Реферат: Алюминий
Алюминий-самый распространненый металл вземной коре. Его содержание
оценивают в 7.45% (больше, чем железа, которого только 4.2 %). Алюми-
ний как элементоткрыт недавно-в 1825 г., когда были получены первые
небольшие комочкиэтого металла. Начало его промышленного освоения от-
носится к концупрошлого столетия. Толчком к этомупослужила разрабо-
тка в 1886 г.способа его получения путем электролиза глинозема, раст-
воренного вкриолите. Принцип способа лежит в основе современного про-
мышленногоизвлечения алюминия из глинозема во всехстранах мира.
По внешнему виду алюминий представляетсобой блестящий серебристый
белый металл. Навоздухе он быстро окисляется, покрываясь тонкой белой
матовой пленкойAl O. Эта пленка обладает высокими защитными свойст-
вами, поэтому,будучи покрытым такой пленкой, алюминий является корро-
зионностойким.
Алюминий достаточно легко разрушается растворами едких щелочей,со-
ляной и сернойкислот. В концетрированной азотной кислоте и органичес-
ких кислотах онобладает высокой стойкостью.
Наиболее характерными физическими свойствамиалюминия является его
малаяотносительная плотность, равная 2.7, а также сравнительно высо-
кие тепло- иэлектропроводность. При 0 C удельная электропроводность
алюминия, т.е.электропроводность алюминиевой проволоки сечением 1 мм
и длиной 1 мравна 37 1 ом.
Коррозионная стойкость и особенноэлектропроводность алюминия тем
выше, чем ончище, чем меньше в нем примесей.
Температура плавления алюминия невысокая, онаравна приблизительно
660 C. Однакоскрытая теплота плавления его очень большая-около 100
кал г, поэтомудля расплавления алюминия требуется большой расход теп-
ла, чем длярасплавления такого же количества, например, тугоплавкой
меди, у которой температура плавления 1083 C, скрытаятеплота плавле-
ния 43 кал г.
Для механических свойств алюминия характернабольшая пластичность и
малая прочность.Прокатанный и отожженный алюминий имеет =10 кГ мм,
а твердостьНВ25, =80% и =35%.
Кристаллическая решетка алюминия представляетсобой гранецентриро-
ванный куб,имеющий при 20 C параметр (размер стороны) 4.04 . Алло-
тропическихпревращений алюминий не имеет.
В природе аллюминий находится в видеалюминиевых руд: бокситов, не-
фелинов, алунитови каолинов. Важнейшей рудой, на которой базируется
большая частьмировой алюминиевой промышленности, являются бокситы.
Получение алюминия из руд состоит из двухпоследовательно проводи-
мыхэтапов-сначала производят глинозем (Al O ), а затем из него полу-
чают алюминий.
Известные в настоящее время методы полученияглинозема можно раз-
бить на тригруппы: щелочные, кислотные и электротермические. Наибо-
лее широкоеприменение получили щелочные методы.
В одних разновидностях щелочных методовбоксит, обезвоженный при
1000 C,измельчают в шаровых мельницах, смешивают в определенных про-
порциях с мелом исодой и спекают для получения растворимого в воде
твердогоалюмината натрия по реакции
Al O + Na CO = Al O Na O + CO .
Спекшуюся массу измельчают и выщелачиваютводой, алюминат натрия
при этомпереходит в раствор.
В других разновидностях щелочного методаглинозем, содержащийся в
боксите,связывают в алюминат натрия путем непосредственной обработки
руды щелочами.При этом сразу получается раствор алюмината в воде.
В обоих случаях образование водного раствораалюмината натрия приво-
дит к отделениюего от нерастворимых компонентов руды, представляющих
собой в основномокиси и гидроокиси кремния, железа и титана. Отделе-
ние раствора отнерастворимого осадка, называемого красным шламом,
осуществляют вотстойниках.
В полученный раствор при 125 C и давлении 5ам добавляют известь,
что приводит кобескремниванию-CaSiO уходит в осадок,образуя белый
шлам. Очищенныйот кремния раствор после отделения его от белого шла-
ма обрабатываютуглекислым газом при 60-80 C, в результате чего в оса-
док выпадаеткристаллический гидрат окиси алюминия:
Al O Na O + 3H O + CO = 2Al(OH) + Na CO .
