Алюминий: свойства химические и физические. §1. История открытия алюминия

Соединения алюминия были известны человеку с древних времён. Одними из них являлись вяжущие вещества, к которым относятся алюмо-калиевые квасцы КAl(SO4)2. Они находили широкое применение. Они использовались в качестве протравы и как средство, останавливающее кровь. Пропитка древесины раствором алюмокалиевых квасцов делало её негорючей. Известен интересный исторический факт, как Архелай- полководец из Рима во время войны с персами приказал намазать башни, которые служили в качестве оборонительных сооружений, квасцами. Персам так и не удалось сжечь их.

Еще одним из соединений алюминия были природные глины, в состав которых входит оксид алюминия Al2O3.

Первые попытки получить алюминий только в середине XIX века. Попытка предпринятая датским учёным Х.К.Эрстедом увенчалась успехом. Для получения он использовал амальгированный калий в качестве восстановителя алюминия из оксида. Но что за металл был получен тогда выяснить так и не удалось. Через некоторое время, через два года, алюминий был получен немецким ученым-химиком Велером, который получил алюминий, используя нагревание безводного хлорида алюминия с металлическим калием. Многие годы труда немецкого ученого не прошли даром. За 20 лет он сумел приготовить гранулированный металл. Он оказался похожим на серебро, но был значительно легче его. Алюминий был очень дорогим металлом, и вплоть до начала XX века, его стоимость была выше стоимости золота. Поэтому многие-многие годы алюминий использовался как музейный экспонат. Около 1807 г. Дэви попытался провести электролиз глинозема, получил металл, который был назван алюмиумом (Alumium) или алюминумом (Aluminum), что в переводе с латинского - квасцы.

Получение алюминия из глин интересовало не только ученых-химиков, но и промышленников. Алюминий очень тяжело было отделить от других веществ, это способствовало тому, что он был дороже золота. В 1886 году химиком Ч.М. Холлом был предложен способ, который позволил получать металл в больших количествах. Проводя исследования, он в расплаве криолита AlF3 nNaF растворил оксид алюминия. Полученную смесь поместил в гранитный сосуд и пропустил через расплав постоянный электрический ток. Он был очень удивлен, когда через некоторое время на дне сосуда он обнаружил бляшки чистого алюминия. Этот способ и в настоящее время является основным для производства алюминия в промышленных масштабах. Полученный металл всем был хорош, кроме прочности, которая была необходима для промышленности. И эта проблема была решена. Немецкий химик Альфред Вильм сплавил алюминий с другими металлами: медью, марганцем и магнием. Получился сплав, который был значительно прочнее алюминия.

§2. Способы получения

Изобретение относится к способу получения алюминия путем электролитического выделения его из водных растворов одновременно с водородом. В способе используют жидкометаллический катод, например галлиевый. Содержание алюминия в металле повышают до 6 мас.%, выводят сплав из электролизера, охлаждают его в диапазоне от 98 до 26°С и выделяют алюминий кристаллизацией, получая первичный насыщенный твердый раствор с содержанием алюминия около 80 мас.%. Маточный раствор-сплав эвтектического состава возвращают на электролиз в качестве катодного металла, а первичный твердый раствор расплавляют и подвергают перекристаллизации при температурах ниже 660°С, отделяя последовательно вторичный, третичный и т.д. твердые растворы от жидкости до получения из них алюминия технической чистоты. Альтернативные методы производства алюминия - карботермический процесс, процесс Тодта, процесс Кувахара электролиз хлоридов, восстановление алюминия натрием - не обнаружили преимуществ перед методом Эру-Холла. Прототипом настоящего изобретения является наше предыдущее предложение того же названия, под N Получение алюминия из водных растворов одновременно с водородом, составляющее сущность этого изобретения, исключительно заманчиво, но его не удается реализовать из-за процессов пассивирования твердого алюминиевого катода оксидно-гидроксидными пленками переменного состава. Наши попытки реализации процесса в щелочеалюминатных, сернокислых, солянокислых и азотнокислых растворах в равной мере оказались безуспешными. В связи с этим мы предлагаем получать алюминий и водород на проточном жидкометаллическом катоде, на пример, на галлиевом или состоящем из сплава галлия с алюминием. Могут применяться при этом и другие легкоплавкие сплавы. Катода. В результате электролиз осуществляется легко и, в первом приближении, просто с гарантированным выделением алюминия в катодный сплав.

В промышленности алюминий получают электролизом Al2O3 в расплаве криолита Na3 при температуре 950

2Al2O3 = 4Al(3+) + 6O(2-) = 2Al + 3O2

Основные реакции процессов:

CaF2 + H2SO4 → 2HF + CaSO4 (15.з)

SiO2 + 6HF →H2SiF6 + 2H2

HF и H2SiF6 - газообразные продукты, улавливаемые водой. Для обескремнивания полученного раствора в него вначале вводят расчетное количество соды:

H2SiF6 + Na2CO3 → Na2SiF6 + CO2 + H2O (15.и)

Трудно растворимый Na2SiF6 отделяют, а оставшийся раствор плавиковой кислоты нейтрализуют избытком соды и гидроксидом алюминия с получением криолита:

12HF + 3Na2CO3 + 2Al(OH)3 → 2(3NaF·AlF3) + 3CO2 + 9H2O (15.к)

Таким же путем могут быть раздельно получены NaF и AlF3, если обескремненный раствор плавиковой кислоты нейтрализовать рассчитанным количеством Na2CO3 или Al(OH)3.

Алюминий - один из интереснейших химических элементов. Интересен он не только тем, что неожиданно быстро и победоносно, в течение нескольких десятков лет, вошел в нашу жизнь, в быт, в технику, в важнейшие отрасли народного хозяйства, не только тем, что это тот легкий металл, который вместе с магнием создал крылатую мощь самолета. Большой интерес представляют его свойства и прежде всего геохимическая роль. Дело в том, что алюминий, с которым культурное человечество познакомилось так недавно, является одним из важнейших, самых распространенных химических элементов .

Мы с вами отлично знаем, что под покровом глин, песков, образовавшихся в разное время в результате выветривания и разрушения массивных горных пород, находится сплошная, облегающая весь земной шар, каменная оболочка Земли, или земная кора.

Мощность этой каменной оболочки, ее толщина не менее сотни километров, а может быть, как сейчас начинают предполагать, и значительно больше. Эта оболочка на глубине постепенно переходит в другую - рудную, содержащую железо и другие металлы, и, наконец, в центре Земли находится, по-видимому, железное ядро.

Каменная оболочка образует на поверхности Земли огромные выступы - материковые массы, или континенты. На них, в свою очередь, образовались складки в виде длинных цепей гор.

Каменная оболочка Земли, составляющая основание континентов и их горных цепей, слагается из алюмосиликатов и силикатов. Алюмосиликаты состоят, как это видно по их названию, из кремния, алюминия и кислорода. Вот почему каменную оболочку часто называют «сиаль» - SiAl,- по сочетанию первых слогов латинских названий кремния - Silicium - и алюминия - Aluminium.

Эта оболочка, в состав которой главным образом входит гранит, по весу состоит примерно!лз 50% кислорода, 25% кремния и 10% алюминия. Таким образом, алюминий но распространению занимает на Земле третье место среди химических элементов и первое место среди металлов. Его на Земле больше, чем железа.

Алюминий, кремний и кислород вместе являются самыми главными элементами, из которых построена земная кора, и в каменной оболочке Земли они образуют разнообразные минералы. Эти минералы являются такого рода соединениями атомов, у которых в центре находится либо атом кремния, либо атом алюминия, а вокруг них правильно в четырех углах, образуя фигуру тетраэдра, располагаются атомы кислорода.

Таким образом, наряду с кремнекислородными возникают алюмокислородные тетраэдры. При этом роль алюминия бывает двоякой: либо он, подобно другим металлам, располагается между кремнекислородными тетраэдрами, связывая их друг с другом, либо он становится в некоторых тетраэдрах на место кремния.

Вот из этих-то тетраэдров кремния и алюминия путем сочетания их между собой я образуется множество важнейших минералов земной коры, объединенных под общим названием алюмосиликатов. С первого взгляда сложный рисунок расположения атомов алюминия, кремния и кислорода напоминает яам тонкие кружева или узоры ковров. Эта картина могла быть установлена лишь при помощи рентгеновских лучей, которые как бы сфотографировали внутреннее строение минералов.

Вспомним, какими серыми и однообразными казались нам камни в далеком детстве и какая сложная и разнообразная картина рисуется нам, когда мы проникаем в глубь их структуры.

Распространенность некоторых алюмосиликатов колоссальна. Достаточно сказать, что более половины земной коры сложено минералами, носящими название нолевых шпатов. Они входят в состав гранитов, гнейсов и других каменных пород, охватывающих землю как бы сплошным каменным панцирем и выступающих в виде могучих горных цепей.

В результате выветривания полевых шпатов на земной поверхности в ходе тысячелетий откладываются, грандиозные скопления глин, состоящих на 15-20% из алюминия. Алюминий, открытый в составе этих повсеместно распространенных пород, даже был назван глинием.

Безводную окись алюминия (АЬОз) мы встречаем в виде минерала корунда, отличающегося замечательной твердостью, а иногда и необычайной красотой. Прозрачные разности глинозема, где к алюминию и кислороду примешиваются лишь крошечные количества элементов - красителей - хрома, железа, титана, принадлежат к числу первоклассных красавцев- самоцветов. Какое разнообразие цветов и богатство красок создает в одном и том же глиноземе ничтожная примесь того или иного вещества! Это сверкающий яркими тонами красный рубин и синий сапфир, пленявшие человека с незапамятных времен. Сколько сказок связано с этими камнями! Издавна служат человеку и менее чистые, непрозрачные, окрашенные в бурые, серые, синеватые, красноватые цвета кристаллы корунда, по своей твердости уступающие лишь алмазу.

С их помощью мы обрабатываем разные твердые материалы, в том числе блестящую сталь инструментов, оружия, станков, машин.

Мелкие кристаллики того же корунда в смеси с магнетитом и другими минералами,- так называемый наждак - хорошо известны каждому; вы, вероятно, не раз чистили наждаком свой перочинный ножик!

Корунд мог бы, конечно, служить легким источником получения металлического алюминия, но он слишком ценен сам по себе, и его мало в природе.

С незапамятных времен, еще на заре человеческой культуры, с каменного века и до наших дней человек широко использовал граниты, базальты, порфиры, глины и другие породы из алюмосиликатов, строя из них целые города, создавая здания, произведения искусства, утварь, получая керамику, фаянс, фарфор.

Но в течение тысячелетий человек и не подозревал благородных и чудесных свойств алюминия - металла, который был скрыт в этих породах.

Алюминий никогда и нигде в природе не встречается в металлическом виде, он всегда находится в различных соединениях, совершенно отличных по свойствам и виду от металла алюминия.

И нужен был гений человека, его упорный труд, чтобы извлечь и вызвать к жизни этот чудесный металл.

