Какие физические свойства меди и алюминия
Тяжело представить современный мир без такого металла, как алюминий. Благодаря таким своим качествам, как лёгкость, стойкость к коррозии, прочность и возможности входить в соединения с другими металлами алюминий стал важнейшим конструкционным материалом XX и XXI века.
Этот серебристый металл применяется во многих отраслях промышленности: в автомобилестроении, самолётостроении, в строительстве и безусловно, в электроэнергетике. Алюминий является 13 элементом в периодической таблице Дмитрия Ивановича Менделеева. На данный момент подсчитано, что на него приходится примерно 8% от всей массы твёрдой земной коры и он является 3 химическим элементом по распространённости на планете Земля, уступая место только кислороду и кремнию.
История открытия
Но так как алюминий обладает высокой химической активностью, то в чистом виде он практически не встречается в природе, поэтому в отличие от многих других металлов о нём стало известно только в начале XIX века, когда алюминий был формально получен.
В 1824 году датский физик в процессе электролиза впервые получил алюминий. Хотя металл и содержал примеси ртути и калия, этот случай является первым доказанным случаем получения алюминия в лабораторных условиях.
Имя учёного, привёдшего к революционному методу, было Ханс Кристиан Эрстед. Но понадобилось ещё почти полвека, чтобы разработать технологии для получения его в промышленном производстве. Больше всего природный алюминий встречается в составе минералов квасцов. Именно благодаря этому минералу алюминий и получил своё название, которое на латыни звучит Alumen.
Алюминиевая руда
В современном мире при производстве алюминия применяют широко распространённую в природе алюминиевую руду — бокситы. Бокситы являются глинистой горной породой, в состав которой входят разнообразные модификации гидроксида с такими примесями, как хром, кремний, титан, сера, ванадий, карбонатные соли магния, кальций, железо.
В бокситах можно встретить почти половину таблицы химических элементов Менделеева. Ценность этой руды состоит в том, что помимо одной тонны алюминия, добытой из четырёх тонн бокситов, ценность для промышленности имеют и примеси. Из бокситов в процессе переработки получают белый порошок — оксид алюминия (Al2O3), который ещё имеет название «глинозём». Именно из глинозёма путём электролиза на современных предприятиях производят металл.
Роль электроэнергетики в производстве
При производстве алюминия затрачивается колоссальное количество электроэнергии. Для того чтобы получить одну тонну металла, энергии тратится столько, что её хватило бы на нужды 100-квартирного дома на протяжении целого месяца. А именно 15 МВт*ч. Поэтому большинство алюминиевых заводов располагаются недалеко от гидроэлектростанций, атомных электростанций или имеют собственные тепловые электростанции, а также развитую структуру электроэнергетических систем и сетей.
Свойства алюминия
В алюминии заложено редкое сочетание таких свойств, как:
- небольшой вес;
- пластика, электропроводность;
- возможность образовывать сплавы с другими металлами.
Поверхность алюминия всегда покрыта тончайшей оксидной плёнкой, которая является очень прочной и не позволяет алюминию подвергаться коррозии. Этот материал и в горячем, и в холодном состоянии легко поддаётся обработке давлением. Такие методы обработки, как прокатка, штамповка, волочение часто производятся на предприятии при производстве тех или иных деталей.
Ещё одна ценность алюминия заключается в том, что он не токсичен, не подвержен горению и не нуждается в дополнительной окраске: это делает его применение в авто- и авиастроении незаменимым элементом. Ковкость алюминия удивляет: из него удалось изготовить лист и очень тонкую проволоку толщиной всего в 4 микрона, а толщины фольги — добиться в три раза тоньше волоса человека.
Благодаря возможности алюминия образовывать соединения с большой группой химических элементов появилась большая группа сплавов. Например, сочетание алюминия и цинка используется в создании корпусов различных видов планшетов и телефонов, алюминий в сочетании магния и кремния используется при производстве различных типов двигателей, в составе элементов шасси и всевозможных двигателей. Различные сплавы применяются и в электроэнергетике.
Современная наука продолжает изучать и изобретать новейшие типы алюминиевых сплавов. Сегодня не существует ни одной отрасли промышленности, где бы не использовался алюминий. Можно с уверенностью сказать, что такие виды промышленности, как авиационная, космическая, энергетическая, автомобильная, пищевая, электронная получили своё современное развитие благодаря алюминию и его сплавам.
