния вступает в реакцию с оксидом или монооксидом и образуется кремний: 2SiC + SiО2 = 3Si + 2CO, SiC + SiO = 2Si + CO.

Рассмотрим последовательность реакций совместного восстановления оксидов кремния и алюминия, например кианита (Al2О3·SiО2).

В интервале температур 1197—1527°С происходит процесс муллитизации, т. е. перехода кианита в муллит 2Al2О3·2SiО2. Затем при 1527—1577 °С идет реакция (89) образования карбида кремния. Дальнейшее повышение температуры приводит к восстановлению оксида алюминия как углеродом — реакция (85), так и карбидом кремния и кремнием: Al2О3 + SiC = Al2О + SiO + + СО, Al2О3 + 2Si = Al2О + 2SiO. Получающиеся по этой реакции субоксиды алюминия и кремния окончательно восстанавливаются до металлов при 1827—1927 °С:

SiO + SiC = 2Si + CO, (90)

Al2О +С = 2Аl+ СО, (91)

Аl2О + Si = 2Аl + SiO . (92)

Карбид алюминия, который получается по реакции (86), также реагирует с кремнием с образованием алюминия и карбида кремния: Al4C3 + 3Si = 4Al + 3SiC. Образование карбида алюминия идет медленнее, чем восстановление оксида до металла, поэтому условием успешного проведения процесса является быстрый нагрев шихты до температуры 1900°С и высокая реакционная способность углеродистого восстановителя. Продукт восстановления — силикоалюминий должен быть выведен из зоны реакции возможно быстрее, иначе произойдет образование карбида алюминия: 4Аl + 3С  = Аl4С3. Необходимы также повышенная газопроницаемость и тугоплавкость шихты, способствующие тепло-и массообмену по объему ванны печи. Следовательно, основное, что определяет возможность получения сплавов Аl—Si — это понижение в них активности алюминия.

Navigation menu

Navigation

  • Main Page
  • Community portal
  • Preferences
  • Requested entries
  • Recent changes
  • Random entry
  • Help
  • Glossary
  • Donations
  • Contact us

In other languages

  • Afrikaans
  • العربية
  • Asturianu
  • Català
  • Corsu
  • Cymraeg
  • Dansk
  • Deutsch
  • Eesti
  • Ελληνικά
  • Español
  • Esperanto
  • Euskara
  • فارسی
  • Français
  • Gàidhlig
  • Galego
  • 한국어
  • Հայերեն
  • Hrvatski
  • Ido
  • Bahasa Indonesia
  • Italiano
  • ಕನ್ನಡ
  • Қазақша
  • Kurdî
  • Кыргызча
  • ລາວ
  • Latina
  • Latviešu
  • Lietuvių
  • Magyar
  • Македонски
  • Malagasy
  • മലയാളം
  • မြန်မာဘာသာ
  • Nederlands
  • 日本語
  • Norsk
  • Norsk nynorsk
  • Occitan
  • Oʻzbekcha/ўзбекча
  • پښتو
  • ភាសាខ្មែរ
  • Polski
  • Português
  • Română
  • Русский
  • Shqip
  • Simple English
  • Slovenčina
  • Suomi
  • Svenska
  • தமிழ்
  • తెలుగు
  • ไทย
  • Тоҷикӣ
  • Türkçe
  • Tiếng Việt
  • 粵語
  • 中文

Алюминиевая продукция

Виды продукции

Алюминий и его сплавы могут отливаться или формоваться в готовые изделия и полуфабрикаты практически любым из всех известных технологических процессов, применяемых для металлов. По их форме изделия делят на стандартные и «по чертежам заказчика».

Первые включают алюминиевые листы, плиты, фольгу, прутки, проволоку, трубы и конструкционные профили (уголки, тавры, двутавры и тому подобное).

Изделия «по чертежам заказчика» (по-английски их называют «engineered products») разрабатываются для какого-то специального применения и включают прессованные профили, поковки, отливки, а также в значительно меньших количествах изделия порошковой металлургии, ударного прессования и других. Около половины из них приходится на листы, плиты и фольгу, около 20 % — на прессованные профили и трубы.

Экструзия алюминия

Экструзия (или, более официально, по-русски и привычно, «прессование») алюминия и его сплавов — это процесс пластического деформирования, при котором заготовку, обычно часть круглого слитка («столба»), продавливают или выдавливают через одно или несколько отверстий матрицы – специального прессового инструмента.  Для этого применяют специальное оборудование – экструзионные прессы, как правило, гидравлические, которые обеспечивают на штоке (пресс-штемпеле, пуансоне), который непосредственно «давит, прессует» заготовку, усилие от 500 до 4000 тонн, а иногда и больше, в зависимости от назначения и производительности пресса.