Впервые удалось выделить небольшое количество блестящего серебристого металла около 125 лет назад. Й никто тогда не думал, что он вообще будет играть какую-то роль в жизни человека, тем более, что получение его было очень трудным. Но вот в начале прошлого века ряду ученых удалось путем электролиза выделить алюминий на катоде под коркой шлаков из расплавленных при высоких температурах соединений алюминия. Это был чистый серебристый металл - «серебро из глины», как говорили в то время.

Этот метод получения алюминия перешел на заводы, и металл быстро стал завоевывать себе широкое применение. Он имеет цвет, напоминающий серебро. А свойства его действительно оказались удивительными.

Производство металлического алюминия основано на двух самостоятельных процессах. Прежде всего из боксита после довольно сложной обработки извлекается чистая безводная окись алюминия - глинозем. Затем окись алюминия подвергается электролизу в специальных ваннах, выложенных графитовыми плитами.

Порошок глинозема загружается в эти ванны в смеси с порошком криолита. При включении мощного электрического тока развивается высокая температура (около 1000°); криолит плавится и растворяет в себе глинозем, который в дальнейшем разлагается током на алюминий и кислород. Дно ванны служит при этом катодом (отрицательным полюсом), и на нем собирается расплавленный алюминий. Через особый кран его выпускают и разливают по формам, где он и застывает в виде блестящих серебристых брусков.

Кое-какие из свойств алюминия хорошо известны всем. Это очень легкий металл, почти в три раза легче железа. Он очень тягуч и при этом достаточно прочен: его можно вытягивать в проволоку, плющить в тончайшие листы. Не менее замечательны и его химические свойства. С одной стороны, он как будто не боится окисления; это мы знаем по поведению алюминиевой посуды, кастрюлек, сковородок, бидонов. А между тем сродство его с кислородом очень велико. Это кажущееся противоречие отметил еще наш великий химик Д. И. Менделеев. Дело в том, что серебряно-блестящий после выплавки алюминий на воздухе покрывается тусклой пленочкой окиси, которая предохраняет его от дальнейшего окисления. Не всякому металлу дана такая способность самозащиты. Окись железа, например, хорошо всем известная ржавчина, нисколько не мешает дальнейшему разрушению металла: она слишком рыхла и легко проницаема для воздуха и ®оды. Напротив, тоненькая пленочка окиси, одевающей алюминий, очень плотна, эластична и служит ему надежным покровом.

При нагревании алюминий жадно соединяется с кислородом, превращаясь в окись алюминия, и выделяет при этом огромное количество тепла. Это свойство алюминия выделять тепло при сгорании было использовано в технике для выплавки других металлов из их окисей путем смешения с порошком металлического алюминия. В этом процессе алюминотермии

металлический алюминий отбирает кислород от окисей других металлов и восстанавливает их.

Если вы смешаете, например, порошок окиси железа с порошком алюминия и подожжете эту смесь лентой магния, на ваших глазах разовьется бурная реакция с выделением огромного количества тепла, и температура поднимется до 3 000°. Вытесненное алюминием железо при этой температуре плавится, а образовавшаяся окись алюминия всплывает на его поверхность в виде шлака. Человек использовал эту активность алюминия для получения некоторых тугоплавких и технически ценных металлов.

Таким путем выплавляют металлический титан, ванадий, хром, марганец и другие металлы. Так как при алюминотермии развивается высокая температура, то смесь окиси железа с алюминием - так называемый термит - применяют для сварки стали. Каждый из вас видел, вероятно, как это делается, например, при сварке трамвайных рельсов. Расплавляемое при горении термита железо стекает на соединенные концы рельсов и сваривает их.

Вряд ли можно назвать много элементов, которые сделали бы столь быструю и блестящую карьеру, как алюминий!

Алюминий стал стремительно проникать в автомобильную, машиностроительную и другие области промышленности, во многих случаях заменяя сталь и железо. В военном судостроении его использование произвело переворот, позволив создать, например, «карманные линкоры» (суда размером с легкий крейсер и мощностью дредноута).

Человек научился получать это «серебро» из природных минералов в огромных масштабах. И «серебро из глины» позволило человеку окончательно покорить воздушную стихию.

Алюминий или его легкие сплавы как нельзя лучше подходят для постройки жестких аэростатов, фюзеляжей, крыльев или цельнометаллических самолетов.

Эта новая промышленность, которая так широко использовала алюминий, выросла с чудесной быстротой на наших глазах.

Когда мы видим летающий над нами самолет, вспомним, что 69% его веса без мотора приходится на алюминий и его- сплавы, и что даже в авиационном моторе вес алюминия и магния - двух легчайших металлов - достигает 25%.

Одновременно с грандиозным потреблением в тяжелой промышленности, с постройкой цельноалюминиевых поездов, с затратой алюминия на машиностроение и особенно на авиационную промышленность, сотни тысяч тонн алюминия расходуются на алюминиевые провода и детали для электрической промышленности.

Но и этим не исчерпывается применение этого металла.

Добавим еще отражательные зеркала прожекторов, ответственные части спарядов и пулеметных лент, осветительные ракеты, алюминиевый порошок в смеси с окисью железа - в зажигательных бомбах. Вспомним о колоссальном значении искусственного кристаллического глинозема (электрокорунда, алундума), получаемого в настоящее время из тех же бокситов и применяемого в так называемом абразивном деле, главным образом в обработке металлов.

Кристаллизуя чистую окись алюминия с добавкой красителей, мы получаем чудесные рубины и сапфиры, не уступающие природным ни по твердости, ни по красоте. Мы применяем их главным образом как не поддающиеся истиранию опорные камни в ответственных частях точных приборов: часовых механизмов, весов, электросчетчиков, гальванометроз и т. п.

Тонким порошком алюминия мы покрываем железо, получая своего рода алюминиевую жесть, не поддающуюся ржавчине. Этот же порошок служит для приготовления красивой литографской краски. А с недавнего времени его оценили и мастера знаменитого народного искусства - хохломской росписи по дереву. Алюминиевая пудра при помощи мягкой «куколки» наносится на пропитанную маслом поверхность предмета. Таким образом создается прелестный серебряный фон, по которому мастер выводит затем сложный цветистый узор росписи.

Почему мы называем алюминий металлом XX века?

Потому что его применение благодаря его замечательным свойствам растет и растет с каждым годом, а огромные запасы алюминия неисчерпаемы, и есть все основания считать, что алюминий сейчас входит в обиход человечества так же, как вошло в свое время железо.

Пройдут столетия, и наше время, возможно, будут называть алюминиевым веком!

История учит нас, что человечество путем долгих и постепенных усилий достигло настоящей цивилизации. Длинный путь, пройденный до сего времени, с разных точек зрения делится различно. Весьма распространено деление истории человечества на периоды по орудиям и металлам, игравшим главную роль в известную эпоху.

Начальная эпоха - каменный век, когда люди не знали обработки металлом и все свои орудия делали из камня. Затем следовал век бронзы и меди, а ныне мы живем в железном веке. В самом деле, железо имеете в настоящей цивилизации столь важное значение, что без него были бы абсолютно немыслимы все успехи современном промышленности и техники. Без железа мы не можем обойтись, тогда как легко могли бы обойтись без золота, и несомненно, что если в настоящее время железо не благороднейший металл, то уж наверное полезнейший и необходимейший для нас на каждом шагу.

Остановимся ли мы на этом, или же можно думать, что наступит иной век, когда и железо отойдет на второй план? Какой же металл замените железо, какой век наступит?

Современная наука уже может дать ответ на эти вопросы, и в настоящей беседе мы познакомим читателей с свойствами металла, который заменит железо для наших отдаленных потомков, которые будут жить в алюминиевом веке. Будущий век - алюминия. Но почему же алюминия, а не другого металла? Верно ли это?

Для того чтобы какой-либо металл мог заменить железо, необходимы следующие условия. Во-первых, необходимо, чтобы новый металл был лучше железа; во-вторых, необходимо, чтобы он был распространен, в природе никак не в меньшем количестве, чем железо. Именно таким металлом и является алюминий. Ниже мы познакомим читателя со всеми свойствами этого удивительного металла, который по твердости может заменить сталь, превосходя ее в других отношениях, а по красоте, особенно в сплавах, может конкурировать с золотом и серебром. И что всего замечательнее, залежи этого удивительного металла несравненно больше, чем железа. Этот новый металл находится всюду; мы ежедневно и ежечасно топчем его ногами. Алюминий иначе называется глиний, и уже одно название показываете, что он главная составная часть глины, той глины, к которой мы ныне относимся с таким незаслуженным и обидным презрением. Как изменится в будущем значение обычной у нас фразы: «колосс с глиняными ногами »! Помилуйте, скажут наши потомки, - глиниевы ноги, да ведь лучше и прочнее ничего нельзя и сделать! Так-то меняются времена, и мы с ними...

Итак, мы знаем, какой металл должен заменить наше ржавое железо и произвести огромный переворота в цивилизации, знаем свойства этого чудесного металла, - в чем же дело?

В добывании этого металла. Он несравненно лучше и распространеннее железа, но до сих пор мы не знаем дешевого способа его получения, а дешевизна неизбежна для того, чтобы глиниевый век мог заменить железный. Открытие этого способа произведет в истории человечества переворот, в сравнении с которым важнейшие политические события, кровопролитнейшие войны будут сущими пустяками, почти нестоящими внимания. И этот мировой переворота совершится не на поле битвы, а где-нибудь в уединенной лаборатории скромного труженика науки, которому удастся открыть тайну легкого превращения глины в глиний.

Но скажем несколько слов об этом металле, чтобы читатель не счел выше приведенные слова за преувеличение.

Алюминий или глиний - наиболее распространенный на земле металл, но в металлическом виде он никогда не встречается, а лишь в виде глинозема, т. е. соединения его с кислородом (Аl 2 О 3), входящего в состав наиболее распространенных горных пород и главнейшей части глины.

Алюминий серебристого цвета; удельный вес чистого металла 2,56 (т. е. только в 2 1/2, раза тяжелее воды); обработкой удельный вес увеличивается до 2,67; электропроводность его в 3 1/2 раза более, чем для железа, и в 2 раза менее, чем для меди. Алюминий - хороший проводник теплоты; температура плавления его лежит между точками плавления цинка и серебра; она, по различным наблюдениям, 600-850° Ц. Теплоемкость, по разным определениям, 0,202-0,2253, т. е. она для алюминия выше, чем для большинства металлов, что соответствуете низкому атомному весу алюминия.

Алюминий хорошо выполняете литейные формы и дает хорошее литье в чугуне и в земле. Если он поглотит кислород или сплавится со следами кремния, то делается серым и ломким; поэтому литейную поверхность форм покрывают углем или обожженным криолитом. Замечательное свойство металла сопротивляться разъеданию (чем особенно страдает железо) сильно ослабевает, если металл нечист. На алюминий не действуют сернистый водород, сернистый аммоний, азотная кислота, которая проявляет действие только при температуре кипения; он не чувствителен к влиянию растительных кислот и на воздухе очень хорошо сохраняется, даже в тончайших листках. В кипящей воде компактный алюминий не изменяется. Даже при краснокалении водяной пар им не разлагается. В тонко разделенном состоянии и в виде листиков при кипячении металл разлагает воду. Соляная кислота хорошо растворяете алюминий. Главные затруднения, которые мешают применению алюминия, состоят в дорогой его цене и в том, что обращено мало внимания на свойства алюминия с точки зрения их утилизации. Он применяется ныне для большого числа оптических и математических инструментов, в ювелирном деле и различных «articles de fantaisie», требующих прочности и легкости. Легкость металла - очень важное свойство его, которое в соединении с прочностью сделало бы алюминий, при низкой цене на него, незаменимым материалом для разнообразнейших применений.

Очень важною помехой для применения алюминия является трудность соединения двух его кусков. При нагревании металла для спаивания, на поверхности его образуется тонкая пленка глинозема, который не дает соединяться припою с металлом. То же имеет место и для сплавов алюминия. Однако, применяя некоторые методы, можно производить и спаивания алюминия (способы Мурея и Бурбуза).

Сплавы алюминия, и ныне представляющее уже значительный практически интерес, в будущем, с удешевлением алюминия, наверное будут играть очень важную роль в промышленности. Эти сплавы очень многочисленны. Как общее положение, можно указать, что алюминии улучшает качества почти всех металлов, к которым прибавляется в малых количествах. Он увеличивает прочность их, блеск мягких металлов и сообщает им большее сопротивление действие химических агентов. Он сплавляется почти со всеми полезными металлами. Если он сплавлен с железом, то не может быть из него выделен вполне в металлическом виде; железо, содержащее более 7-8% алюминия, делается хрупким и кристаллизуется в длинных иглах.

Алюминий, сплавленный с небольшим количеством серебра, теряет значительно в ковкости; но с примесью 5% этого металла он хорошо обрабатывается и принимает много лучшую полировку, чем чистое серебро. С 3% серебра алюминий очень хорош для физических инструментов, потому что он тверже, белее, чем серебро, и не тускнеет даже от сероводорода. Сплав с малым количеством серебра особенно пригоден для коромысла весов и его примкнете для этой цели довольно распространено. Сплав, содержащий 5% серебра, не раз рекомендовался для разменной монеты, потому что он тверд, блестящ и с течением времени не утрачивает блеска.

Сплавы алюминия с оловом не имели значения, пока Бурбуз не применил для спайки алюминия и не показал других их свойств. Сплав, содержащий 100 ч. алюминия и 20 ч. олова, уже имел успех с промышленной точки зрения; но сплав 100 ч. алюминия и 10 ч. олова еще интереснее: он белее алюминия, уд. веса 2,85, т. е. немного более, что для алюминия; он может быть с одинаковыми удобством, как и алюминий, применен для конструирования всех инструментов, требующих особой легкости. Его сопротивление действию различных химических агентов больше, чем для чистого алюминия, а обработка легче. Что же касается спаивания, то оно столь же легко, как для латуни, и идет безо всякой специальной подготовки. Многие инструменты готовятся из этого сплава, который составляете уже предмета производства, применяемый для конструирования оптических, геодезических и физических приборов. Наиболее интересный сплав цинка с алюминием содержит последнего 3%; он тверже и более блестящ, чем цинк.

Сплав из 97% золота и 3% алюминия красивее цветом, чем чистое золото, которое при этом не теряет других своих качеств.

Таким образом, введете малых количеств других металлов в алюминий увеличивает его блеск и твердость, не меняя значительно его других свойств; введение же малых количеств алюминия в другие металлы почти всегда возвышает их качества.

За последнее время изо всех сплавов особенно большое значение получила алюминиевая бронза, особенно потому, что для фабрикации её применен электрический способ.

До последнего времени наилучшим способом получения алюминиевой бронзы считался способ братьев Каулс (Cowles, в Кливленде, в Огайо, Сев. Америка). Но ныне француз Эру (Heroult) заменил термический способ Каулсов способом термо-электролитическим, который оказывается гораздо более выгодным и удобным. Прежде чем перейти к краткому описанию этих способов, опишем свойства алюминиевой бронзы, которая вскоре, вероятно, уже заменит обыкновенную - оловянную.

Сплав алюминия с 5% меди еще ковок; при 10% меди он более не годен к обработка. Сплавы, содержание более 80% меди, имеют прекрасный желтый цвет; содержание от 5 до 10% меди называются алюминиевой бронзою; она изучена хорошо Перси, Сен-Клер-Девиллем, Дебрай и др. Она очень прочна, ковка и хорошо полируется. Если содержите алюминия возрастает свыше 10%, то твердость сплава увеличивается настолько, что он лишь с трудом поддается обработки. Сплав с 10% алюминия светлый, желто-золотистый, а при 5% алюминия - красноватый, желто-золотистый; при 2% алюминия - почти медно-красный.

Алюминиевая бронза отличается от обыкновенной - оловянной - тем, что при плавке не окисляется и дает необыкновенно чистое литье. Бронза с 10% алюминия вместе с большой твердостью соединяет вязкость; при температурах от наиболее темно-красного каления и почти до температуры плавления она вполне ковка.

Удильный вес алюминиевой бронзы уменьшается с увеличением содержания алюминия. Прочность алюминиевых соединений замечательна, причем относительно количества алюминия замечено, что уменьшение уже на 1% этой полезной составной части влечет за собою заметное понижение прочности, но вместе с тем увеличивает растяжимость сплава. Для характеристики твердости алюминиевой бронзы укажем на применение её для производства почтовых марок в Париже. В этом производстве много труда было подыскать плиты, на которые кладутся листы марок, продырявливаемые особыми пробойниками. При каждом ударе пробойники входят в отверстие плиты и так как в машине имеется 300 пробойников, быстро работающих, то в день пробивается 180.000.000 дыр. При таких условиях бронзовая плита изнашивается в один день, и даже стальные плиты быстро портятся. Когда их заменили плитами из алюминиевой бронзы, они стали держаться по целым месяцам. По опытам Strange, оказывается, что алюминиевая бронза в 8 раз тверже обыкновенной бронзы.

По мнению Е. Self, алюминиевая бронза по сопротивлению на разрыв и растяжимости легко выполняет условия, поставленные для стальных орудий (кованой стали) правительствами Англии и Германии, от которых требуется сопротивление на разрыв около 4916 кило на кв. сайт. при удлинении 15%. Эти пушки можно делать при той же их прочности во много меньшее время и дешевле, применяя бронзу с 10% алюминия.

Алюминиевый сплав Webster Company был испробован для лопастей пароходного винта судна, работающего при разнообразных условиях и в реках, и в тропических морях; он уже работает несколько времени и пока незаметно никакой существенной порчи материала.

Сплавы алюминия, по-видимому очень, пригодны для всех трущихся частей машин. Особый сплав Webster Company был применен для хомутов эксцентриков одного парохода, и практики очень хвалят таковое его применение. Бронза Cowles была применена с успехом для подшипников динамо-машин большой скорости.

Раздел 1. Название и история открытия алюминия.

Раздел 2. Общая характеристика алюминия , физические и химические свойства.

Раздел 3. Получение отливок из алюминиевых сплавов.

Раздел 4. Применение алюминия .

Алюминий — это элемент главной подгруппы третьей группы, третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al. Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Достижения промышленности в любом развитом обществе неизменно связаны с достижениями технологии конструкционных материалов и сплавов. Качество обработки и производительность изготовления предметов торговли являются важнейшими показателями уровня развития государства.

Материалы, применяемые в современных конструкциях, помимо высоких прочностных характеристик должны обладать комплексом таких свойств, как повышенная коррозионная стойкость, жаропрочность, теплопроводность и электропроводимость, тугоплавкость, а так же способность сохранять эти свойства в условиях длительной работы под нагрузками.

Научные разработки и производственные процессы в области литейного производства цветных металлов в нашей стране соответствуют передовым достижениям научно-технического прогресса. Их результатом, в частности, явилось создание современных цехов кокильного литья и литья под давлением на Волжском автомобильном заводе и ряде других предприятий. На Заволжском моторном заводе успешно работают крупные машины литья под давлением и усилием запирания пресс-формы 35 МН, на которых получают блоки цилиндров из алюминиевых сплавов для автомашины «Волга».

На Алтайском моторном заводе освоена автоматизированная линия по получению отливок литьем под давлением. В Союзе Советских Социалистических Республик () впервые в мире разработан и освоен процесс непрерывного литья слитков из алюминиевых сплавов в электромагнитный кристаллизатор. Этот способ существенно повышает качество слитков и позволяет снизить количество отходов в виде стружки при их обточке.

Название и история открытия алюминия

Латинское aluminium происходит от латинского же alumen, означающего квасцы (сульфат алюминия и калия (K) KAl(SO4)2·12H2O), которые издавна использовались при выделке кож и как вяжущее средство. Al, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 13, атомная масса 26, 98154. Из-за высокой химической активности открытие и выделение чистого алюминия растянулось почти на 100 лет. Вывод о том, что из квасцов может быть получена « » (тугоплавкое вещество, по-современному — оксид алюминия) сделал еще в 1754г. немецкий химик А. Маркграф. Позднее оказалось, что такая же «земля» может быть выделена из глины, и ее стали называть глиноземом. Получить металлический алюминий смог только в 1825г. датский физик Х. К. Эрстед. Он обработал амальгамой калия (сплавом калия (K) с ртутью (Hg)) хлорид алюминия AlCl3, который можно было получить из глинозема, и после отгонки ртути (Hg) выделил серый порошок алюминия.

Только через четверть века этот способ удалось немного модернизировать. Французский химик А. Э. Сент-Клэр Девиль в 1854 году предложил использовать для получения алюминия металлический натрий (Na), и получил первые слитки нового металла. Стоимость алюминия была тогда очень высока, и из него изготавливали ювелирные украшения.

Промышленный способ производства алюминия путем электролиза расплава сложных смесей, включающих оксид, фторид алюминия и другие вещества, независимо друг от друга разработали в 1886 году П. Эру () и Ч. Холл (США). Производство алюминия связано с высоким затратой электричества, поэтому в больших масштабах оно было реализовано только в 20-ом веке. В Союзе Советских Социалистических Республик (CCCP) первый промышленный алюминий был получен 14 мая 1932 года на Волховском алюминиевом комбинате, построенном рядом с Волховской гидроэлектростанцией.

Алюминий чистотой свыше 99, 99% впервые был получен электролизом в 1920г. В 1925 г. в работе Эдвардса опубликованы некоторые сведения о физических и механических свойствах такого алюминия. В 1938г. Тейлор, Уиллер, Смит и Эдвардс опубликовали статью, в которой приведены некоторые свойства алюминия чистотой 99, 996%, полученного во Франции также электролизом. Первое издание монографии о свойствах алюминия вышло в свет в 1967г.

В последующие годы благодаря сравнительной простоте получения и привлекательным свойствам опубликовано много работ о свойствах алюминия. Чистый алюминий нашёл широкое применение в основном в электронике - от электролитических конденсаторов до вершины электронной инженерии - микропроцессоров; в криоэлектронике, криомагнетике.

Более новыми способами получения чистого алюминия являются метод зонной очистки, кристаллизация из амальгам (сплавов алюминия с ртутью) и выделение из щёлочных растворов. Степень чистоты алюминия контролируется величиной электросопротивления при низких температурах.

Общая характеристика алюминия

Природный алюминий состоит из одного нуклида 27Al. Конфигурация внешнего электронного слоя 3s2p1. Практически во всех соединениях степень окисления алюминия +3 (валентность III). Радиус нейтрального атома алюминия 0, 143 нм, радиус иона Al3+ 0, 057 нм. Энергии последовательной ионизации нейтрального атома алюминия равны, соответственно, 5, 984, 18, 828, 28, 44 и 120 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность алюминия 1, 5.

Алюминий — мягкий, легкий, серебристо-белый , кристаллическая решетка которого кубическая гранецентрированная, параметр а = 0, 40403 нм. Температура плавления чистого металла 660°C, температура кипения около 2450°C, плотность 2, 6989 г/см3. Температурный коэффициент линейного расширения алюминия около 2, 5·10-5 К-1.

Химический алюминий — довольно активный металл. На воздухе его поверхность мгновенно покрывается плотной пленкой оксида Al2О3, которая препятствует дальнейшему доступу кислорода (O) к металлу и приводит к прекращению реакции, что обусловливает высокие антикоррозионные свойства алюминия. Защитная поверхностная пленка на алюминии образуется также, если его поместить в концентрированную азотную кислоту.

С остальными кислотами алюминий активно реагирует:

6НСl + 2Al = 2AlCl3 + 3H2,

3Н2SO4 + 2Al = Al2(SO4)3 + 3H2.

Интересно, что реакция между порошками алюминия и йода (I) начинается при комнатной температуре, если в исходную смесь добавить несколько капель воды, которая в данном случае играет роль катализатора:

2Al + 3I2 = 2AlI3.

Взаимодействие алюминия с серой (S) при нагревании приводит к образованию сульфида алюминия:

2Al + 3S = Al2S3,

который легко разлагается водой:

Al2S3 + 6Н2О = 2Al(ОН)3 + 3Н2S.

С водородом (H) алюминий непосредственно не взаимодействует, однако косвенными путями, например, с использованием алюминийорганических соединений, можно синтезировать твердый полимерный гидрид алюминия (AlН3)х — сильнейший восстановитель.

В виде порошка алюминий можно сжечь на воздухе, причем образуется белый тугоплавкий порошок оксида алюминия Al2О3.

Высокая прочность связи в Al2О3 обусловливает большую теплоту его образования из простых веществ и способность алюминия восстанавливать многие металлы из их оксидов, например:

3Fe3O4 + 8Al = 4Al2O3 + 9Fe и даже

3СаО + 2Al = Al2О3 + 3Са.

Такой способ получения металлов называют алюминотермией.

Нахождение в природе

По распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье место среди всех элементов (после кислорода (O) и кремния (Si)), на его долю приходится около 8, 8% массы земной коры. Алюминий входит в огромное число минералов, главным образом, алюмосиликатов, и горных пород. Соединения алюминия содержат граниты, базальты, глины, полевые шпаты и др. Но вот парадокс: при огромном числе минералов и пород, содержащих алюминий, месторождения бокситов — главного сырья при промышленном получении алюминия, довольно редки. В Российской Федерации месторождения бокситов имеются в Сибири и на Урале. Промышленное значение имеют также алуниты и нефелины. В качестве микроэлемента алюминий присутствует в тканях растений и животных. Существуют организмы - концентраторы, накапливающие алюминий в своих органах, — некоторые плауны, моллюски.

Промышленное получение: при индексе пром производства бокситы сначала подвергают химической переработке, удаляя из них примеси оксидов кремния (Si), железа (Fe) и других элементов. В результате такой переработки получают чистый оксид алюминия Al2O3 — основное при производстве металла электролизом. Однако из-за того, что температура плавления Al2O3 очень высока (более 2000°C), использовать его расплав для электролиза не удается.

Выход ученые и инженеры нашли в следующем. В электролизной ванне сначала расплавляют криолит Na3AlF6 (температура расплава немного ниже 1000°C). Криолит можно получить, например, при переработке нефелинов Кольского полуострова. Далее в этот расплав добавляют немного Al2О3 (до 10% по массе) и некоторые другие вещества, улучающие условия проведения последующего процесса . При электролизе этого расплава происходит разложение оксида алюминия, криолит остается в расплаве, а на катоде образуется расплавленный алюминий:

2Al2О3 = 4Al + 3О2.

Алюминиевые сплавы

Большинство металлических элементов сплавляются с алюминием, но только некоторые из них играют роль основных легирующих компонентов в промышленных алюминиевых сплавах. Тем не менее, значительное число элементов используют в качестве добавок для улучшения свойств сплавов. Наиболее широко применяются:

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, 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 купрума. 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 купрума 4 - 6%. Сплавы с купрумом 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.

Хотя алюминий считается одним из наименее благородных промышленных металлов, он достаточно устойчив во многих окислительных средах. Причиной такого поведения является наличие непрерывной окисной плёнки на поверхности алюминия, которая немедленно образуется вновь на зачищенных участках при воздействии кислорода, воды и других окислителей.

В большинстве случаев плавку ведут на воздухе. Если взаимодействие с воздухом ограничивается образованием на поверхности нерастворимых в расплаве соединений и возникающая пленка этих соединений существенно замедляет дальнейшее взаимодействие, то обычно не принимают каких-либо мер для подавления такого взаимодействия. Плавку в этом случае ведут при прямом контакте расплава с атмосферой. Так поступают при приготовлении большинства алюминиевых, цинковых, оловянно - свинцовых сплавов.

Пространство, в котором протекает плавки сплавов, ограничивается огнеупорной футеровкой, способной выдерживать температуры 1500 - 1800 ˚С. Во всех процессах плавки участвует газовая фаза, которая формируется в процессе сгорания топлива, взаимодействуя с окружающей средой и футеровкой плавильного агрегата и т.п.

Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей и химикатов и в большинстве пищевых продуктов. Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют в морской воде. Морские бакены, спасательные шлюпки, суда, баржи строятся из сплавов алюминия с 1930 г. В настоящее время длина корпусов кораблей из сплавов алюминия достигает 61 м. Существует опыт алюминиевых подземных трубопроводов, сплавы алюминия обладают высокой стойкостью к почвенной коррозии. В 1951 году на Аляске был построен трубопровод длиной 2, 9 км. После 30 лет работы не было обнаружено ни одной течи или серьёзного повреждения из-за коррозии.

Алюминий в большом объёме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию. При частом намокании, если поверхность алюминиевых предметов торговли не была дополнительно обработана, он может темнеть, вплоть до почернения в промышленных городах с большим содержанием окислителей в воздухе. Для избежания этого выпускаются специальные сплавы для получения блестящих поверхностей путём блестящего анодирования - нанесения на поверхность металла оксидной плёнки. При этом поверхности можно придавать множество цветов и оттенков. Например, сплавы алюминия с кремнием позволяют получить гамму оттенков, от серого до чёрного. Золотой цвет имеют сплавы алюминия с хромом.

Промышленный алюминий выпускается в виде двух видов сплавов - литейных, детали из которых изготавливаются литьём, и деформационные - сплавы, выпускаемые в виде деформируемых полуфабрикатов - листов, фольги, плит, профилей, проволоки. Отливки из алюминиевых сплавов получают всеми возможными способами литья. Наиболее распространено под давлением, в кокиль и в песчано-глинистые формы. При изготовлении небольших политических партий применяется литьё в гипсовые комбинированные формы и литьё по выплавляемым моделям. Из литейных сплавов изготавливают литые роторы электромоторов, литые детали летательных аппаратов и др. Деформируемые сплавы используются в автомобильном производстве для внутренней отделки, бамперов, панелей кузовов и деталей интерьера; в строительстве как отделочный материал; в летательных аппаратах и др.

В промышленности используются также и алюминиевые порошки. Применяются в металлургической промышленности : в алюминотермии, в качестве легирующих добавок, для изготовления полуфабрикатов путём прессования и спекания. Этим методом получают очень прочные детали (шестерни, втулки и др.). Также порошки используются в химии для получения соединений алюминия и в качестве катализатора (например, при производстве этилена и ацетона). Учитывая высокую реакционную способность алюминия, особенно в виде порошка, его используют во взрывчатых веществах и твёрдом топливе для ракет, используя его свойство быстро воспламеняться.

Учитывая высокую стойкость алюминия к окислению, порошок используются в качестве пигмента в покрытиях для окраски оборудования, крыш, бумаги в полиграфии, блестящих поверхностей панелей автомобилей. Также слоем алюминия покрывают стальные и чугунные предмета торговли во избежание их коррозии.

По масштабам применения алюминий и его сплавы занимают второе место после железа (Fe) и его сплавов. Широкое применение алюминия в различных областях техники и быта связано с совокупностью его физических, механических и химических свойств: малой плотностью, коррозионной стойкостью в атмосферном воздухе, высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью и сравнительно высокой прочностью. Алюминий легко обрабатывается различными способами — ковкой, штамповкой, прокаткой и др. Чистый алюминий применяют для изготовления проволоки (электропроводность алюминия составляет 65, 5% от электропроводности купрума, но алюминий более чем в три раза легче купрума, поэтому алюминий часто заменяет в электротехнике) и фольги, используемой как упаковочный материал. Основная же часть выплавляемого алюминия расходуется на получение различных сплавов. На поверхности сплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия.

Разнообразие свойств алюминиевых сплавов обусловлено введением в алюминий различных добавок, образующих с ним твердые растворы или интерметаллические соединения. Основную массу алюминия используют для получения легких сплавов — дуралюмина (94% — алюминий, 4% медь (Cu), по 0, 5% магний (Mg), марганец (Mn), (Fe) и кремний (Si)), силумина (85-90% — алюминий, 10-14% кремний (Si), 0, 1% натрий (Na)) и др. В металлургии алюминий используется не только как основа для сплавов, но и как одна из широко применяемых легирующих добавок в сплавах на основе купрума (Cu), магния (Mg), железа (Fe), >никеля (Ni) и др.

Сплавы алюминия находят широкое применение в быту, в строительстве и архитектуре, в автомобилестроении, в судостроении, авиационной и космической технике. В частности, из алюминиевого сплава был изготовлен первый искусственный спутник Земли. Сплав алюминия и циркония (Zr) - широко применяют в ядерном реакторостроении. Алюминий применяют в производстве взрывчатых веществ.

При обращении с алюминием в быту нужно иметь в виду, что нагревать и хранить в алюминиевой посуде можно только нейтральные (по кислотности) жидкости (например, кипятить воду). Если, например, в алюминиевой посуде варить кислые щи, то алюминий переходит в пищу, и она приобретает неприятный «металлический» привкус. Поскольку в быту оксидную пленку очень легко повредить, то использование алюминиевой посуды все-таки нежелательно.

Металл серебристо-белого цвета, лёгкий

плотность — 2,7 г/смі

температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C

удельная теплота плавления — 390 кДж/кг

температура кипения — 2500 °C

удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг

временное сопротивление литого алюминия — 10-12 кг/ммІ, деформируемого — 18-25 кг/ммІ, сплавов — 38-42 кг/ммІ

Твёрдость по Бринеллю — 24…32 кгс/ммІ

высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу

Модуль Юнга — 70 ГПа

Алюминий обладает высокой электропроводностью (0,0265 мкОм·м) и теплопроводностью (203,5 Вт/(м·К)), 65 % от электропроводности купрума, обладает высокой светоотражательной способностью.

Слабый парамагнетик.

Температурный коэффициент линейного расширения 24,58·10−6 К−1 (20…200 °C).

Температурный коэффициент электрического сопротивления 2,7·10−8K−1.

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с купрумом и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа 27Al со следами 26Al, радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося в атмосфере при бомбардировке ядер аргона протонами космических лучей.

По распространённости в земной коре Земли занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры.

В природе алюминий в связи с высокой химической активностью встречается почти исключительно в виде соединений. Некоторые из них:

Бокситы — Al2O3 · H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3)

Алуниты — (Na,K)2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3

Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO2, известняком CaCO3, магнезитом MgCO3)

Корунд (сапфир, рубин, наждак) — Al2O3

Каолинит — Al2O3·2SiO2 · 2H2O

Берилл (изумруд, аквамарин) — 3ВеО · Al2О3 · 6SiO2

Хризоберилл (александрит) — BeAl2O4.

Тем не менее, в некоторых специфических восстановительных условиях возможно образование самородного алюминия.

В природных водах алюминий содержится в виде малотоксичных химических соединений, например, фторида алюминия. Вид катиона или аниона зависит, в первую очередь, от кислотности водной среды. Концентрации алюминия в поверхностных водных объектах Российской Федерации колеблются от 0,001 до 10 мг/л, в морской воде 0,01 мг/л.

Алюминий (Aluminum) - это

Получение отливок из алюминиевых сплавов

Основная задача, стоящая перед литейным производством в нашей стране , заключается в существенном общем повышении качества отливок, которое должно найти выражение в уменьшении толщины стенок, снижении припусков на механическую обработку и на литниково - питающие системы при сохранении должных эксплуатационных свойств предметов торговли. Конечным итогом этой работ должно быть обеспечение возросших потребностей машиностроения необходимым количеством литых заготовок без существенного роста общего денежной эмиссии отливок по массе.

Литье в песчаные формы

Из перечисленных выше способов литья в разовые формы наиболее широкое применение при изготовлении отливок из алюминиевых сплавов получило литье в сырые песчаные формы. Это обусловлено невысокой плотностью сплавов, небольшим силовым воздействием металла на форму и низкими температурами литья (680—800С).

Для изготовления песчаных форм используют формовочные и стержневые смеси, приготовленные из кварцевых и глинистых песков (ГОСТ 2138—74), формовочных глин (ГОСТ 3226—76), связующих и вспомогательных материалов.

Тип литниковой системы выбирают с учетом габаритов отливки, сложности ее конфигурации и расположения в форме. Заливку форм для отливок сложной конфигурации небольшой высоты осуществляют, как правило, с помощью нижних литниковых систем. При большой высоте отливок и тонких стенках предпочтительно применение вертикально-щелевых или комбинированных литниковых систем. Формы для отливок малых размеров допустимо заливать через верхние литниковые системы. При этом высота падения струп металла в полость формы не должна превышать 80 мм.

Для уменьшения скорости движения расплава при входе в полость литейной формы и лучшего отделения взвешенных в нем оксидных плен и шлаковых включений в литниковые системы вводят дополнительные гидравлические сопротивления — устанавливают сетки (металлические или из стеклоткани) или ведут заливку через зернистые фильтры.

Литники (питатели), как правило, подводят к тонким сечениям (стенкам) отливок рассредоточено по периметру с учетом удобств, их последующего отделения при обработке. Подвод металла в массивные узлы недопустим, так как вызывает образование в них усадочных раковин, повышенной шероховатости и усадочных «провалов» на поверхности отливок. В сечении литниковые каналы чаще всего имеют прямоугольную форму с размером широкой стороны 15—20 мм, а узкой 5—7 мм.

Сплавы с узким интервалом кристаллизации (АЛ2, АЛ4, АЛ), АЛ34, АК9, АЛ25, АЛЗО) предрасположены к образованию концентрированных усадочных раковин в тепловых узлах отливок. Для выведения этих раковин за пределы отливок широко используют установку массивных прибылей. Для тонкостенных (4—5 мм) и мелких отливок масса прибыли в 2—3 раза превышает массу отливок, для толстостенных—до 1, 5 раз. Высоту прибыли выбирают в зависимости от высоты отливки. При высоте менее 150 мм высоту прибыли H-приб. принимают равной высоте отливки Нотл. Для более высоких отливок отношение Нприб/Нотл принимают равным 0, 3 0, 5.

Наибольшее применение при литье алюминиевых сплавов находят верхние открытые прибыли круглого или овального сечения; боковые прибыли в большинстве случаев делают закрытыми. Для повышения эффективности работы прибылей их утепляют, заполняют горячим металлом, доливают. Утепление обычно осуществляют наклейкой на поверхность формы листового асбеста с последующей подсушкой газовым пламенем. Сплавы с широким интервалом кристаллизации (АЛ1, АЛ7, АЛ8, АЛ19, АЛЗЗ) склонны к образованию рассеянной усадочной пористости. Пропитка усадочных пор при помощи прибылей малоэффективна. Поэтому при изготовлении отливок из перечисленных сплавов не рекомендуется применять установку массивных прибылей. Для получения высококачественных отливок осуществляют направленную кристаллизацию, широко используя для этой цели установку холодильников из чугуна и алюминиевых сплавов. Оптимальные условия для направленной кристаллизации создает вертикально-щелевая литниковая система. Для предотвращения газовыделения при кристаллизации и предупреждения образования газо-усадочной пористости в толстостенных отливках широко используют кристаллизацию под давлением 0, 4—0, 5 МПа. Для этого литейные формы перед заливкой помещают в автоклавы, заливают их металлом и кристаллизуют отливки под давлением воздуха. Для изготовления крупногабаритных (высотой до 2—3 м) тонкостенных отливок используют метод литья с последовательно направленным затвердеванием. Сущность метода состоит в последовательной кристаллизации отливки снизу вверх. Для этого литейную форму устанавливают на стол гидравлического подъемника и внутрь ее опускают нагретые до 500—700°С металлические трубки диаметром 12—20 мм, выполняющие функцию стояков. Трубки неподвижно закрепляют в литниковой чаше и закрывают отверстия в них стопорами. После заполнения литниковой чаши расплавом стопоры поднимают, и сплав по трубкам поступает в литниковые колодцы, соединенные с полостью литейной формы щелевыми литниками (питателями). После того как уровень расплава в колодцах поднимается на 20—30 мм выше нижнего конца трубок, включают механизм опускания гидравлического стола. Скорость опускания принимают такой, чтобы заполнение формы осуществлялось под затопленный уровень и горячий металл непрерывно поступал в верхние части формы. Это обеспечивает направленное затвердевание и позволяет получать сложные отливки без усадочных дефектов.

Заливку песчаных форм металлом ведут из ковшей, футерованных огнеупорным материалом. Перед заполнением металлом ковши со свежей футеровкой сушат и прокаливают при 780—800°С для удаления влаги. Температуру расплава перед заливкой поддерживаю на уровне 720—780 °С. Формы для тонкостенных отливок заполняют расплавами, нагретыми до 730—750 °С, а для толстостенных до 700—720 °С.

Литье в гипсовые формы

Литье в гипсовые формы применяют в тех случаях, когда к отливкам предъявляются повышенные требования по точности, чистоте поверхности и воспроизведению мельчайших деталей рельефа. По сравнению с песчаными, гипсовые формы обладают более высокой прочностью, точностью размеров, лучше противостоят воздействию высоких температур, позволяют получать отливки сложной конфигурации с толщиной стенок 1, 5 мм по 5—6-му классу точности. Формы изготавливают по восковым или металлическим (латунь, ) хромированным моделям. Модельные плиты выполняют из алюминиевых сплавов. Для облегчения удаления моделей из форм поверхность их покрывают тонким слоем керосиново-стеариновой смазки.

Мелкие и средние формы для сложных тонкостенных отливок изготавливают из смеси, состоящей из 80% гипса, 20% кварцевого песка или асбеста и 60—70% воды (от массы сухой смеси). Состав смеси для средних и крупных форм: 30 % гипса, 60 % песка , 10% асбеста, 40—50 % воды. Для замедления схватывания в смесь вводят 1—2 % гашеной извести. Необходимая прочность форм достигается за счет гидратации безводного или полуводного гипса. Для снижения прочности и увеличения газопроницаемости сырые гипсовые формы подвергают гидротермической обработке — выдерживают в автоклаве в течение 6—10 ч под давлением водяного пара 0, 13—0, 14 МПа, а затем в течение суток на воздухе. После этого формы подвергают ступенчатой сушке при 350-500 °С.

Особенностью гипсовых форм является их низкая теплопроводность. Это обстоятельство затрудняет получение плотных отливок из алюминиевых сплавов с широким интервалом кристаллизации. Поэтому основной задачей при разработке литниково-прибыльной системы для гипсовых форм является предотвращение образования усадочных раковин, рыхлот, оксидных плен, горячих трещин и недоливов тонких стенок. Это достигается применением расширяющихся литниковых систем, обеспечивающих низкую скорость движения расплавов в полости формы, направленным затвердеванием тепловых узлов в сторону прибылей с помощью холодильников, увеличением податливости форм за счет повышения содержания кварцевого песка в смеси. Заливку тонкостенных отливок ведут в нагретые до 100—200°С формы методом вакуумного всасывания, что позволяет заполнять полости толщиной до 0, 2 мм. Толстостенные (более 10 мм) отливки получают заливкой форм в автоклавах. Кристаллизация металла в этом случае ведется под давлением 0, 4—0, 5 МПа.

Литье в оболочковые формы

Литье в оболочковые формы целесообразно применять при серийном и крупносерийном производстве отливок ограниченных размеров с повышенной чистотой поверхности, большей размерной точностью и меньшим объемом механической обработки, чем при литье в песчаные формы.

Оболочковые формы изготавливают по горячей (250—300 °С) металлической (сталь, ) оснастке бункерным способом. Модельную оснастку выполняют по 4—5-му классам точности с формовочными уклонами от 0, 5 до 1, 5 %. Оболочки делают двухслойными: первый слой из смеси с 6—10 % термореактивной смолы, второй из смеси с 2 % смолы. Для лучшего съема оболочки модельную плиту перед засыпкой формовочной смеси покрывают тонким слоем разделительной эмульсии (5 % силиконовой жидкости № 5; 3 % хозяйственного мыла; 92 % воды).