Егопромывают, просушивают и прокаливают. Прокаливание приводит к
образованиюглинозема:
2Al(OH) = Al O + 3H O .
Описанный способ обеспечивает довольно полноеизвлечение глинозема
из боксита-около80%.
Получение металлического алюминия изглинозема заключается в его
электролитическомразложении на составные части-на алюминий и кисло-
род. Электролитомв этом процессе является раствор глинозема в крио-
лите (AlF 3NaF). Криолит, обладая способностьюрастворять глинозем,
одновременноснижает его температуру плавления. Глинозем плавится при
температуре около2000 C, а температура плавления раствора, состояще-
го, например, из85 % криолита и 15 % глинозема, равна 935 C.
Схема ээлектролиза глинозема достаточнопроста, но технологически
этот процесссложный и требует больших затрат электроэнергии.
В поду ванны с хорошей теплоизоляцией 1 иугольной набивкой 2 зало-
жены катодныешины 3, соединенные с отрицательным полюсом источника
электрическоготока. К анодной шине 4 присоединены электроды 5. Перед
началомэлектролиза на дно ванны насыпают тонкий слой кокса, электро-
ды опускают досоприкосновения с ним и включают ток. Когда угольная
набивканакалится, постепенно вводят криолит. При толщине слоя рас-
плавленногокриолита, равной 200-300 мм, загружают глинозем из расчета
15% к количествукриолита. Процесс происходит при 950-1000 C.
Под действием электрического тока глиноземразлагается алюминий и
кислород. Жидкийалюминий 6 скапливается на угольной подине (дно уго-
льной ванны),являющейся катодом, а кислород соединяется с углеродом
анодов,постепенно сжигая их. Криолит расходуется незначительно. Гли-
ноземпериодически добавляют, электроды для компенсации сгоревшей
части постепенноопускают вниз, а накопившийся жидкий алюминий через
определенныепромежутки времени выпускают в ковш 8.
При электролизе на 1 т алюминия расходуетсяоколо 2 т глинозема,
0.6 т угольныхэлектродов, служащих анодами, 0.1 т криолита и от
17000 до 18000 квтч электроэнергии.
Полученный при электролизе глиноземаалюминий-сырец содержит метал-
лические примеси(железо, кремний, титан и натрий), растворенные газы,
главным изкоторых является водород, и неметаллические включения, пре-
дставляющие собойчастицы глинозема, угля и криолита. В таком состоя-
нии он непригодендля применения, так как имеет низкие свойства, поэ-
тому егообязательно подвергают рафинированию. Неметаллические и газо-
образные примесиудаляют путем переплавки и продувки металла хлором.
Металлическиепримеси можно удалить только сложными электролитическими
способами.
После рафинирования получают торговые сортаалюминия.
Чистота алюминия является решающимпоказателем, влияющим на все его
свойства, поэтомухимический состав положен в основу классификации
алюминия.
Неизбежными примесями, получающимися припроизводстве алюминия,
являются железо икремний. Обе они в алюминии вредны. Железо не раст-
воряется валюминии, а образует с ним хрупкие химические соединения
FeAl и Fe Al. С кремнием алюминий образуетэвтектическую механичес-
кую смесь при11.7% Si. Поскольку растворимость кремния при комнатной
температуре оченьмала (0.05%), то даже при его незначительном коли-
честве онобразует эвтетику Fe+Si и включения очень твердых (НВ 800)
хрупкихкристалликов кремния, которые снижают пластичность алюминия.
При совместномприсутствии кремния и железа образуется тройное хими-
ческое соединениеи тройная эвтектика, тоже понижающие пластичность.
У нас в стране в зависимости от количествапримесей установлены три-
надцать марокалюминия, выпускаемых промышленностью.
______________________________________________________________
| Чистота алюминия разных марок |
|______________________________________________________________|
| Группа | | Содержание ||Группа | | Содержание |
| чистоты | Марка | алюминия, %|| чистоты |Марка | алюминия, %|
| | | не менее || | | не менее |
|_________|_______|____________||_________|_______|____________|
| Особой | | || | А85 | 99.85 |
| чистоты | А999 | 99.999 || Техни- | А8 | 99.80 |
|_________|_______|____________|| ческой | А7 | 99.70 |
| Высокой | А995 | 99.995 || чистоты | А6 | 99.60 |
| чистоты | А99 | 99.99 || | А5 | 99.50 |
| | А97 | 99.97 || | А0 | 99.00 |
| | А95 | 99.95 || | А | 99.00 |
| | | || | АЕ | 99.50 |
|_________|_______|____________||_________|_______|____________|
Контролируемыми примесями в алюминии являютсяжелезо, кремний, медь
и титан.
Алюминий всех марок содержит более 99 % Al.Количественное же пре-
вышение этойвеличины в сотых или десятых долях процента указывают в
названии маркипосле начальной буквы А. Так, в марке А85 содержится
99.85 % Al.Исключение из этого принципа маркировки составляют марки А
АЕ, в которыхсодержание алюминия такое же, как в марках А0 и А5, но
другоесоотношение входящих в состав примесей железа и кремния.
Буква Е в марке АЕ означает, что алюминийданной марки предназнача-
ется дляпроизводства электропроводов. Дополнительным требованием к
свойствамалюминия является низкое электросопротивление, которое для
проволоки,изготовленной из него, должно быть не более 0.0280 ом мм м
при 20 C.
Алюминий применяют для производства из негоизделий и сплавов на его
основе, свойствакоторых требуют большой степени его чистоты.
В зависимости от назначения алюминий можнопроизводить в различном
виде. Алюминийвсех марок (высокой и технической чистоты), предназна-
ченный дляпереплавки, отливают в виде чушек массой 5; 15 и 1000 кг.
Их предельныевеличины следущие: высота от 60 до 600 мм, ширина от 93
до 800 мм и длинаот 415 до 1000 мм.
Если же алюминий предназначается для прокаталиста и ленты, то не-
прерывным илиполунепрерывным методом отливают плоские слитки семнад-
цати размеров.Толщина их колеблется в пределах от 140 до 400 мм, ши-
рина-от 560 до2025 мм, а масса 1 м длины слитка-от 210 до 2190 кг.
Длину слиткасогласовывают с заказчиком.
Основным видом контроля алюминия как вчушках, так и в плоских слит-
ках, являетсяпроверка химического состава и его соответсвие марочно-
му. К чушкам ислиткам, предназначенным для обработки давлением, пре-
дьявляютдополнительные требования, такие, например, как отсутсвие ра-
ковин, газовыхпузырей, трещин, шлаковых и других посторонних включе-
ний.
Для раскисления стали в процессе ее выплавки,а также для производ-
ства ферросплавови для алюмотермии можно применять более дешевый алю-
миний меньшейчистоты, чем это указано таблице «Чистота алюминия раз-
ных марок».Для этой цели промышленность выпускает шесть марок алюми-
ния в чушкахмассой от 3 до 16.5 кг, содержащих от 98.0 до 87.0 % Al.
В них содержаниежелеза достигает 2.5 %, а кремния и меди до 5 % каж-
дого.
Применение алюминия обусловлено особенностьюего свойств. Сочетание
легкости сдостаточно высокой электропроводностью позволяет применять
алюминий какпроводник электрического тока, заменяя им более дорогую
медь. Разницу вэлектропроводности меди (63 1 ом) и алюминия (37 1 ом)
компенсируют увеличением сечения алюминиевого провода.Малая масса
алюминиевыхпроводов делает возможным осуществлять их подвеску при
значительнобольшем, чем в случае медных проводов, расстоянии между
опорами, неопасаясь обрыва проводов под влиянием собственного веса.
Из негоизготовляют также кабели, шины, конденсаторы, выпрямители. Вы-
сокаякоррозионная стойкость алюминия делает его в ряде случаев неза-
менимымиатериалом в химическом машиностроении, например для изготов-
ления аппаратуры,применяющейся при производстве, хранении и перевозке
азотной кислоты иее производных.
Широко его применяют также в пищевойпромышленности-из него изготов-
ляютразнообразную посуду для приготовления пищи. При этом используют
не только егостойкость к действию органических кислот, но также и вы-
сокуютеплопроводность.
Высокая пластичность позволяет раскатыватьалюминий в фольгу, кото-
рая в настоящеевремя полностью заменила применявшуюся ранее более до-
рогую оловяннуюфольгу. Фольга служит упаковкой для самых разнообраз-
ных пищевыхпродуктов: чая, шоколада, табака, сыра и др.
Алюминий применяют так же, какантикоррозионное покрытие других ме-
таллов и сплавов.Его можно наносить плакированием, диффузионной мета-
ллизацией идругими способами, включая покраску алюминийсодержащими
красками илаками. Особенно сильно распространено плакирование алюми-
нием плоскогопроката из менее коррозионноустойчивых алюминиевых спла-
вов.
Химическую активность алюминия по отношению ккислороду используют
для раскисленияпри производстве полуспокойной и спокойной стали и для
получениятрудновосстановимых металлов путем вытеснения алюминием из
их кислородныхсоединений.
Алюминий применяют как легирующий элемент всамых различных сталях и
сплавах. Онпридает им специфические свойства. Так например, он повы-
шаетжаростойкость сплавов на основе железа, меди, титана и некоторых
других металлов.
Можно назвать и иные области примененияалюминия различной степени
чистоты, но самоебольшое его количество расходуют на получение раз-
личных легкихсплавов на его основе. Сведения о главных из них приве-
дены ниже.
В целом применение алюминия в различныхотраслях хозяйства на приме-
ре развитыхкапстран оценивают следущими цифрами: транспортное машино-
строение 20-23%(в том числе автомобилестроение 15%), строительство
17-18%,электротехника 10-12%, производство упаковочных материалов
9-10%,производство потребительских товаров длительного пользования
9-10%, общеемашиностроение 8-10%.
Алюминий завоевывает все новые областиприменения, несмотря на кон-
куренцию другихматериалов и особенно пластмасс.
Основными промышленными рудами, содержащимиалюминий, являются бок-
сит, нефелин,алунит и каолин.
Качество этих руд оценивают по содержанию вних глинозема Al O, ко-
торый содержит53% Al. Из других показателей качества алюминиевых руд
наиболее важнымявляется состав примесей, вредность и полезность кото-
рых определяютсяприменением руды.
Б о к с и т является лучшим и во всем мире основным сырьем для по-
лучения алюминия.Его используют также для производства искусственного
корунда,высокоогнеупорных изделий и для других назначений. По хими-
ческому составуэта осадочная горная порода представляет собой смесь
гидратов глиноземаAl O nH O с окислами железа, кремния, титана и
других элементов.Наиболее распространенными гидратами глинозема, вхо-
дящими в составбокситов, являются минералы: диаспор, бемит и гидрар-
геллит.Содержание глинозема в боксите даже в одном месторождении ко-
леблется в оченьшироких пределах-от 35 до 70%.
Входящие в состав боксита минералы образуюточень тонкую смесь, что
затрудняетобогащение. В промышленности в основном применяют сырую ру-
ду. Процессизвлечения алюминия из руды сложный, очень энергоемкий и
состоит из двухстадий: сначала извлекают глинозем, а затем из него
получаюталюминий.
Предметом мировой торговли является как самбоксит, так и извлечен-
ный из него илидругих руд глинозем.
На территории СНГ залежи бокситов распределенынеравномерно, и бок-
ситы разныхместорождений неравноценны по качеству. Месторождения наи-
болеевысококачественных бокситов находятся на Урале. Большие запасы
бокситов имеютсятакже в Европейской части СНГ и в Западном Казахста-
не.
Из индустриально развитых стран нынепрактически обеспечена лишь
Франция, гдевпервые началась его разработка. Его достоверные и веро-
ятные запасы вэтой группе государств в 1975 г. оценивались в 4.8
млрд. т (в томчисле в Австралии 4.6 млрд. т), тогда как в развиваю-
щихся странах в12.5 млрд. т, в основном в Африке и Латинской Америке
(самыебогатые-Гвинея, Камерун, Бразилия, Ямайка).
За послевоенное время резко расширился кругстран, где ведется добы-
ча боксита ипроизводится первичный алюминий. В 1950 г. боксит добыва-
ли лишь в 11странах, не считая СССР, в том числе в трех в количестве
свыше 1 млн. т(Суринам, Гайяна, США) и в четырех более по 0.1 млн. т
(Франция,Индонезия, Италия, Гана). К 1977 г. обьем добычи возрос в 12
раз и резко изменилась ее география (более половины добычикапиталис-
тического мираприходилось на развивающиеся страны).
В отличие от развивающихся стран, богатаятопливом Австралия большую
часть добываемыхбокситов (в основном на полуострове Иорк-в крупнейшем
бокситовомместорождении мира) перерабатывает в глинозем, играя решаю-
щую роль в егомировом экспорте. Не пример ей, страны бассейна Карибс-
кого моря изападноафриканские вывозят преимущественно боксит. В этом
сказывается какпричины политического характера (мировым алюминиевым
монополиямпредпочтительнее производство глинозема за пределами бокси-
тодобывающих,зависимых от них стран), так и чисто экономические: бок-
ситы, в отличиеот руд тяжелых цветных металлов, транспортабельны (со-
держат 35-65 %двуокиси алюминия), а глиноземное производство требует
значительныхудельных расходов, которым не располагает подавляющая
частьбокситодобывающих стран.
Стремясь пртивостоять диктату мировыхалюминиевых монополий боксито-
экспортирующие страныв 1973 г. создали организацию «Международная ас-
социациябокситодобывающих стран» (МАБС). В нее вошли Австралия, Гви-
нея, Гайана,Ямайка, а также Югославия; позднее к ней присоединились
Доминиканскаяреспублика, Гаити, Гана, Сьерра-Леоне, Суринам, а Греция
и Индия сталистранами-наблюдателями. На год создания на долю этих го-
сударствприходилось примерно 85 % добычи бокситов в несоциалистичес-
ких государствах.
Для алюминиевой промышленности характерентерриториальный разрыв как
между добычейбоксита и производством глинозема, так и между последним
и выплавкойпервичного алюминия. Крупнейшие производства глинозема (до
1-1.3 млн. т год)локализованы как при алюминиевых заводах (например,
при канадскомзаводе в Арвида в Квебеке, занимающем по производствен-
ной мощности-0.4млн. т алюминия в год), так и в бокситоэкспортирующих
портах (например,Паранам в Суринаме), а также на путях следования бо-
ксита от вторых кпервым-например в США на побережье Мексиканского за-
лива(Корпус-Кристи, Пойнт-Комфорт).
У нас в стране все добываемые бокситыразделены на десять марок. Ос-
новное различиемежду бокситами разных марок состоит в том, что они
содержат разноеколичество основного извлекаемого компонента-глинозе-
ма и имеют разнуювеличину кремниевого модуля, т.е. разное содержание
глинозема ксодержанию вредной в бокситах примеси кремнезема
(Al O SiO ). Кремниевый модуль является оченьважным показателем ка-
чества бокситов,от него в сильной мере зависят их применение и тех-
нологияпереработки.
Основные показатели качества бокситов всехдесяти марок приведены в
таблице. Там жеуказано и преимущественное применение бокситов разных
марок.
____________________________________________________________________
| | Содержа- | Весовое | |
| Марка | ние |отношение| |
| боксита | Al O ,% |Al O :SiO| Примерное назначение |
| |___________|_________| |
| | не менее | |
|_________|_____________________|____________________________________|
| БВ… | 52 | 12.0 | Производство электрокорунда |
| | | | |
| Б-0… | 52 | 10.0 | Производство глинозема, электроко- |
| | | | рунда и глиноземистого цемента |
| | | | |
| Б-1… | 49 | 9.0 | То же |
| | | | |
| Б-2… | 46 | 7.0 | Производство глинозема, плавленых |
| Б-3… | 46 | 5.0 | огнеупоров и глиноземистых цементов|
| | | | |
| Б-4… | 42 | 3.5 | Производство глинозема и огнеупо- |
| Б-5… | 40 | 2.6 | ров |
| | | | |
| Б-6… | 37 | 2.1 | Производство огнеупоров, мартенов- |
| | | | ское производство |
| | | | |
| Б-7… | 30 | 5.6 | Производство глинозема и глиноземи-|
| | | | стого цемента |
| | | | |
| Б-8… | 28 | 4.0 | Производство глинозема |
|_________|___________|_________|____________________________________|
Как видно из таблицы, бокситы одних и тех жемарок используют для
различныхназначений, так например, боксит марки Б-1 может использо-
ван дляпроизводства глинозема, плавленых огнеупоров и глиноземистых
цементов. Однаков зависимости от назначения к бокситу одной и той же
марки приодинаковых основных показателях качества (содержание Al O
и кремниевоммодуле) предьявляют разные требования по содержанию при-
месей серы, окисикальция и фосфора.
Содержание влаги в бокситах любых марокустановлено в зависимости
от ихместорождения: наименьшая влажность (не более 7 %) устанолена
для бокситовюжно-уральских месторождений, а для северо-уральских,
каменск-уральскихи тихвинских-соответственно не более 12, 16 и 22%.
Показательвлажности не является браковочным признаком и служит то-
лько для расчетовс потребителем.
Боксит поставляют в кусках размером не более500 мм. Перевозят его
навалом наплатформах или в гондолах.
Н е ф е л и н Na(AlSiO )-минерал светло-серого или зеленоватого
цвета. Твердость5.5-6. Содержит 30-40% Al O. Используют нефелин как
металлургическуюруду для последовательного извлечения глинозема и
алюминия, а такжев химической, стекольной и кожевенной промышленно-
сти.
А л у н и т (квасцовый камень) KAl (SO ) (OH) -минерал белого, се-
рого иликрасноватого цвета. Твердость 3.5-4.0. Содержит 37 % Al O .
Служит дляполучения квасцов, глинозема и калиевых солей.
К а о л и н Al O 2SiO 2H O-распространенная горная порода. По
внешнему виду этобелая землянистая масса, являющаяся продуктом раз-
рушениякристаллических пород-гранитов, гнейсов и др. Твердость около
1, содержит 37.5% Al O. Каолин применяют для производства фарфоро-
вых и фаянсовыхизделий, изоляторов, а также как наполнитель в рези-
новойпромышленности.
Г л и н о з е м Al O является концетратом, получаемым из различ-
ных алюминиевыхруд. Его поставляют в виде белого кристаллического
порошка.
Глинозем является основным сырьем дляполучения металлического алю-
миния. Крометого, его используют и в других отраслях промышленности-
абразивной, радиои др. У нас в стране производят глинозем восьми ма-
рок,физико-химическим составом и назначением.
Для производства первичного алюминияпредназначен глинозем марок
ГА85, ГА8, ГА6 иГА5. Буквенная часть марок указывает на область при-
мененияглинозема, а цифры-на степень чистоты получаемого алюминия:
это сотые идесятые доли процента сверх 99 %. Например, марка ГА85-
глинозем дляполучения алюминия со степенью чистоты 99.85 %, а марка
ГА5-то же, но состепенью чистоты 99.5 %.
Для производства белого электрокорундаприменяют глинозем марки
ГЭ5,высокоглиноземистых огнеупоров-ГО, электроизоляционных изделий-
ГК и дляэлектровакуумной промышленности и специальных видов радиоке-
рамики-ГЭВ.
В глиноземах всех назначений нормируютсяпотери при прокаливании
(в разных маркахот 0.4 до 1.2 %), содержание кремнезема (от 0.03 до
0.5 %), окисижелеза (от 0.035 до 0.1 %) и окиси щелочных металлов
(от 0.1 до 0.6%).
Влага, удаляемая при 120 C, не нормируется.
Как уже сказано, по физическому состояниюглинозем имеет вид порош-
ка. Особеннострогие требования по гранулометрическому составу предь-
являют кглинозему марки ГЭВ, в котором частицы должны иметь округлую
форму и их размерне должен превышать 3 мкм.
Глинозем марок ГК и ГЭВ при поставкеобязательно упаковывают в мно-
гослойныебумажные мешки или в сухие мешки из плотной ткани. Перево-
зят их в закрытыхжелезнодорожных вагонах и трюмах. Глинозем осталь-
ных шести марокможно упаковывать в мешки, но чаще его перевозят без
тары навалом вспециальных (цементовозах, цистернах и т.д.).
Прочность алюминия незначительна, поэтому дляизготовления любых из-
делий, предназначенныхк восприятию внешних сил, применяют не чистый
алюминий, а егосплавы, которых в настоящее время разработано достато-
чно много марок.
Введение различных легирующих элементов валюминий существенно изме-
няет егосвойства, а иногда придает ему новые специфические свойства.
При различномлегировании повышаются прочность, твердость, приобрета-
етсяжаропрочность и другие свойства. При этом происходят и нежелате-
льные изменения:неизбежно снижается электропроводность, во многих
случаяхухудшается коррозионная стойкость, почти всегда повышается от-
носительнаяплотность. Исключение составляет легирование марганцем,
который не тольконе снижает коррозионную стойкость, но даже несколь-
ко повышает ее, имагнием, который тоже повышает коррозионную стой-
кость (если егоне более 3 %) и снижает относительную плотность, так
как он легче, чемалюминий.