Нельзя не упомянуть о таком важном свойстве, как теплопроводность. Ведь именно это свойство металла требуется при производстве систем отопления, электропродукции, в авто- и авиастроении, при изготовлении тормозных систем и тому подобных. Теплоёмкость — это процесс переноса тепловой энергии в физических телах или их частицах от горячих объектов к холодным на основе закона Фурье. Конкурентом алюминия в данной области является медь.
Так какой же металл имеет большую теплопроводность? Это не совсем однозначный вопрос. Известно, что алюминий по теплопроводности уступает меди при средних температурах, но когда заходит речь о низких температурах, а именно при 50 К, тогда теплопроводность алюминия значительно возрастает, в то время как у меди теплопроводность становится ниже. Температура плавления алюминия составляет 933,61 К, это примерно 660 °C, в этот момент свойства Al, такие как теплопроводность и плотность, уменьшаются.
Плотность серебристого металла определяется его температурой и зависит от его состояния. Так, при температуре в 27 °C, плотность алюминия соответственно равна 2697 кг/м3, а при температуре плавления, равной 660 °C, его плотность равняется 2368 кг/м3. Снижение плотности метала в зависимости от температуры обуславливается его расширением при непосредственном нагревании.
Таблицы свойств алюминия и меди
Далее, рассмотрим таблицы физических свойств и теплопроводности алюминия и меди при соответствии разных температур.
- плотность Cu и Al, кг/м3;
- удельная теплоёмкость Cu и Al, Дж/(кг·K);
- температуропроводность Cu и Al, м2/с;
- теплопроводность Cu и Al, Вт/(м·K);
- удельное электрическое сопротивление Cu и Al, Ом·м;
- функция Лоренца Cu и Al;
Таблица физических свойств алюминия
| T, K | кг/м3 | Дж/(кг·K) | м2 /с | Вт/(м·K) | Ом·м | L/L0 |
| 50 | — | — | 358 | 1350 | 0.0478/0.0476 | — |
| 100 | 2.725 | 483.6 | 228 | 300.4/302 | 0.442/0.440 | — |
| 200 | 2.715 | 800.2 | 109 | 236.8/237 | 1.587/1.584 | 0.78 |
| 300 | 2.697 | 903.7 | 93.8 | 235.9/237 | 2.733/2.733 | 0.88 |
| 400 | 2.675 | 951.3 | 93.6 | 238.8/240 | 3.866/3.875 | 0.94 |
| 500 | 2.665 | 991.8 | 88.8 | 234.7/236 | 4.995/5.020 | 0.96 |
| 600 | 2.652 | 1036.7 | 83.7 | 230.1/230 | 6.130/6.122 | 0.95 |
| 700 | 2.626 | 1090.2 | 78.4 | 224.4/225 | 7.350/7.322 | 0.96 |
| 800 | 2.595 | 1153.8 | 73.6 | 220.4/218 | 8.700/8.614 | 0.97 |
| 900 | 2.560 | 1228.2 | 69.2 | 217.6/210 | 10.18/10.005 | 0.99 |
| 933.61s | 2.550 | 1255.8 | 68.0 | 217.7/208 | 10.74/10.565 | 1 |
| 933.61l | 2.368 | 1176.7 | 35.2 | 98.1 | — 24.77 | 1.06 |
| 1000 | 2.350 | 1176.7 | 36.4 | 100.6 | — 25.88 | 1.06 |
| 1200 | 2.290 | 1176.7 | 39.5 | 106.4 | — 28.95 | 1.04 |
| 1400 | — | 1176.7 | 42.4 | — | — 31.77 | — |
| 1600 | — | 1176.7 | 44.8 | — | — 34.40 | — |
| 1800 | — | 1176.7 | 46.8 | — | — 36.93 | — |
Таблица физических свойств меди
| T, K | кг/м3 | Дж/(кг·K) | м2 /с | Вт/(м·K) | Ом·м | L/L0 |
| 50 | — | — | — | 1250 | 0.0518 | — |
| 100 | — | — | — | 482 | 0.348 | — |
| 200 | — | — | 130 | 413 | 1.048 | — |
| 300 | 8.933 | 385.0 | 117 | 401.9/401 | 1.725 | 0.945 |
| 400 | 8.870 | 3.97.7 | 111 | 391.5/393 | 2.402 | 0.961 |
| 500 | 8.628 | 408.0 | 107 | 385.4/386 | 3.090 | 0.976 |
| 600 | 8.779 | 416.9 | 103 | 376.9/379 | 3.792 | 0.976 |
| 700 | 8.726 | 425.1 | 99.7 | 369.7/373 | 4.514 | 0.976 |
| 800 | 8.656 | 432.9 | 96.3 | 360.8/366 | 5.262 | 0.973 |
| 900 | 8.622 | 441.7 | 93.3 | 355.3/359 | 6.041 | 0.979 |
| 1000 | 8.567 | 451.4 | 90.3 | 349.2/352 | 6.868 | 0.979 |
| 1100 | 8.509 | 464.3 | 85.5 | 337.6/346 | 7.717 | 0.972 |
| 1200 | 8.451 | 480.8 | 80.6 | 327.5/339 | 8.626 | 0.970 |
| 1300 | 8.394 | 506.5 | 75.8 | 322.1/332 | 9.592 | 0.972 |