Для изготовления оболочковых форм применяют мелкозернистые кварцевые пески, содержащие не менее 96 % кремнезема. Соединение полуформ осуществляют склеиванием на специальных штыревых прессах. Состав клея: 40 % смолы МФ17; 60 % маршалита и 1, 5 % хлористого алюминия ( твердения). Заливку собранных форм производят в контейнерах. При литье в оболочковые формы применяют такие же литниковые системы и температурные режимы, как и при литье в песчаные формы.

Малая скорость кристаллизации металла в оболочковых формах и меньшие возможности для создания направленной кристаллизации обусловливают получение отливок с более низкими свойствами, чем при литье в сырые песчаные формы.

Литье по выплавляемым моделям

Литье по выплавляемым моделям применяют для изготовления отливок повышенной точности (3—5-ый класс) и чистоты поверхности (4—6-й класс шероховатости), для которых этот способ является единственно возможным или оптимальным.

Модели в большинстве случаев изготавливают из пастообразных парафиностеариновых (1: 1) составов запрессовкой в металлические пресс-формы (литые и сборные) на стационарных или карусельных установках. При изготовлении сложных отливок размерами более 200 мм во избежание деформации моделей в состав модельной массы вводят вещества, повышающие температуру их размягчения (оплавления).

В качестве огнеупорного покрытия при изготовлении керамических форм используют суспензию из гидролизованного этилсиликата (30—-40 %) и пылевидного кварца (70—60 %). Обсыпку модельных блоков ведут прокаленным песком 1КО16А или 1К025А. Каждый слой покрытия сушат на воздухе в течение 10—12 ч или в атмосфере, содержащей пары аммиака. Необходимая прочность керамической формы достигается при толщине оболочки 4—6 мм (4—6 слоев огнеупорного покрытия). Для обеспечения спокойного заполнения формы применяют расширяющиеся литниковые системы с подводом металла к толстым сечениям и массивным узлам. Питание отливок осуществляют обычно от массивного стояка через утолщенные литники (питатели). Для сложных отливок допускается применение массивных прибылей для питания верхних массивных узлов с обязательным заполнением их из стояка.

Алюминий (Aluminum) - это

Выплавление моделей из форм осуществляют в горячей (85-90°С) воде, подкисленной соляной кислотой (0, 5—1 см3 на литр воды) для предотвращения омыления стеарина. После выплавления моделей керамические формы просушивают при 150—170 °С в течение 1—2 ч, устанавливают в контейнеры, засыпают сухим наполнителем и прокаливают при 600—700 °С в течение 5—8ч. Заливку ведут в холодные и нагретые формы. Температура нагрева (50-300 °С) форм определяется толщиной стенок отливки. Заполнение форм металлом осуществляют обычным способом, а также с использованием вакуума или центробежной силы. Большинство алюминиевых сплавов перед заливкой нагревают до 720—750 °С.

Литье в кокиль

Литье в кокиль — основной способ серийного и массового производства отливок из алюминиевых сплавов, позволяющий получать отливки 4—6-го классов точности с шероховатостью поверхности Rz = 50-20 и минимальной толщиной стенок 3—4 мм. При литье в кокиль наряду с дефектами, обусловленными высокими скоростями движения расплава в полости литейной формы и несоблюдением требований направленного затвердевания (газовая пористость, оксидные плены, усадочная рыхлота), основными видами брака, отливок являются недоливы и трещины. Появление трещин вызывается затрудненной усадкой. Особенно часто трещины возникают в отливках из сплавов с широким интервалом кристаллизации, имеющих большую линейную усадку (1, 25—1, 35 %). Предотвращение образования указанных дефектов достигается различными технологическими приемами.

В случае подвода металла к толстым сечениям должна быть предусмотрена подпитка места подвода установкой питающей бобышки (прибыли). Все элементы литниковых систем располагают по разъему кокиля. Рекомендуются следующие соотношения площадей сечения литниковых каналов: для мелких отливок EFст: EFшл: EFпит = 1: 2: 3; для крупных отливок EFст: EFшл: EFпит = 1: 3: 6.

Для снижения скорости поступления расплава в полость формы применяют изогнутые стояки, сетки из стеклоткани или металла, зернистые фильтры. Качество отливок из алюминиевых сплавов зависит от скорости подъема расплава в полости литейной формы. Эта скорость должна быть, достаточной для гарантированного заполнения тонких сечений отливок в условиях повышенного теплоотвода и в то же время не вызвать недоливов, обусловленных неполным выходом воздуха и газов через вентиляционные каналы и прибыли, завихрений и фонтанирования расплава при переходе из узких сечений в широкие. Скорость подъема металла в полости формы при литье в кокиль принимают несколько большей, чем при литье в песчаные формы. Минимально допустимую скорость подъема рассчитывают по формулам А. А. Лебедева и Н. М. Галдина (см. раздел 5.1, «Литье в песчаные формы»).

Для получения плотных отливок создают, так же как и при литье в песчаные формы, направленное затвердевание путем надлежащего расположения отливки в форме и регулирования теплоотвода. Как правило, массивные (толстые) узлы отливок располагают в верхней части кокиля. Это дает возможность компенсировать сокращение их объема при затвердевании непосредственно из прибылей, установленных над ними. Регулирование интенсивности теплоотвода с целью создания направленного затвердевания осуществляют охлаждением или утеплением различных участков литейной формы. Для местного увеличения теплоотвода широко используют вставки из теплопроводной купрума, предусматривают увеличение поверхности охлаждения кокиля за, счет оребрения, осуществляют локальное охлаждение кокилей сжатым воздухом или водой. Для снижения интенсивности теплоотвода на рабочую поверхность кокиля наносят слой краски толщиной 0, 1—0, 5 мм. На поверхность литниковых каналов и прибылей для этой цели наносят слой краски толщиной 1-1, 5 мм. Замедление охлаждения металла в прибылях может быть достигнуто также за счет местного утолщения стенок кокиля, применения различных малотеплопроводных обмазок и утепления прибылей наклейкой асбеста. Окраска рабочей поверхности кокиля улучшает внешний вид отливок, способствует устранению газовых раковин на их поверхности и повышает стойкость кокилей. Перед окраской кокили подогревают до 100—120 °С. Излишне высокая температура нагрева нежелательна, так как при этом снижаются скорость затвердевания отливок и длительность срока службы кокиля. Нагрев уменьшает перепад температур между отливкой и формой и расширение формы за счет прогрева ее металлом отливки. В результате этого в отливке уменьшаются растягивающие напряжения, вызывающие появление трещин. Однако одного только подогрева формы недостаточно, чтобы устранить возможность возникновения трещин. Необходимо своевременное извлечение отливки из формы. Удалять отливку из кокиля следует раньше того момента, когда температура ее сравняется с температурой кокиля, а усадочные напряжения достигнут наибольшей величины. Обычно отливку извлекают в тот момент, когда она окрепнет настолько, что ее можно перемещать без разрушения (450—500 °С). К этому моменту литниковая система еще не приобретает достаточной прочности и разрушается при легких ударах. Длительность выдержки отливки в форме определяется скоростью затвердевания и зависит от температуры металла, температуры формы и скорости заливки.

Для устранения прилипания металла, повышения срока службы и облегчения извлечения металлические стержни в процессе работы смазывают. Наиболее распространенной смазкой является водно-графитовая суспензия (3—5 % графита).

Части кокилей, выполняющих наружные очертания отливок, изготавливают из серого чугуна . Толщину стенок кокилей назначают в зависимости от толщины стенок отливок в соответствии с рекомендациями ГОСТ 16237—70. Внутренние полости в отливках выполняют с помощью металлических (стальных) и песчаных стержней. Песчаные стержни используют для оформления сложных полостей, которые невозможно выполнить металлическими стержнями. Для облегчения извлечения отливок из кокилей наружные поверхности отливок должны иметь литейный уклон от 30" до 3° в сторону разъема. Внутренние поверхности отливок, выполняемых металлическими стержнями, должны иметь уклон не менее 6°. В отливках не допускаются резкие переходы от толстых сечений к тонким. Радиусы закруглений должны быть не менее 3 мм. Отверстия диаметром более 8 мм для мелких отливок, 10 мм для средних и 12 мм для крупных выполняют стержнями. Оптимальное отношение глубины отверстия к его диаметру равно 0, 7—1.

Воздух и газы выводятся из полости кокиля с помощью вентиляционных каналов, размещаемых в плоскости разъема, и пробок, размещаемых в стенках вблизи глубоких полостей.

В современных литейных цехах кокили устанавливают на однопозиционные или многопозиционные полуавтоматические литейные машины, в которых автоматизированы закрытие и раскрытие кокиля, установка и извлечение стержней, выталкивание и удаление отливки из формы. Предусмотрено также автоматическое регулирование температуры нагрева кокиля. Заливку кокилей на машинах осуществляют с помощью дозаторов.

Для улучшения заполнения тонких полостей кокилей и удаления воздуха и газов, выделяющихся при деструкции связующих, осуществляют вакуумирование форм, заливку их под низким давлением или с использованием центробежной силы.

Литье выжиманием

Литье выжиманием является разновидностью литья в кокиль, Оно предназначено для изготовления крупногабаритных отливок (2500х1400 мм) панельного типа с толщиной стенок 2—3 мм. Для этой цели используют металлические полуформы, которые крепят на специализированных литейно-выжимных машинах с односторонним или двухсторонним сближением полуформ. Отличительной особенностью этого способа литья является принудительное заполнение полости формы широким потоком расплава при сближении полуформ. В литейной форме отсутствуют элементы обычной литниковой системы. Данным способом изготавливают отливки из сплавов АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ34, имеющих узкий интервал кристаллизации.

Регулирование скорости охлаждения расплава осуществляют нанесением на рабочую поверхность полости форм теплоизоляционного покрытия различной толщины (0, 05—1 мм). Перегрев сплавов перед заливкой не должен превышать 15—20°С над температурой ликвидуса. Длительность сближения полуформ 5-3 с.

Литье под низким давлением

Литье под низким давлением является другой разновидностью литья в кокиль. Оно получило применение при изготовлении крупногабаритных тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов с узким интервалом кристаллизации (АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ34). Так же как и при литье в кокиль, наружные поверхности отливок выполняются металлической формой, а внутренние полости — металлическими или песчаными стержнями.

Для изготовления стержней используют смесь, состоящую из 55% кварцевого песка 1К016А; 13, 5 % полужирного песка П01; 27% пылевидного кварца; 0, 8 % пектинового клея; 3, 2 % смолы М и 0, 5 % керосина. Такая смесь не образует механического пригара. Заполнение форм металлом осуществляют давлением сжатого осушенного воздуха (18—80 кПа), подаваемого на поверхность расплава в тигле, нагретого до 720—750 °С. Под действием этого давления расплав вытесняется из тигля в металл провод, а из него в литниковой системы и далее — в полость литейной формы. Преимуществом литья под низким давлением является возможность автоматического регулирования скорости подъема металла в полости формы, что позволяет получать тонкостенные отливки более качественными, чем при литье под действием силы тяжести.