Алюминиевые отливки

Алюминиевые отливки обычно производят следующими методами:

  • литье под давлением;
  • литье в постоянные формы (литье в кокили);
  • литье в песчаные формы;
  • литье в гипсовые формы;
  • литье в расплавляемые формы.

Эти процессы включают различные варианты и разновидности, такие как вакуумные технологии, литье под низким давлением, центробежное литье.


Рисунок 8 – Литье алюминиевых колесных дисков

Алюминиевые поковки

Алюминиевые поковки производят созданием пластического течения металла путем приложения к нем кинетических, механических или гидравлических усилий в открытой или закрытой матрице. Поковки, выполняемые вручную, имеют простые геометрические формы – прямоугольники, цилиндры, диски. Более сложные формы куют в закрытых формах

Некоторые свойства

Механические свойства

Технология изготовления алюминиевого изделия определяет не только его форму, но также и микроструктуру его материала. В свою очередь, микроструктура определяет  свойства изделия.

Некоторые свойства алюминия незначительно зависят от химического состава и технологии изготовления. Примерами таких характеристик являются:

  • модуль Юнга (70 ГПа),
  • плотность (2700 кг/м3) и
  • коэффициент линейного термического расширения (24×10-6 м/(м·К).

Большинство других свойств очень чувствительны к микроструктуре материала и химическому составу. Эти свойства естественным образом делятся на четыре категории:

  • прочность, пластичность и формуемость – объемные свойства;
  • усталостная прочность и вязкость разрушения – локальные свойства;
  • стойкость к высоким температурам и сопротивление ползучести – термомеханические свойства;
  • коррозионная стойкость, сопротивление износу и качество поверхности – поверхностные свойства.

Химический состав сплава, способ формования изделия (литье, горячая прокатка, холодная прокатка, прессование, ковка) и термическая обработка все вместе определяют микроструктуру, а от микроструктуры, в свою очередь, зависят указанные выше свойства.

Конструктор алюминиевого изделия или детали должен быть знаком с закономерностями этих зависимостей. Он должен рассматривать микроструктуру материала изделия как важную часть проектирования. Это даст ему возможность «заказывать» у металлургов самый подходящий алюминиевый сплав с оптимальной микроструктурой.

Таблица 1 – Плотность и модуль упругости различных промышленных металлов

Таблица 2 – Сравнение физических свойств деформируемых алюминиевых сплавов
с соответствующими свойствами чистого алюминия 99,99 %
(в квадратных скобках – цифровые обозначения сплавов)

Температура плавления

Температура плавления алюминия очень чувствительна к его чистоте. Температура плавления сверхчистого алюминия 99,996 % составляет 660,37 °С. При содержании алюминия 99,5 %  плавление начинается при температуре 657 °С, а при содержании алюминия 99,0 % — при 643 °С.

Коррозия алюминия

Алюминий сопротивляется коррозии в виде постоянного окисления, которое у сталей называют ржавлением. Свежая алюминиевая поверхности мгновенно реагирует с кислородом и образует алюминиевом изделии прочную инертную пленку толщиной всего в несколько нанометров. Эта пленка блокирует дальнейшее окисление алюминия. Кроме того, в отличие от слоя ржавчины на стали, эта пленка не отслаивается хлопьями с обнажением свежей поверхности для окисления. Напротив, любая царапина на алюминий мгновенно залечивается сама собой.

Обработка поверхности алюминия

Натуральная металлическая поверхность алюминия является эстетически привлекательной для многих изделий и без дополнительной обработки. Это натуральное защитное оксидное покрытие является прозрачным и его можно сделать толще путем анодирования. Этим достигается дополнительная защита поверхности без ущерба для внешнего вида изделия.

Категории

Алюминий позволяет применять большое количество способов обработки его поверхности.  Типы обработки поверхности разделяют на четыре широкие категории:

  • механические,
  • химические,
  • электролитические покрытия и
  • неэлектролитические покрытия.

Одни из них изменяют ее внешний вид, другие дают поверхности заданные свойства, например, коррозионную стойкость. Механически и химически можно создавать различную текстуру поверхности: от грубой до зеркально гладкой.

Анодирование

Анодирование алюминия дает возможность сделать естественную поверхность матовой или цветной.  Технология анодирования алюминия включает применение различных электролитов и электрических параметров — напряжения и силы тока (рисунок 9).

Рисунок 9 – Принцип анодирования алюминия

Окраска

Для алюминия широко применяют различные методы окраски: от нанесения «мокрой» краски до порошковой окраски (рисунок 10) и электролитического нанесения покрытий из других металлов.

 

Рисунок 10 – Вертикальная порошковая окраска алюминиевых профилей

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.

Производство алюминия в миллионах тонн

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.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации