Алюминий и его сплавы, техника безопасности в производстве алюминия

 Сплавы алюминия обладают малой плотностью (2,5 - 3,0 г/см³)

в сочетании  с достаточно хорошими механическими  свойствами и удовлетворительной устойчивостью  к окислению. По своим прочностным  характеристикам и по износостойкости  они уступают сталям, некоторые из них также не обладают хорошей свариваемостью, но многие из них обладают характеристиками, превосходящими чистый алюминий.

Особо выделяются алюминиевые сплавы с повышенной пластичностью, содержащие до 2,8% Mg и до 2,5% Mn - они обладают большей, чем чистый алюминий прочностью, легко поддаются вытяжке, близки по коррозионной стойкости к алюминию.  

^{Сырьем  для получения  сплавов обоего типа являются не только технически чистый алюминий, но также и двойные  сплавы алюминия с  кремнием, которые  содержат 10-13 % Si, и немного отличаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общей содержание примесей в них 0.5-1.7 %. Эти сплавы называют}

^{силуминами.}

Силумины - сплавы на основе алюминия с большим содержанием кремния (Si).

В состав силуминов  входят:

• 3-26% Si ,
• 1-4% Cu ,
• 0,2-1,3% Mg ,
• 0,2-0,9% Mn ,
• иногда 2-4% Zn ,
• 0,8-2% Ni ,
• 0,1-0,4% Cr ,
• 0,05-0,3% Ti и др.

 

При своих  относительно невысоких прочностных  характеристиках силумины обладают наилучшими из всех алюминиевых сплавов  литейными свойствами. Они наиболее часто используются там, где необходимо изготовить тонкостенные или сложные  по форме детали.

По коррозионной стойкости занимают промежуточное  положение между дуралюминами и  магналиями.

Нашли свое основное применение в:

• авиастроении;
• вагоностроении;
• автомобилестроении и строительстве сельскохозяйственных машин

для изготовления картеров, деталей колес, корпусов и деталей приборов. 

^{Характерными  упрочняемыми сплавами являются дюралюминии-сплавы алюминия с медью, которые содержат постоянные примеси кремния и железа и могут быть легированы магнием и марганцем. Количество меди в них находится в пределах 2.2-7 %. Медь растворяется в алюминии в количестве 0,5% при комнатной температуре  и 5,7% при эвтектической температуре, равной 548°C.} 

Дуралюмины - от французского слова dur - твердый, трудный и aluminium - твердый алюминий. Дуралюмины - сплавы на основе алюминия, содержащие:

• 1,4-13% Cu,
• 0,4-2,8% Mg ,
• 0,2-1,0% Mn ,
• иногда 0,5-6,0% Si ,
• 5-7% Zn ,
• 0,8-1,8% Fe ,
• 0,02-0,35% Ti и др.

Дуралюмины - наиболее прочные и наименее коррозионно-стойкие  из алюминиевых сплавов. Склонны  к межкристаллической коррозии. Для защиты листового дуралюминия от коррозии его поверхность плакируют¹ чистым алюминием. Они не обладают хорошей свариваемостью, но благодаря своим остальным характеристикам применяются везде, где необходима прочность и легкость. Наибольшее применение нашли в авиастроении для изготовления некоторых деталей турбореактивных двигателей.  

  ^{Термическая обработка  дюралюминия состоит  из двух этапов. Сначала его нагревают  выше линии предельной  растворимости (обычно  приблизительно до 500°C). При этой температуре его структура представляет собой гомогенный твердый раствор меди в алюминии. Путем закалки, т.е. быстрого охлаждения в воде, эту структуру фиксируют при комнатной температуре. При этом раствор получается пересыщенным. В этом состоянии, т.е. в состоянии закалки, дюралюминий очень мягок и пластичен.  Структура закаленного дюралюминия имеет малую стабильность и даже при комнатной температуре в ней самопроизвольно происходят изменения. Эти изменения сводятся к тому, что атомы избыточной меди группируются в растворе, располагаясь в порядке, близком к характерному для кристаллов химического соединения CuAl . Химическое соединение еще не образуется и тем более не отделяется от твердого раствора, но за счет неравномерности распределения атомов в кристаллической решетке твердого раствора в ней возникают искажения, которые приводят к значительному повышению твердости и прочности с одновременным снижением пластичности сплава. Процесс изменения структуры закаленного сплава при комнатной температуре носит название естественного старения.}

  ^{Естественное старение  особенно интенсивно  происходит в течение  первых нескольких  часов, полностью  же завершается,  придавая сплаву  максимальную для  него прочность,  через 4-6 суток.  Если же сплав  подогреть до 100-150°C ,то произойдет искусственное старение. В этом}

^{случае  процесс совершается  быстро, но упрочнение происходит меньшее. Объясняется это  тем, что при более  высокой температуре  диффузионные перемещения  атомов меди осуществляются более легко, поэтому  происходит завершенное образование фазы CuAl  и выделение ее из твердого раствора. Упрочняющее же действие полученной фазы оказывается меньшим, чем действие искаженности решетки твердого раствора, возникающей при естественном старении.}

  ^{Сравнение результатов  старения дюралюминия при различной температуре показывает, что максимальное упрочнение обеспечивается при естественном старении в течение четырех дней.} 

САП - сплавы, состоящие из Al и 20-22% Al₂O₃ .  

Получают  спеканием окисленного алюминиевого порошка. После спекания частицы Al₂O₃ играют роль упрочнителя.

Прочность данного  соединения при комнатной температуре  ниже, чем у дуралюминов и магналиев, но при температуре превышающей 200°С превосходит их.

При этом САП  обладают повышенной стойкостью к окислению, поэтому они незаменимы там, где температура эксплуатации превышает 400°С.

^{Среди неупрочняемых алюминиевых  сплавов наибольшее значение приобрели  сплавы на основе Al-Mn и Al-Mg.}

Магналии - названы так из-за большого содержания в них магния (Mg), сплавы на основе алюминия, содержащие:

• 5-13% Mg ,
• 0,2-1,6% Mn ,
• иногда 3,5-4,5% Zn ,
• 1,75-2,25% Ni ,
• до 0,15% Be ,
• до 0,2% Ti ,
• до 0,2% Zr и др.

Магналии  отличаются высокой прочностью и  устойчивостью к коррозии в пресной  и даже морской воде. Магналии также  хорошо устойчивы к воздействию азотной кислоты HNO₃ , разбавленной серной кислоты H₂SO₄ , ортофосфорной кислоты H₃PO₄ , а также в средах, содержащих SO₂ .

Применяются как конструкционный материал в:

• авиастроении;
• судостроении;
• машиностроении (сварные баки, заклепки, бензопроводы, маслопроводы);
• для изготовления арматуры строительных сооружений;
• для изготовления деталей холодильных установок;
• для изготовления декоративных бытовых предметов и др.

 

При содержании Mg выше 6% магналии склонны к межкристаллической коррозии. Обладают более низкими литейными свойствами, чем силумины.

 

                                           Алюминиевые трубы. 

  ^{Магний, так же как и медь, имеют ограниченную растворимость в алюминии, уменьшающуюся при снижении температуры. Однако эффект упрочнения при их термообработке невелик. Объясняется это следующим образом. В процессе кристаллизации при изготовлении сплавов, содержащих до 1,9% Mn, выделяющийся из твердого раствора избыточный марганец должен был бы образовать с алюминием растворимое в нем химическое соединение Al (MnFe), которое в алюминии не растворяется. Следовательно, последующий нагрев выше линии предельной растворимости не обеспечивает образование гомогенного твердого раствора, сплав остается гетерогенным, состоящим из твердого раствора и частиц Al (MnFe), а это приводит к невозможности закалки и последующего старения.}

  ^{В случае системы  Al-Mg причина отсутствия  упрочнения при  термической обработке  иная. При содержании  магния до 1,4% упрочнения  быть не может,  так как в этих  пределах он растворяется  в алюминии при  комнатной температуре  и никакого выделения избыточных фаз не происходит. При большем же содержании магния закалка с последующим химическим старением приводит к выделению избыточной фазы - химического соединения Mg Al .}

^{Однако  свойства этого соединения таковы, что процессы, предшествующие его выделению, а затем и образующиеся включения не вызывают заметногоэффекта упрочнения.  Несмотря на это, введение и марганца, и магния в алюминий полезно. Они повышают его прочность и коррозионную стойкость (при содержании магния не более 3%). Кроме того, сплавы с магнием более легкие, чем чистый алюминий.} 

Также для  улучшения некоторых характеристик  алюминия в качестве легирующих элементов  используются:

Бериллий  добавляется для уменьшения окисления  при повышенных температурах. Небольшие  добавки бериллия (0,01 - 0,05%) применяют в алюминиевых литейных сплавах для улучшения текучести в производстве деталей двигателей внутреннего сгорания (поршней и головок цилиндров).