Алюминиевые сплавы по способу изготовления изних изделий делят на
две группы:деформируемые и литейные. Такое деление отражает основные
технологическиесвойства сплавов: деформируемые имеют высокую пластич-
ность в нагретомсостоянии, а литейные-хорошую жидкотекучесть. Для по-
лучения этихсвойств в алюминий вводят разные легирующие элементы и в
неодинаковомколичестве.
Сырьем для получения сплавов обоего типаявляются не только техниче-
ски чистыйалюминий, о котором речь шла выше, но также и двойные спла-
вы алюминия скремнием, которые содержат 10-13 % Si, и несколько отли-
чаются друг отдруга количеством примесей железа, кальция, титана и
марганца. Общейсодержание примесей в них 0.5-1.7 %. Эти сплавы назы-
вают силуминами имаркируют у нас в стране СИЛ-00 (наиболее чистый по
примесей), СИЛ-0,СИЛ-1 и СИЛ-2. Поставляют их в виде гладких чушек
или чушек спережимами массой 6 и 14 кг. Силумин в чушках тоже явля-
ется товаром намировом рынке.
Для получения деформируемых сплавов валюминий вводят в основном ра-
створимые в немлегирующие элементы в количестве, не превышающем пре-
дел ихрастворимости при высокой температуре. В них не должно эвтекти-
ки, котораялегкоплавка и резко снижает пластичность.
Деформируемые сплавы при нагреве подобработку давлением должны
иметь гомогеннуюструктуру твердого раствора, обеспечивающую наиболь-
шую пластичностьи наименьшую прочность. Это и обусловливает их хоро-
шуюобрабатываемость давлением.
Основными легирующими элементами в различныхдеформируемых сплавах
является медь,магний, марганец и цинк, кроме того, в сравнительно не-
большихколичествах вводят также кремний, железо, никель и некоторые
другие элементы.
Деформируемые алюминиевые сплавы делят наупрочняемые и неупрочняе-
мые. Этонаименование отражает способность или неспособность сплава
заметно повышатьпрочность при термической обработке.
Структурные превращения, происходящие валюминиевых сплавах при их
термическойобработке, существенно отличается от таковых в стали пото-
му, что алюминийне имеет аллотропического превращения. В них повыше-
ние прочностиможет происходить только за счет процессов, связанных с
выделением изперенасыщенного в результате закалки твердого раствора
каких-тоупрочняющих фаз.
Характерными упрочняемыми сплавами являютсядюралюминии-сплавы алю-
миния с медью,которые содержат постоянные примеси кремния и железа и
могут бытьлегированы магнием и марганцем. Количество меди в них нахо-
дится в пределах2.2-7 %.
Название марок дюралюминия начинается буквойД, затем идет цифра,
которая неотражает химического состава, а представляет собой просто
номер. В разноевремя было разработано много марок дюралюминия, но
многие из них ненашли широкого применения. Сейчас промышленность вы-
пускает пятьосновных марок дюралюминия, химический состав которых
приведен втаблице.
____________________________________________________________________
| | Основной химический состав, % |
|Дюралюми-|_________________________________________________________|
| ний | Cu | Mn | Mg | Si, не | Fe, не |
| | | | | более | более |
|__________|__________|__________|__________|____________|___________|
| Д1… | 3,8-4,8 | 0,4-0,8 | 0,4-0,8 | 0,7 | 0,7 |
| | | | | | |
| Д16… | 3,8-4,9 | 0,3-0,9 | 1,2-1,8 | 0,5 | 0,5 |
| | | | | | |
| Д18… | 2,2-3,0 | <0,2 | 0,2-0,5 | 0,5 | 0,5 |
| | | | | | |
| Д19… | 3,8-4,3 | 0,5-1,0 | 1,7-2,3 | 0,5 | 0,5 |
| | | | | | |
| Д20… | 6,0-7,0 | 0,4-0,8 | <0,05 | 0,3 | 0,3 |
|__________|__________|__________|__________|____________|___________|
Медь растворяется в алюминии в количестве0,5% при комнатной темпе-
ратуре и 5,7% при эвтектической температуре, равной548 C .
Термическая обработка дюралюминия состоит издвух этапов. Сначала
его нагреваютвыше линии предельной растворимости (обычно приблизи-
тельно до 500 C). При этой температуре его структура представляет со-
бой гомогенныйтвердый раствор меди в алюминии. Путем закалки, т.е.
