Какие свойства позволяют алюминию конкурировать с медью

Алюминий – это пластичный и лёгкий металл белого цвета, покрытый серебристой матовой оксидной плёнкой. В периодической системе Д. И. Менделеева этот химический элемент обозначается, как Al (Aluminium) и находится в главной подгруппе III группы, третьего периода, под атомным номером 13. Купить алюминий вы можете на нашем сайте.

История открытия

В 16 веке знаменитый Парацельс сделал первый шаг к добыче алюминия. Из квасцов он выделил «квасцовую землю», которая содержала оксид неизвестного тогда металла. В 18 веке к этому эксперименту вернулся немецкий химик Андреас Маргграф. Оксид алюминия он назвал «alumina», что на латинском языке означает «вяжущий». На тот момент металл не пользовался популярностью, так как не был найден в чистом виде.
Долгие годы выделить чистый алюминий пытались английские, датские и немецкие учёные. В 1855 году в Париже на Всемирной выставке металл алюминий произвёл фурор. Из него делали только предметы роскоши и ювелирные украшения, так как металл был достаточно дорогим. В конце 19 века появился более современный и дешёвый метод получения алюминия. В 1911 году в Дюрене выпустили первую партию дюралюминия, названного в честь города. В 1919 из этого материала был создан первый самолёт.

Физические свойства

Металл алюминий характеризуется высокой электропроводностью, теплопроводностью, стойкостью к коррозии и морозу, пластичностью. Он хорошо поддаётся штамповке, ковке, волочению, прокатке. Алюминий хорошо сваривается различными видами сварки. Важным свойством является малая плотность около 2,7 г/см³. Температура плавления составляет около 660°С.
Механические, физико-химические и технологические свойства алюминия зависят от наличия и количества примесей, которые ухудшают свойства чистого металла. Основные естественные примеси – это кремний, железо, цинк, титан и медь.

По степени очистки различают алюминий высокой и технической чистоты. Практическое различие заключается в отличии коррозионной устойчивости к некоторым средам. Чем чище металл, тем он дороже. Технический алюминий используется для изготовления сплавов, проката и кабельно-проводниковой продукции. Металл высокой чистоты применяют в специальных целях.
По показателю электропроводности алюминий уступает только золоту, серебру и меди. А сочетание малой плотности и высокой электропроводности позволяет конкурировать в сфере кабельно-проводниковой продукции с медью. Длительный отжиг улучшает электропроводность, а нагартовка ухудшает.

Теплопроводность алюминия повышается с увеличением чистоты металла. Примеси марганца, магния и меди снижают это свойство. По показателю теплопроводности алюминий проигрывает только меди и серебру. Благодаря этому свойству металл применяется в теплообменниках и радиаторах охлаждения.
Алюминий обладает высокой удельной теплоёмкостью и теплотой плавления. Эти показатели значительно больше, чем у большинства металлов. Чем выше степень чистоты алюминия, тем больше он способен отражать свет от поверхности. Металл хорошо полируется и анодируется.

Алюминий имеет большое сродство к кислороду и покрывается на воздухе тонкой прочной плёнкой оксида алюминия. Эта плёнка защищает металл от последующего окисления и обеспечивает его хорошие антикоррозионные свойства. Алюминий обладает стойкостью к атмосферной коррозии, морской и пресной воде, практически не вступает во взаимодействия с органическими кислотами, концентрированной или разбавленной азотной кислотой.

Химические свойства

Алюминий — это достаточно активный амфотерный металл. При обычных условиях прочная оксидная плёнка определяет его стойкость. Если разрушить оксидную плёнку, алюминий выступает как активный металл-восстановитель. В мелкораздробленном состоянии и при высокой температуре металл взаимодействует с кислородом. При нагревании происходят реакции с серой, фосфором, азотом, углеродом, йодом. При обычных условиях металл взаимодействует с хлором и бромом. С водородом реакции не происходит. С металлами алюминий образует сплавы, содержащие интерметаллические соединения – алюминиды.

При условии очищения от оксидной пленки, происходит энергичное взаимодействие с водой. Легко протекают реакции с разбавленными кислотами. Реакции с концентрированной азотной и серной кислотой происходят при нагревании. Алюминий легко реагирует со щелочами. Практическое применение в металлургии нашло свойство восстанавливать металлы из оксидов и солей – реакции алюминотермии.

Получение

Алюминий находится на первом месте среди металлов и на третьем среди всех элементов по распространённости в земной коре. Приблизительно 8% массы земной коры составляет именно этот металл. Алюминий содержится в тканях животных и растений в качестве микроэлемента. В природе он встречается в связанном виде в форме горных пород, минералов. Каменная оболочка земли, находящаяся в основе континентов, формируется именно алюмосиликатами и силикатами.

Алюмосиликаты – это минералы, образовавшиеся в результате вулканических процессов в соответствующих условиях высоких температур. При разрушении алюмосиликатов первичного происхождения (полевые шпаты) сформировались разнообразные вторичные породы с более высоким содержанием алюминия (алуниты, каолины, бокситы, нефелины). В состав вторичных пород алюминий входит в виде гидроокисей или гидросиликатов. Однако не каждая алюминийсодержащая порода может быть сырьём для глинозёма – продукта, из которого при помощи метода электролиза получают алюминий.

Наиболее часто алюминий получают из бокситов. Залежи этого минерала распространены в странах тропического и субтропического пояса. В России также применяются нефелиновые руды, месторождения которых располагаются в Кемеровской области и на Кольском полуострове. При добыче алюминия из нефелинов попутно также получают поташ, кальцинированную соду, цемент и удобрения.

В бокситах содержится 40-60% глинозёма. Также в составе имеются оксид железа, диоксид титана, кремнезём. Для выделения чистого глинозёма используют процесс Байера. В автоклаве руду нагревают с едким натром, охлаждают, отделяют от жидкости «красный шлам» (твёрдый осадок). После осаждают гидроокись алюминия из полученного раствора и прокаливают её для получения чистого глинозёма. Глинозём должен соответствовать высоким стандартам по чистоте и размеру частиц.

Из добытой и обогащённой руды извлекают глинозём (оксид алюминия). Затем методом электролиза глинозём превращают в алюминий. Заключительным этапом является восстановление процессом Холла-Эру. Процесс заключается в следующем: при электролизе раствора глинозёма в расплавленном криолите происходит выделение алюминия. Катодом служит дно электролизной ванны, а анодом – угольные бруски, находящиеся в криолите. Расплавленный алюминий осаждается под раствором криолита с 3-5% глинозёма. Температура процесса поднимается до 950°С, что намного превышает температуру плавления самого алюминия (660°С). Глубокую очистку алюминия проводят зонной плавкой или дистилляцией его через субфторид.

Применение

Алюминий применяется в металлургии в качестве основы для сплавов (дуралюмин, силумин) и легирующего элемента (сплавы на основе меди, железа, магния, никеля). Сплавы алюминия используются в быту, в архитектуре и строительстве, в судостроении и автомобилестроении, а также в космической и авиационной технике. Алюминий применяется при производстве взрывчатых веществ. Анодированный алюминий (покрытый окрашенными плёнками из оксида алюминия) применяют для изготовления бижутерии. Также металл используется в электротехнике.

Рассмотрим, как используют различные изделия из алюминия.

Алюминиевая лента представляет собой тонкую алюминиевую полосу толщиной 0,3-2 мм, шириной 50-1250 мм, которая поставляется в рулонах. Используется лента в пищевой, лёгкой, холодильной промышленности для изготовления охлаждающих элементов и радиаторов.

Круглая алюминиевая проволока применяется для изготовления кабелей и проводов для электротехнических целей, а прямоугольная для обмоточных проводов.

Алюминиевые трубы отличаются долговечностью и стойкостью в условиях сельских и городских промышленных районов. Применяются они в отделочных работах, дорожном строительстве, конструкции автомобилей, самолётов и судов, производстве радиаторов, трубопроводов и бензобаков, монтаже систем отопления, магистральных трубопроводов, газопроводов, водопроводов.

Алюминиевые втулки характеризуются простотой в обработке, монтаже и эксплуатации. Используются они для концевого соединения металлических тросов.

Алюминиевый круг — это сплошной профиль круглого сечения. Используется это изделие для изготовления различных конструкций.

Алюминиевый пруток применяется для изготовления гаек, болтов, валов, крепежных элементов и шпинделей.
Около 3 мг алюминия каждый день поступает в организм человека с продуктами питания. Больше всего металла в овсянке, горохе, пшенице, рисе. Учёными установлено, что он способствует процессам регенерации, стимулирует развитие и рост тканей, оказывает влияние на активность пищеварительных желёз и ферментов.

Алюминиевый лист

Алюминиевая плита

Алюминиевые чушки

Алюминиевые уголки

Алюминиевая проволока

При использовании алюминиевой посуды в быту необходимо помнить, что хранить и нагревать в ней можно исключительно нейтральные жидкости. Если же в такой посуде готовить, к примеру, кислые щи, то алюминий поступит в еду, и она будет иметь неприятный «металлический» привкус.

Алюминий входит в состав лекарственных препаратов, используемых при заболеваниях почек и желудочно-кишечного тракта.

Источник

СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ

Содержание:

— марки алюминия

— физические свойства

— коррозионные свойства

— механические свойства

— технологические свойства

— применение

Марки алюминия.

Алюминий характеризуется высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью, пластичностью, морозостойкостью. Важнейшим свойством алюминия является его малая плотность (примерно 2.70 г/куб.см). Температура плавления алюминия около 660 С.

Физико-химические, механические и технологические свойства алюминия очень сильно зависят от вида и количества примесей, ухудшая большинство свойств чистого металла. Основными естественными примесями в алюминии являются железо и кремний. Железо, например, присутствуя в виде самостоятельной фазы Fe-Al, снижает электропроводность и коррозионную стойкость, ухудшает пластичность, но несколько повышает прочность алюминия.

В зависимости от степени очистки первичный алюминий разделяют на алюминий высокой и технической чистоты (ГОСТ 11069-2001). К техническому алюминию относятся также марки с маркировкой АД, АД1, АД0, АД00 (ГОСТ 4784-97). Технический алюминий всех марок получают электролизом криолит-глиноземных расплавов. Алюминий высокой чистоты получают дополнительной очисткой технического алюминия. Особенности свойств алюминия высокой и особой чистоты рассмотрены в книгах

1) Металловедение алюминия и его сплавов. Под ред. И.Н.Фридляндер. М. 1971.2) Механические и технологические свойства металлов. А.В.Бобылев. М. 1980.

Ниже в таблице приведена сокращенная информация о большей части марок алюминия. Также указано содержание его основных естественных примесей – кремния и железа.

Марка	Al, %	Si, %	Fe, %	Применения
Алюминий высокой чистоты
А995	99.995	0.0015	0.0015	— Химическая аппаратура — Фольга для обкладок конденсаторов — Специальные цели
А98	99.98	0.006	0.006
А95	99.95	0.02	0.025
Алюминий технической чистоты
А8 АД000	99.8	0.10 0.15	0.12 0.15	— Катанка для производства кабельно-проводниковой продукции (из А7Е и А5Е). — Сырье для производства алюминиевых сплавов — Фольга — Прокат (прутки, ленты, листы, проволока, трубы)
А7 АД00	99.7	0.15 0.2	0.16 0.25
А6	99.6	0.18	0.25
А5Е	99.5	0.10	0.20
А5 АД0	99.5	0.25 0.25	0.30 0.40
АД1	99.3	0.30	0.30
А0 АД	99.0	0.95 В сумме до 1.0 %

Главное практическое различие между техническим и высоокоочищенным алюминием связано с отличиями в коррозионной устойчивости к некоторым средам. Естественно, что чем выше степень очистки алюминия, тем он дороже.

В специальных целях используется алюминий высокой чистоты. Для производства алюминиевых сплавов, кабельно-проводниковой продукции и проката используется технический алюминий. Далее речь будет идти о техническом алюминии.

Электропроводность.

Важнейшее свойство алюминия – высокая электропроводность, по которой он уступает только серебру, меди и золоту. Сочетание высокой электропроводности с малой плотностью позволяет алюминию конкурировать с медью в сфере кабельно-проводниковой продукции.

На электропроводность алюминия кроме железа и кремния сильно влияет хром, марганец, титан. Поэтому в алюминии, предназначенном для изготовления проводников тока, регламентируется содержание ещё нескольких примесей. Так, в алюминии марки А5Е при допускаемом содержании железа 0.35%, а кремния 0.12%, сумма примесей Cr+V+Ti+Mn не должна превышать всего лишь 0.01%.

Электропроводность зависит от состояния материала. Длительный отжиг при 350 С улучшает проводимость, а нагартовка проводимость ухудшает.

Величина удельного электрического сопротивления при температуре 20 С составляет Ом*мм2/м или мкОм*м :

0.0277 – отожженная проволока из алюминия марки А7Е

0.0280 – отожженная проволока из алюминия марки А5Е

0.0290 – после прессования, без термообработки из алюминия марки АД0

Таким образом удельное электросопротивление проводников из алюминия примерно в 1.5 раза выше электросопротивления медных проводников. Соответственно электропроводность (величина обратная удельному сопротивлению) алюминия составляет 60-65% от электропроводности меди. Электропроводность алюминия растет с уменьшением количества примесей.

Температурный коэффициент электросопротивления алюминия (0.004) приблизительно такой же, как у меди.

Теплопроводность

Теплопроводность алюминия при 20 С составляет примерно 0.50 кал/см*с*С и возрастает с увеличением чистоты металла. По теплопроводности алюминий уступает только серебру и меди (примерно 0.90), втрое превышая теплопроводность малоуглеродистой стали. Это свойство определяет применение алюминия в радиаторах охлаждения и теплообменниках.

Другие физические свойства.

Алюминий имеет очень высокую удельную теплоемкость (примерно 0.22 кал/г*С). Это значительно больше, чем для большинства металлов (у меди – 0.09). Удельная теплота плавления также очень высока (примерно 93 кал/г). Для сравнения – у меди и железа эта величина составляет примерно 41-49 кал/г.

Отражательная способность алюминия сильно зависит от его чистоты. Для алюминиевой фольги чистотой 99.2% коэфициент отражения белого света равен 75%, а для фольги с содержанием алюминия 99.5% отражаемость составляет уже 84%.

Коррозионные свойства алюминия.

Сам по себе алюминий является очень химически активным металлом. С этим связано его применение в алюмотермии и в производстве ВВ. Однако на воздухе алюминий покрывается тонкой (около микрона), пленкой окиси алюминия. Обладая высокой прочностью и химической инертностью, она защищает алюминий от дальнейшего окисления и определяет его высокие антикоррозионные свойства во многих средах.

В алюминии высокой чистоты окисная пленка сплошная и беспористая, имеет очень прочное сцепление с алюминием. Поэтому алюминий высокой и особой чистоты очень стоек к действию неорганических кислот, щелочей, морской воды и воздуха. Сцепление окисной пленки с алюминием в местах нахождения примесей значительно ухудшается и эти места становятся уязвимы для коррозии. Поэтому алюминий технической чистоты имеет меньшую стойкость. Например по отношению к слабой соляной кислоте стойкость рафинированного и технического алюминия различается в 10 раз.

На алюминии (и его сплавах) обычно наблюдается точечная коррозия. Поэтому устойчивость алюминия и его сплавов во многих средах определяется не по изменению веса образцов и не по скорости проникновения коррозии, а по изменению механических свойств.

Основное влияние на коррозионные свойства технического алюминия оказывает содержание железа. Так, скорость коррозии в 5% растворе HCl для разных марок составляет (в ):

Марка	СодержаниеAl	Содержание Fe	Скорость коррозии
А7	99.7%	< 0.16%	0.25 – 1.1
А6	99.6%	< 0.25%	1.2 – 1.6
А0	99.0%	< 0.8%	27 — 31

Наличие железа уменьшает стойкость алюминия также к щелочам, но не сказывается на стойкости к серной и азотной кислоте. В целом коррозионная стойкость технического алюминия в зависимости от чистоты ухудшается в таком порядке: А8 и АД000, А7 и АД00, А6, А5 и АД0, АД1, А0 и АД.

При температуре свыше 100С алюминий взаимодействует с хлором. С водородом алюминий не взаимодействует, но хорошо его растворяет, поэтому он является основной составляющей газов, присутствующих в алюминии. Вредное влияние на алюминий оказывает водяной пар, диссоциирующий при 500 С, при более низких температурах действие пара незначительно.

Алюминий устойчив в следующих средах:

— промышленная атмосфера

— естественная пресная вода до температур 180 С. Скорость коррозии возрастает при аэрации,

примесях едкого натра, соляной кислоты и соды.

— морская вода

— концентрированная азотная кислота

— кислые соли натрия, магния, аммония, гипосульфит.

— слабые (до 10%) растворы серной кислоты,

— 100% серная кислота

— слабые растворы фосфорной (до 1%), хромовой (до 10%)

— борная кислота в любых концентрациях

— уксусная, лимонная, винная. яблочная кислота, кислые фруктовые соки, вино

— раствор аммиака

Алюминий неустойчив в таких средах:

— разбавленная азотная кислота

— соляная кислота

— разбавленная серная кислота

— плавиковая и бромистоводородная кислота

— щавелевая, муравьиная кислота

— растворы едких щелочей

— вода, содержащая соли ртути, меди, ионов хлора, разрушающих окисную пленку.

Контактная коррозия

В контакте с большинством технических металлов и сплавов алюминий служит анодом и его коррозия будет увеличиваться.

Механические свойства

Модуль упругости E = 7000-7100 кгс/мм2 для технического алюминия при 20 С. При повышении чистоты алюминия его величина уменьшается (6700 для А99).

Модуль сдвига G = 2700 кгс/мм2.

Основные параметры механических свойств технического алюминия приведены ниже:

Параметр	Ед. изм.	Деформированный	Отожженный
Предел текучести ?0.2	кгс/мм2	8 — 12	4 — 8
Предел прочности при растяжении ?в	кгс/мм2	13 — 16	8
Относительное удлинение при разрыве ?	%	5 – 10	30 – 40
Относительное сужение при разрыве	%	50 — 60	70 — 90
Предел прочности при срезе	кгс/мм2	10	6
Твердость	НВ	30 — 35	20

Приведенные показатели очень ориентировочны:

1) Для отожженного и литого алюминия эти значения зависят от марки технического алюминия. Чем больше примесей, тем больше прочность и твердость и ниже пластичность. Например твердость литого алюминия составляет: для А0 – 25НВ, для А5 – 20НВ, а для алюминия высокой чистоты А995 – 15НВ. Предел прочности при растяжении для этих случаев составляет: 8,5; 7.5 и 5 кгс/мм2, а относительное удлинение 20; 30 и 45% соответственно.

2) Для деформированного алюминия механические свойства зависят от степени деформации, вида проката и его размеров. Например предел прочности при растяжении составляет не менее 15-16 кгс/мм2 для проволоки и 8 – 11 кгс/мм2 для труб.

Однако, в любом случае, технический алюминий это мягкий и непрочный металл. Низкий предел текучести (даже для нагартованного проката он не превышает 12 кгс/мм2) ограничивает применение алюминия по допустимым нагрузкам.

Алюминий имеет низкий предел ползучести: при 20 С — 5 кгс/мм2, а при 200 С — 0.7 кгс/мм2. Для сравнения: у меди эти показатели равны 7 и 5 кгс/мм2 соответственно.

Низкая температура плавления и температура начала рекристаллизации (для технического алюминия примерно 150 С), низкий предел ползучести ограничивают температурный диапазон эксплуатации алюминия со стороны высоких температур.

Пластичность алюминия не ухудшается при низких температурах, вплоть до гелиевых. При понижении температуры от +20 С до — 269 С, предел прочности возрастает в 4 раза у технического алюминия и в 7 раз у высокочистого. Предел упругости при этом возрастает в 1.5 раза.

Морозостойкость алюминия позволяет использовать его в криогенных устройствах и конструкциях.

Технологические свойства.

Высокая пластичность алюминия позволяет производить фольгу (толщиной до 0.004 мм), изделия глубокой вытяжкой, использовать его для заклепок.

Алюминий технической чистоты при высоких температурах проявляет хрупкость.

Обрабатываемость резанием очень низкая.

Температура рекристаллизационного отжига 350-400 С, температура отпуска – 150 С.

Свариваемость.

Трудности сварки алюминия обусловлены 1) наличием прочной инертной окисной пленки, 2) высокой теплопроводности.

Тем не менее алюминий считается хорошо свариваемым металлом. Сварной шов имеет прочность основного металла (в отожженном состоянии) и такие же коррозионные свойства. Подробно о сварке алюминия см., например, www.weldingsite.com.ua.

Применение.

Из-за низкой прочности алюминий применяется только для ненагруженных элементов конструкций, когда важна высокая электро- или теплопроводность, коррозионная стойкость, пластичность или свариваемость. Соединение деталей осуществляется сваркой или заклепками. Технический алюминий применяется как для литья, так и для производства проката.

На складе предприятия постоянно имеются листы, проволока и шины из технического алюминия.

(см. соответствующие страницы. сайта). Под заказ поставляются чушки А5-А7.