Бор вводят для  повышения электропроводимости  и как рафинирующую добавку. Бор  вводится в алюминиевые сплавы, используемые в атомной энергетике(кроме деталей реакторов), т.к. он поглощает нейтроны, препятствуя распространению радиации. Бор вводится в среднем в количестве 0,095 - 0,1%.

Висмут. Металлы  с низкой температурой плавления, такие  как висмут, свинец, олово, кадмий вводят в алюминиевые сплавы для улучшения обрабатываемости резанием. Эти элементы образуют мягкие легкоплавкие фазы, которые способствуют ломкости стружки и смазыванию резца.

Галлий добавляется  в количестве 0,01 - 0,1% в сплавы, из которых далее изготавливаются расходуемые аноды.

Железо. В  малых количествах (»0,04%) вводится при производстве проводов для увеличения прочности и улучшает характеристики ползучести. Так же железо  уменьшает прилипание к стенкам форм при литье в кокиль.

Индий. Добавка 0,05 - 0,2% упрочняют сплавы алюминия при  старении, особенно  при низком содержании меди. Индиевые добавки используются в алюминиево-кадмиевых подшипниковых сплавах.

Примерно 0,3% кадмия вводят для повышения прочности  и улучшения коррозионных свойств сплавов.

Кальций придаёт  пластичность. При содержании кальция 5% сплав обладает эффектом сверхпластичности.

Кремний является наиболее используемой добавкой в литейных сплавах. В количестве 0,5 - 4% уменьшает  склонность к трещинообразованию. Сочетание кремния с магнием делают возможным термоуплотнение сплава.

Магний. Добавка  магния значительно повышает прочность  без снижения пластичности, повышает свариваемость и увеличивает  коррозионную стойкость сплава.

Медь упрочняет  сплавы, максимальное упрочнение достигается при содержании меди 4 - 6%. Сплавы с медью используются в производстве поршней двигателей внутреннего сгорания, высококачественных литых деталей летательных аппаратов.

Олово улучшает обработку резанием.

Титан. Основная задача титана в сплавах - измельчение зерна в отливках и слитках, что очень повышает прочность и равномерность свойств во всём объёме. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

          
 

       ^{5. Получение} 

 Немецкий химик  Ф. Велер в 1827г получил, алюминий при нагревании хлорида алюминия со щелочными металлами калием или натрием без доступа воздуха: 

                       AlCl3 + 3K = 3KCl + Al 

Для промышленного  получения алюминия эти методы экономически невыгодны, поэтому был разработан электрохимический метод получения алюминия из бокситов, содержащие в качестве примесей наряду

         с  Al2O3 * H2O [ 32 – 60 % (масс.) ] соединения железа и кремния

( Fe2O3, SiO2),имеются на Урале, в Башкирии и Казахстане.

Так же важным минералом, содержащим алюминий, является нефелин

     Na [AlSiO4] (основа для выплавки алюминия). Нефелин залегает совместно с апатитом в Хибинах. Месторождения алюминиевого сырья имеются также в Сибири.

Его основные минералы:

• боксит  - смесь минералов диаспора, бемита AlOOH, гидраргиллита Al(OH)₃  и оксидов других металлов - алюминиевая руда;
• алунит - (Na,K)₂SO_{4 *} Al₂(SO₄)_{3 *} 4Al(OH)₃ ;
• нефелин - (Na,K)₂O _* Al₂O_{3 *} 2SiO₂ ;
• корунд - Al₂O₃ - прозрачные кристаллы;
• полевой шпат (ортоклаз) - K₂O _* Al₂O_{3 *} 6SiO₂ ;
• каолинит - Al₂O_{3 *} 2SiO_{2 *} 2H₂O - важнейшая составляющая часть глины