быстрогоохлаждения в воде, эту структуру фиксируют при комнатной тем-
пературе. Приэтом раствор получается пересыщенным. В этом состоянии,
т.е. в состояниизакалки, дюралюминий очень мягок и пластичен.
Структура закаленного дюралюминия имеет малуюстабильность и даже
при комнатнойтемпературе в ней самопроизвольно происходят изменения.
Эти изменениясводятся к тому, что атомы избыточной меди группируются
в растворе,располагаясь в порядке, близком к характерному для крис-
талловхимического соединения CuAl. Химическое соединение еще не об-
разуется и темболее не отделяется от твердого раствора, но за счет
неравномерностираспределения атомов в кристаллической решетке твердо-
го раствора в нейвозникают искажения, которые приводят к значительно-
му повышениютвердости и прочности с одновременным снижением пластич-
ности сплава.Процесс изменения структуры закаленного сплава при ком-
натнойтемпературе носит название естественного старения.
Естественное старение особенно интенсивнопроисходит в течение пер-
вых несколькихчасов, полностью же завершается, придавая сплаву макси-
мальную для негопрочность, через 4-6 суток. Если же сплав подогреть
до 100-150 C, топроизойдет искуственное старение. В этом случае про-
цесс совершаетсябыстро, но упрочнение происходит меньшее. Обьясня-
ется это тем, чтопри более высокой температуре диффузионные переме-
щения атомов медиосуществляются более легко, поэтому происходит за-
вершенноеобразование фазы CuAl и выделение ее изтвердого раствора.
Упрочняющее жедействие полученной фазы оказывается меньшим, чем дей-
ствиеискаженности решетки твердого раствора, возникающей при естест-
венном старении.
Сравнение результатов старения дюралюминияпри различной температу-
ре показывает,что максимальное упрочнение обеспечивается при естест-
венном старении втечении четырех дней.
Близкими по химическому составу кдюралюминию, но в горячем состо-
янии несколькоболее пластичными, чем они, являются алюминиевые спла-
вы для поковок иштамповок, которые маркируют буквами АК (алюминий
кованый) ипорядковым номером (АК4, АК4-1, АК6 и АК8).
К группе деформируемых упрочняемых сплавовсплавов относят также бо-
леевысокопрочные, чем дюралюминий, сплавы системы Al-Cu-Mg-Zn, назва-
ние марок которыхначинаются буквой В (высокопрочные)-это сплавы марок
В93, В94, В95.
Характерной особенностью осноного химическогосостава сплавов В93,
В94 и В95является то, что при сравнительно небольшом содержании меди
(0.8-2.4 %) имагния (1.2-2.8 %) в них вводят большое количество цинка
(5-7 %). Цинк необразует упрочняющих фаз, но, входя в состав твердого
раствора,увеличивает эффект старения, что приводит к значительному
повышениютвердости.
Среди неупрочняемых алюминиевых сплавовнаибольшее значение приобре-
ли сплавы наоснове Al-Mn и Al-Mg.
Марганец и магний, так же как и медь, имеютограниченную раствори-
мость в алюминии,уменьшающуюся при снижении температуры. Однако эф-
фект упрочненияпри их термообработке невелик. Обьясняется это следу-
щим образом.
В процессе кристаллизации при изготовлениисплавов, содержащих до
1,9% Mn,выделяющийся из твердого раствора избыточный марганец должен
был бы образоватьс алюминием растворимое в нем химическое соединение
Al (MnFe),которое в алюминии не растворяется. Следовательно, последу-
ющий нагрев вышелинии предельной растворимости не обеспечивает обра-
зованиегомогенного твердого раствора, сплав остается гетерогенным,
состоящим изтвердого раствора и частиц Al (MnFe), а это приводит к
невозможностизакалки и последущего старения.
В случае системы Al-Mg причина отсутствияупрочнения при термической
обработке иная.При содержании магния до 1,4% упрочнения быть не мо-
жет, так как вэтих пределах он растворяется в алюминии при комнатной
температуре иникакого выделения избыточных фаз не происходит. При
большем жесодержании магния закалка с последущим химическим старением
приводит квыделению избыточной фазы-химического соединения Mg Al .
Однако свойстваэтого соединения таковы, что процессы, предшествующие
его выделению, азатем и образующиеся включения не вызывают заметного
эффектаупрочнения.
Несмотря на