| 1357.6s | 8.361 | 525.2 | 72.3 | 317 | 10.171 | 0.972 |
| 1357.6l | 8.00 | 513.9 | 41.2 | 175 | 21.01 | 1.08 |
| 1400 | 7.98 | 513.9 | 42.7 | 175 | 21.43 | 1.08 |
Из всего вышеперечисленного ясно видно, что алюминий является одним из приоритетных металлов в промышленности, но у него есть ещё одно свойство: этот металл и его сплавы можно переплавлять, причём неоднократно, без потерь его характеристик. Помимо прочего, это экономически выгоднее, чем добыча из руды. Так, на одной электроэнергии экономия превышает 14 кВт/ч. По подсчётам, 75% добытого за всё время алюминия и его сплавов используются по настоящее время.
Физические свойства алюминия
Алюминий — мягкий, легкий, серебристо-белый металл с высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления 660°C.
По распространенности в земной коре алюминий занимает 3-е место после кислорода и кремния среди всех атомов и 1-е место — среди металлов.
К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность (2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов.
Алюминий и его сплавы делятся по способу получения на деформируемые, подвергаемые обработке давлением и литейные, используемые в виде фасонного литья; по применению термической обработки — на термически не упрочняемые и термически упрочняемые, а также по системам легирования.
Получение
Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году. Современный метод получения разработали независимо друг от друга американец Чарльз Холл и француз Поль Эру. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.
Применение
Алюминий широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — легкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной пленкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.
Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).
Электропроводность алюминия сравнима с медью, при этом алюминий дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Правда, у алюминия как электротехнического материала есть неприятное свойство — из-за прочной оксидной пленки его тяжело паять.
Благодаря комплексу свойств широко распространен в тепловом оборудовании.
Внедрение алюминиевых сплавов в строительстве уменьшает металлоемкость, повышает долговечность и надежность конструкций при эксплуатации их в экстремальных условиях (низкая температура, землетрясение и т.п.).
Алюминий находит широкое применение в различных видах транспорта. На современном этапе развития авиации алюминиевые сплавы являются основными конструкционными материалами в самолетостроении. Алюминий и сплавы на его основе находят все более широкое применение в судостроении. Из алюминиевых сплавов изготовляют корпусы судов, палубные надстройки, коммуникацию и различного рода судовое оборудование.
Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и легкого материала.
Драгоценный алюминий
В настоящее время алюминий является одним из самых популярных и нашедших широкое применение металлов. С самого момента открытия в середине XIX века его считали одним из ценнейших благодаря удивительным качествам: белый как серебро, легкий по весу и не подверженный воздействию окружающей среды. Стоимость его была выше цен на золото. Не удивительно, что в первую очередь алюминий нашел свое применение в создании ювелирных изделий и дорогих декоративных элементов.
В 1855 г. на Универсальной выставке в Париже алюминий был самой главной достопримечательностью. Изделия из алюминия располагались в витрине, соседствующей с бриллиантами французской короны. Постепенно зародилась определенная мода на алюминий. Его считали благородным малоизученным металлом, используемым исключительно для создания произведений искусства.
Наиболее часто алюминий использовали ювелиры. При помощи особой обработки поверхности ювелиры добивались наиболее светлого цвета металла, из-за чего его часто приравнивали к серебру. Но в сравнении с серебром, алюминий обладал более мягким блеском, чем обуславливалась еще большая любовь к нему ювелиров.
Так как химические и физические свойства алюминия сначала были слабо изучены, ювелиры сами изобретали новые техники его обработки. Алюминий технически легко обрабатывать, этот мягкий металл позволяет создавать отпечатки любых узоров, наносить рисунки и создавать желаемой формы изделия. Алюминий покрывался золотом, полировался и доводился до матовых оттенков.
Но со временем алюминий стал падать цене. Если в 1854-1856 годах стоимость одного килограмма алюминия составляла 3 тысячи старых франков, то в середине 1860-х годов за килограмм этого металла давали уже около ста старых франков. Впоследствии из-за низкой стоимости алюминий вышел из моды.
В настоящее время самые первые алюминиевые изделия представляют большую редкость. Большинство из них не пережило обесценивания металла и было заменено серебром, золотом и другими драгоценными металлами и сплавами. В последнее время вновь наблюдается повышенный интерес к алюминию у специалистов. Этот металл стал темой отдельной выставки , организованной в 2000 году Музеем Карнеги в Питсбурге. Во Франции расположен Институт истории алюминия, который в частности занимается исследованием первых ювелирных изделий из этого металла.
В Советском союзе из алюминия делали общепитовские приборы, чайники и т.д. И не только. Первый советский спутник был выполнен из алюминиевого сплава. Другой потребитель алюминия — электротехническая промышленность: из него делаются провода высоковольтных линий передач, обмотки моторов и трансформаторов, кабели, цоколи ламп, конденсаторы и многие другие изделия. Кроме того, порошок алюминия применяют во взрывчатых веществах и твердом топливе для ракет, используя его свойство быстро воспламеняться: если бы алюминий не покрывался тончайшей оксидной пленкой, то мог бы вспыхивать на воздухе.
Последнее изобретение — пеноалюминий, т.н. «металлический поролон», которому предсказывают большое будущее.
Сплавы алюминия и меди востребованы в различных производственных сферах, так как обладают относительно небольшим весом, высокой прочностью, пластическими свойствами, однородной плотностью. Хорошо поддаются литью, ковке и другим видам обработки. Отличаются относительно простой технологией получения.
Сплав алюминия и меди
Содержание
История открытия
История сплавов алюминия с медью начинается с опытов Х. Эрстеда в 1825 году, когда он хотел получить чистый Al методом электролиза. В действительности он получил некий состав, в который входили и другие элементы, участвующие в эксперименте.
Дальнейшие опыты по открытию чистого алюминия провёл Ф. Велер в 1827 году, когда получил 30 грамм порошка Al, а в 1845 году — расплавленные шарики. Однако метод получения был слишком трудоёмким и требовал усовершенствования.
В 1856 году А. Девиль разработал со своей исследовательской группой промышленный метод получения алюминия и открыл первое его массовое производство. В 1886 году П. Эру и Ч. Холл открыли электролитический способ, который оказался дешевле и эффективнее химического.
С 1888 по 1895 в Нейгаузене (Швейцария) открываются предприятия по массовому производству Al.
В 1906 году А. Вильм на собственном предприятии начинает разрабатывать высокопрочные алюминиево-медные сплавы. Путем опытов он получил образец, который обладал свойством самоупрочнения. Его производство было продолжено в 1911 году в Германии.
Массовые исследования сплавов пришлись на период с 1920 по 1940 год в СССР, Германии, США. Стали явно разделяться два направления экспериментов — изучение чистых и легированных составов.
Состав и структура
Фазовая диаграмма состояния алюминиевых сплавов Al-Cu имеет следующие особенности:
- Максимальная растворимость меди в алюминии в твёрдой фазе составляет 5,65%, которая снижается с понижением температуры. Это делает возможным проведение закалки и старения. Фаза CuAl2 играет роль упрочняющей по методу растворов, придаёт механическую и термическую прочность.
- Эвтектическая точка находится на 33% концентрации меди, состоит из хрупкой, но прочной фазы CuAl2, которая делает материал непригодным для практического применения. Большое количество меди существенно повышает плотность образцов. Для литья используются сплавы с концентрацией от 1 до 1,5% (для получения упрочнения) и от 6 до 8% (чтобы исключить количество хрупкой фазы CuAl2).
- Хорошая растворимость Cu в Al и низкая температура плавления эвтектики +5480С становятся причиной появления широкого интервала кристаллизации.
Низкая жидкотекучесть, образование пор, трещин, ликвация — характерные признаки необходимости поиска компромисса между литейными и прочностными свойствами.
Основным легирующим элементом является медь, которая приводит к созданию неравновесной эвтектической фазы. Поэтому при термообработке закалкой проводят ступенчатый нагрев расплава до +5300С с последующей выдержкой до получения стабильной фазы.
Значительное количество электронов проводимости в сплавах Cu-Al существенно снижают удельное электросопротивление до уровня менее 0,02 мкОм*м. Наличие примесей железа или легирующих элементов на данную величину практически не влияют.
Алюминий
Характеристики и свойства сплава
Применение алюминия в чистом виде не выгодно по причине его малой прочности. Даже в изготовлении электронных компонентов он практически не применяется.
Свойства алюминия при добавлении меди существенно улучшаются: сохраняется пластичность, повышается прочность. В однофазных сплавах отсутствует текучая жидкая фаза, которая способна заполнять пустоты, образуемых в процессе усадки, снимать внутренние напряжения. Трудные составы имеют сложный процесс твердения и необходимо применять особые меры в процессе литья.
Существуют такие виды сплавов:
- деформируемые, получаемые путём термической закалки и последующего старения — используются в средне нагружаемых конструкциях, выпускаются в виде проволоки, прутка, листов, профилей и труб;
- литейные — используются для отливки сложных конструкций, обладают высокой прочностью, плохо поддаются пайке.
Чтобы улучшить литейные свойства смеси, в состав добавляют немного кремния, который увеличивает текучесть, снижает вероятность растрескивания. Негативным фактором является понижение уровня пластичности.
Механические свойства сплавов с содержанием меди от 9 до 11%:
- высокая прочность от 500 МПа;
- износостойкость;
- самоупрочнение;
- жаростойкость.
Для улучшения характеристик используются легирующие элементы:
- марганец и титан формируют интерметаллиды, которые находятся по границам дендритных ячеек Cu-Al образуют твёрдый каркас, применяются для повышения жаропрочности образцов;
- кремний повышает механические свойства, на снижает литейные, может применяться без термической обработки.
Изготовление
Медные сплавы с алюминием производят методом расплавления в электрических печах. Особенностью является возможность многократных циклов плавки и твердения, при которых не теряются основные свойства.
Сначала расплавляют алюминий, затем в него добавляют медь, а после получения однородного состава и легирующие элементы (железо, марганец, магний). Следующим этапом является закалка, которая позволяет избавиться от метастабильных фаз и добиться однородной плотности. Время выдержки выбирается на основе используемых легирующих компонентов и процентного содержания меди.
Где применяют сплав
Применение конструкций из алюминиево-медных сплавов:
- пищевая промышленность;
- автомобиле-, корабле- и самолётостроение;
- отделочные декоративные материалы;
- для защиты металлических изделий от коррозии;
- в электротехнике — радиоэлементы, высоковольтные линии передач, кабеля;
- в качестве отражателей света в лампах;
- для изготовления дорожных знаков, указателей, таблиц.
Изделия из сплава
Достоинства и недостатки
Основные преимущества:
- высокая прочность, пластичность;
- хорошая обрабатываемость —резание, штамповка, ковка, вытяжка, литьё;
- сохранение механических свойств до температуры +1750С;
- сверхпроводимость, позволяющая использовать образцы в научных исследованиях или применять в инновационных разработках;
- высокая коррозионная стойкость;
- возможность эксплуатации в деталях конструкций с повышенной взрывоопасностью;
- химическая нейтральность;
- простота сварки.
Основным недостатком является низкая коррозионная стойкость.
После закалки некоторое время сплав имеет отличную пластичность и ему можно придавать необходимую форму. Чтобы избежать чрезмерного образования дислокаций, требуется прогрев до +3500С с последующим остыванием в воздушной среде.
Поддержите канал, просто читайте наши статьи, а мы будем размещать для Вас полезную информацию о металлах! Так же Вы можете посетить наш сайт, там Вы найдете множество информации о металлах, сплава и их обработке.