Кристаллизацию сплавов в форме проводят под давлением 10— 30 кПа до образования твердой корки металла и 50—80 кПа после образования корки.

Более плотные отливки из алюминиевых сплавов получают литьем под низким давлением с противодавлением. Заполнение полости формы при литье с противодавлением осуществляют за счет разницы давлений в тигле и в форме (10—60 кПа). Кристаллизация металла в форме ведется под давлением 0, 4—0, 5 МПа. При этом предотвращается выделение растворенного в металле водорода и образование газовых пор. Повышенное давление способствует лучшему питанию массивных узлов отливок. В остальном технология литья с противодавлением не отличается от технологии литья под низким давлением.

При литье с противодавлением успешно совмещены достоинства литья под низким давлением и кристаллизации под давлением.

Литье под давлением

Литьем под давлением из алюминиевых сплавов АЛ2, АЛЗ, АЛ1, АЛО, АЛ11, АЛ13, АЛ22, АЛ28, АЛ32, АЛ34 изготавливают сложные по конфигурации отливки 1—3-го классов точности с толщиной стенок от 1 мм и выше, литыми отверстиями диаметром до 1, 2 мм, литой наружной и внутренней резьбой с минимальным шагом 1 мм и диаметром 6 мм. Чистота поверхности таких отливок соответствует 5 — 8-му классам шероховатости. Изготовление таких отливок осуществляют на машинах с холодной горизонтальной или вертикальной камерами прессования, с удельным давлением прессования 30— 70 МПа. Предпочтение отдается машинам с горизонтальной камерой прессования.

Размеры и масса отливок ограничиваются возможностями Машин литья под давлением: объемом камеры прессования, удельным давлением прессования (р) и усилием запирания (0). Площадь проекции (F) отливки, литниковых каналов и камеры прессования на подвижную плиту пресс-форма не должна превышать значений, определяемых по формуле F = 0, 85 0/р.

Оптимальные значения уклонов для наружных поверхностей составляют 45°; для внутренних 1°. Минимальный радиус закруглений 0, 5—1мм. Отверстия более 2, 5мм в диаметре выполняются литьем. Отливки из алюминиевых сплавов, как правило, подвергают механической обработке только по посадочным поверхностям. Припуск на обработку назначается с учетом габаритов отливки и составляет от 0, 3 до 1 мм.

Для изготовления пресс-форм применяют различные материалы. Части пресс-форм, соприкасающиеся с жидким металлом, изготавливают из сталей ЗХ2В8, 4Х8В2, 4ХВ2С, плиты крепления и обоймы матриц — из сталей 35, 45, 50, штыри, втулки и направляющие колонки — из стали У8А.

Подвод металла к полости пресс-форм осуществляют с помощью внешних и внутренних литниковых систем. Питатели подводят к участкам отливки, подвергающимся механической обработке. Толщину их назначают в зависимости от толщины стенки отливки в месте подвода и заданного характера заполнения пресс-формы. Эта зависимость определяется отношением толщины Питателя к толщине стенки отливки. Плавное, без завихрений и захвата воздуха, заполнение пресс-форм имеет место, если отношение близко к единице. Для отливок с толщиной стенок до 2 мм. питатели имеют толщину 0, 8 мм; при толщине стенок 3мм. толщина питателей равна 1, 2мм; при толщине стенок 4—6 мм—2 мм.

Для приема первой порции расплава, обогащенного воздушными включениями, вблизи полости пресс-формы располагают специальные резервуары-промывники, объем которых может достигать 20 - 40 % от объема отливки. Промывники соединяют с полостью литейной формы каналами, толщина которых равна толщине питателей. Удаление воздуха и газа из полости пресс-форм осуществляют через специальные вентиляционные каналы и зазоры между стержнями (выталкивателями) и матрицей пресс-формы. Вентиляционные каналы выполняют в плоскости разъема на неподвижной части пресс-формы, а также вдоль подвижных стержней и выталкивателей. Глубина вентиляционных каналов при литье "алюминиевых сплавов принимается равной 0, 05—0, 15 мм, а ширина 10—З0 мм в целях улучшения вентиляции, пресс-форм полости промывщиков тонкими каналами (0, 2—0, 5 мм) соединяют с атмосферой.

Основными дефектами отливок, полученных литьем под давлением, являются воздушная (газовая) подкорковая пористость, обусловленная захватом воздуха при больших скоростях впуска металла в полость формы, и усадочная пористость (или раковины) в тепловых узлах. На образование этих дефектов большое влияние оказывают параметры технологии литья, скорость прессования, давление прессования, тепловой режим пресс-формы.

Скорость прессования определяет режим заполнения пресс-формы. Чем выше скорость прессования, тем с большей скоростью перемещается расплав по литниковым каналам, тем больше скорость впуска расплава в полость пресс-формы. Высокие скорости прессования способствуют лучшему заполнению тонких и удлиненных полостей. Вместе с тем они являются причиной захвата металлом воздуха и образования подкорковой пористости. При литье алюминиевых сплавов высокие скорости прессования применяют лишь при изготовлении сложных тонкостенных отливок. Большое влияние на качество отливок оказывает давление прессования. По мере повышения его увеличивается плотность отливок.

Величина давления прессования ограничивается обычно величиной усилия запирания машины, которое должно превышать давление, оказываемое металлом на подвижную матрицу (рF). Поэтому большой интерес приобретает локальная подпрессовка толстостенных отливок, известная под названием «Асигай-процесс». Малая скорость впуска металла в полость пресс-форм через питатели большого сечения и эффективная подпрессовка кристаллизующегося расплава с помощью двойного плунжера позволяют получать плотные отливки.

На качество отливок существенное влияние оказывают также температуры сплава и формы. При изготовлении толстостенных отливок несложной конфигурации заливку расплава ведут при температуре на 20—30 °С ниже температуры ликвидуса. Тонкостенные отливки требуют применения расплава, перегретого выше температуры ликвидуса на 10—15°С. Для снижения величины усадочных напряжений и предотвращения образования трещин в отливках пресс-формы перед заливкой нагревают. Рекомендуются следующие температуры нагрева:

Толщина стенки отливки, мм 1—2 2—3 3—5 5—8

Температура нагрева

пресс-форм, °С 250—280 200—250 160—200 120—160

Стабильность теплового режима обеспечивают подогревом (электрическим) или охлаждением (водяным) пресс-форм.

Для предохранения рабочей поверхности пресс-форм от налипания и эрозионного воздействия расплава, уменьшения трения при извлечении стержней и облегчения извлечения отливок пресс-формы подвергают смазке. Для этой цели используют жирные (масло с графитом или алюминиевой пудрой) или водные (растворы солей, водные препараты на основе коллоидального графита) смазки.

Существенно повышается плотность отливок из алюминиевых сплавов при литье с вакуумированием пресс-форм. Для этого пресс формы помещают в герметичный кожух, в котором создают необходимое разрежение. Хорошие результаты могут быть получены при использовании «кислородного процесса». Для этого воздух в полости пресс-формы заменяют кислородом. При больших скоростях впуска металла в полость формы, вызывающих захват расплавом кислорода, подкорковая пористость в отливках не образуется, так как весь захваченный кислород расходуется на образование мелкодисперсных оксидов алюминия, не влияющих заметно на механические свойства отливок. Такие отливки можно подвергать термической обработке.

В зависимости от требований технических условий отливки из алюминиевых сплавов могут подвергаться различным видам контроля: рентгеновскому, гаммадефектоскопии или ультразвуковому для обнаружения внутренних дефектов; разметке для определения размерных отклонений; люминесцентному для обнаружения поверхностных трещин; гидро- или пневмоконтролю для оценки герметичности. Периодичность перечисленных видов контроля оговаривается техническими условиями или определяется отделом главного металлурга завода. Выявленные дефекты, если это допускается техническими условиями, устраняют заваркой или пропиткой. Аргонно-дуговую сварку используют для заварки недоливов, раковин, рыхлости трещин. Перед заваркой дефектное место разделывают таким образом, чтобы стенки углублений имели наклон 30 — 42°. Отливки подвергают местному или общему нагреву до 300— 350С. Местный нагрев ведут ацетиленокислородным пламенем, общий нагрев — в камерных печах. Заварку ведут теми же сплавами, из которых изготовлены отливки, с помощью неплавящегося вольфрамового электрода диаметром 2—6 мм при расходе аргона 5— 12 л/мин. Сила сварочного тока составляет обычно 25—40 А на 1 мм диаметра электрода.

Пористость в отливках устраняют пропиткой бакелитовым лаком, асфальтовым лаком, олифой или жидким стеклом. Пропитку ведут в специальных котлах под давлением 490—590 кПа с предварительной выдержкой отливок в разреженной атмосфере (1, 3— 6, 5 кПа). Температуру пропитывающей жидкости поддерживают на уровне 100°С. После пропитки отливки подвергают сушке при 65-200°С, в процессе которой происходит твердение пропитывающей жидкости, и повторному контролю.

Алюминий (Aluminum) - это

Применение алюминия

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой 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 для упрочнения его обычно сплавляют с небольшим количеством купрума и магния (сплав называется дюралюминий).

Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у купрума, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Меньшую электропроводность алюминия (37 1/ом) по сравнению с купрумом (63 1/ом) компенсируют увеличением сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является наличие прочной оксидной плёнки, затрудняющей пайку.

Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.

Алюминий и его сплавы сохраняют прочность при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике.

Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью напыления делает алюминий идеальным материалом для изготовления зеркал.

В производстве строительных материалов как газообразующий агент.

Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин, вышкам нефтедобычи, теплообменной аппаратуре, а также заменяют цинкование.

Сульфид алюминия используется для производства сероводорода.

Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.

Как компонент термита, смесей для алюмотермии

Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов.

Алюминий является важным компонентом многих сплавов. Например, в алюминиевых бронзах основные компоненты — медь и алюминий. В магниевых сплавах в качестве добавки чаще всего используется алюминий. Для изготовления спиралей в электронагревательных приборах используют (наряду с другими сплавами) фехраль (Fe, Cr, Al).

кофе из алюминия" height="449" src="/pictures/investments/img920791_21_Klassicheskiy_italyanskiy_proizvoditel_kofe_iz_alyuminiya.jpg" title="21. Классический итальянский производитель кофе из алюминия" width="376" />

Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные предмета торговли. Так, Наполеон III заказал алюминиевые пуговицы, а Дмитрию Ивановичу Менделееву в 1889 г. были подарены весы с чашами из золота и алюминия. Мода на них сразу прошла, когда появились новые технологии (разработки) его получения, во много раз снизившие себестоимость . Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

В Японии алюминий используется в производстве традиционных украшений, заменяя .

Алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твёрдых ракетных топливах. Следующие соединения алюминия представляют наибольший практический интерес как ракетное горючее:

Порошковый алюминий как горючее в твердых ракетных топливах. Применяется также в виде порошка и суспензий в углеводородах.

Гидрид алюминия.

Боранат алюминия.

Триметилалюминий.

Триэтилалюминий.

Трипропилалюминий.

Триэтилалюминий (обычно, совместно с триэтилбором) используется также для химического зажигания (то есть, как пусковое горючее) в ракетных двигателях, так как самовоспламеняется в газообразном кислороде.

Отличается незначительным токсическим действием, но многие растворимые в воде неорганические соединения алюминия сохраняются в растворённом состоянии длительное время и могут оказывать вредное воздействие на человека и теплокровных животных через питьевую воду. Наиболее ядовиты хлориды, нитраты, ацетаты, сульфаты и др. Для человека токсическое действие при попадании внутрь оказывают следующие дозы соединений алюминия (мг/кг массы тела):

ацетат алюминия — 0,2-0,4;

гидроксид алюминия — 3,7-7,3;

алюминиевые квасцы — 2,9.

В первую очередь действует на нервную систему (накапливается в нервной ткани, приводя к тяжёлым расстройствам функции ЦНС). Однако свойство нейротоксичности алюминия стали изучать с середины 1960-х годов, так как накоплению металла в организме человека препятствует механизм его выведения. В обычных условиях с мочой может выделяться до 15 мг элемента в сутки. Соответственно, наибольший негативный эффект наблюдается у людей с нарушенной выделительной функцией почек.

По некоторым биологическим исследованиям поступление алюминия в организм человека было сочтено фактором в развитии болезни Альцгеймера, но эти исследования были позже раскритикованы и вывод о связи одного с другим опровергался.

еохимические черты алюминия определяются его большим сродством к кислороду (в минералах алюминий входит в кислородные октаэдры и тетраэдры), постоянной валентностью (3), слабой растворимостью большинства природных соединений. В эндогенных процессах при застывании магмы и формировании изверженных пород алюминий входит в кристаллическую решетку полевых шпатов, слюд и других минералов - алюмосиликатов. В биосфере Алюминий- слабый мигрант, его мало в организмах и гидросфере. Во влажном климате, где разлагающиеся остатки обильной растительности образуют много органических кислот, алюминий мигрирует в почвах и водах в виде органоминеральных коллоидных соединений; алюминий адсорбируется коллоидами и осаждается в нижней части почв. Связь алюминия с кремнием частично нарушается и местами в тропиках образуются минералы - гидрооксиды Алюминия- бемит, диаспор, гидраргиллит. Большая же часть алюминия входит в состав алюмосиликатов - каолинита, бейделлита и других глинистых минералов. Слабая подвижность определяет остаточное накопление алюминия в коре выветривания влажных тропиков. В результате образуются элювиальные бокситы. В прошлые геологические эпохи бокситы накапливались также в озерах и прибрежной зоне морей тропических областей (например, осадочные бокситы Казахстана). В степях и пустынях, где живого вещества мало, а воды нейтральные и щелочные, алюминий почти не мигрирует. Наиболее энергична миграция алюминия в вулканических областях, где наблюдаются сильнокислые речные и подземные воды, богатые алюминием. В местах смещения кислых вод с щелочными - морскими (в устьях рек и других), алюминий осаждается с образованием бокситовых месторождений.

Алюминий входит в состав тканей животных и растений; в органах млекопитающих животных обнаружено от 10-3 до 10-5% алюминия (на сырое вещество). Алюминий накапливается в печени, поджелудочной и щитовидной железах. В растительных продуктах содержание алюминия колеблется от 4 мг на 1 кг сухого вещества (картофель) до 46 мг (желтая репа), в продуктах животного происхождения - от 4 мг (мед) до 72 мг на 1 кг сухого вещества (). В суточном рационе человека содержание алюминия достигает 35-40 мг. Известны организмы - концентраторы алюминия, например, плауны (Lycopodiaceae), содержащие в золе до 5,3% алюминия, моллюски (Helix и Lithorina), в золе которых 0,2-0,8% алюминия. Образуя нерастворимые соединения с фосфатами, алюминий нарушает питание растений (поглощение фосфатов корнями) и животных (всасывание фосфатов в кишечнике).

Главный приобретатель — авиация. Самые высоконагруженные элементы самолета (обшивка, силовой подкрепляющий набор)— из дюралюминия. И в космос этот сплав взяли. И даже на Луну он попал и вернулся на Землю. И станции «Луна», «Венера», «Марс», созданные конструкторами бюро, которое долгие годы возглавлял Георгий Николаевич Бабакин (1914—1971), не могли обойтись без сплавов алюминия.

Сплавы системы алюминий — марганец и алюминий — магний (АМц и АМг) — основной материал корпусов быстроходных «ракет» и «метеоров» — судов на подводных крыльях.

Но не только в космосе, авиации, на морском и речном транспорте используются алюминиевые сплавы. Алюминий занимает прочные позиции и в наземном транспорте. О широком применении алюминия в автомобилестроении говорят такие данные. В 1948 г. на один использовали 3,2 кг алюминия, в 1958 г.— 23,6, в 1968 г.— 71,4, а сегодня эта цифра превышает 100 кг. Появился алюминий и на железнодорожном транспорте. А суперэкспресс «Русская тройка» более чем на 50 % изготовлен из алюминиевых сплавов.

Все шире применяется алюминий в строительстве. В новых зданиях часто используются прочные и легкие балки, перекрытия, колонны, перила, ограждения, элементы вентиляционных систем, выполненные из сплавов на основе алюминия. В последние годы алюминиевые сплавы вошли в строительство многих общественных зданий, спортивных комплексов. Есть попытки использования алюминия в качестве кровельного материала. Такой кровле не страшны примеси углекислоты соединений серы, соединений азота и других вредных примесей, чрезвычайно усиливающих атмосферную коррозию кровельного железа.

В качестве литейных сплавов применяют силумины — сплавы системы алюминий — кремний. Такие сплавы обладают хорошей жидко-текучестью, дают малые усадку и ликвацию (неоднородность) в отливках, что позволяет получить методом литья сложнейшие по конфигураци детали, например корпуса двигателей, крыльчатки насосов, корпуса приборов, блоки двигателей внутреннего сгорания, поршни, головки и рубашки цилиндров поршневых двигателей.

Борьба за снижение стоимости алюминиевых сплавов также увенчалась успехом. Например, силумин в 2 раза дешевле алюминия. Обычно наоборот — сплавы дороже (чтобы получить сплав, необходимо получить чистую основу, а затем легированием — сплав). Советские металлурги на Днепропетровском алюминиевом заводе в 1976 г. освоили выплавку силуминов непосредственно из алюмосиликатов.

Давно известен алюминий в электротехнике. Однако до недавнего времени область применения алюминия была ограничена линиями электропередачи и в редких случаях силовыми кабелями. В кабельной промышленности господствовали медь и свинец . Токопроводящие элементы конструкции кабелей были выполнены из купрума, а металлическая оболочка — из свинца или сплавов на основе свинца. Многие десятки лет (впервые свинцовые оболочки для защиты кабельных жил были предложены в 1851 г.) был единственным металлическим материалом для кабельных оболочек. Он прекрасен в этой роли, но не без недостатков — высокая плотность, невысокая прочность и дефицитность; это только основные из них, которые заставили человека искать другие металлы, способные достойно заменить свинец.

Им оказался алюминий. Началом его службы в этой роли можно считать 1939 г., а работы были начаты в 1928 г. Однако серьезный сдвиг в использовании алюминия в кабельной технике произошел в 1948 г., когда была разработана и освоена технология изготовления алюминиевых оболочек.

Медь тоже долгие десятилетия была единственным металлом для изготовления токоведущих жил. Исследования материалов, которые могли бы заменить медь, показали, что таким металлом должен и может быть алюминий. Итак, взамен двух металлов, по существу различных назначений, в кабельную технику вошел алюминий.

Такая замена имеет ряд преимуществ. Во-первых, возможность использования алюминиевой оболочки в качестве нулевого проводника— это значительная экономия металла и снижение массы. Во-вторых,— более высокая прочность. В-третьих,— облегчение монтажа, уменьшение транспортных расходов, уменьшение стоимости кабеля и т. п.

Алюминиевые провода применяются и для воздушных линий электропередачи. Но потребовалось много усилий, времени, чтобы выполнить равноценную замену. Вариантов разработано много, и используются они исходя из конкретной обстановки. [Изготовляются алюминиевые провода повышенной прочности и повышенного сопротивления ползучести, что достигается легированием магнием до 0,5 %, кремнием до 0,5%, железом до 0,45%, закалкой и старением. Находят применение сталеалюминиевые провода, особенно для Выполнения больших пролетов, необходимых в местах пересечения линиями электропередачи различных препятствий. Имеются пролеты более 1500 м, например, при пересечении рек.

Алюминий в технике передачи электричества на большие расстояния используют не только как проводниковый материал. Полтора десятка лет назад сплавы на основе алюминия начали применяться для изготовления опор линий электропередачи. Впервые они были сооружены в нашей стране на Кавказе. Они легче стальных примерно в 2,5 раза и не требуют защиты от коррозии. Таким образом, один и тот же металл вытеснил железо, медь и свинец в электротехнике и технике передачи электричества.

И так или почти так было в других областях техники. В нефтяной, газовой и химической промышленности хорошо зарекомендовали себя емкости, трубопроводы и другие сборочные единицы, выполняемые из сплавов алюминия. Они вытеснили многие коррозионностойкие металлы и материалы, например емкости из железоуглеродистых сплавов, эмалированные внутри для хранения агрессивных жидкостей (трещина в слое эмали этой дорогостоящей конструкции могла привести к потерям или даже к аварии).

Свыше 1 млн. т алюминия расходуется в мире ежегодно на производство фольги. Толщина фольги в зависимости от ее назначения бывает в пределах 0,004—0,15 мм. Применение ее исключительно разнообразное. Она используется для упаковки различных пищевых и промышленных товаров — шоколад, конфеты, лекарства, косметика, фототовары и т.д.

Применяется фольга и как конструкционный материал. Есть группа газонаполненных пластмасс — сотопластмассы — ячеистые материалы с системой регулярно повторяющихся ячеек правильной геометрической формы, стенки которых изготовляются из алюминиевой фольги.

Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

АЛЮМИНИЙ - (глиний) хим. зн. AL; ат. в. = 27,12; уд. в. = 2,6; т. пл. около 700°. Серебристо белый, мягкий, звонкий металл; является в соединении с кремневой кислотой главной составной частью глин, полевого шпата, слюд; встречается во всех почвах. Идет на… … Словарь иностранных слов русского языка

АЛЮМИНИЙ - (символ Аl), металл серебристо белого цвета, элемент третьей группы периодической таблицы. Впервые в чистом виде был получен в 1827 г. Наиболее распространенный металл в коре земного шара; главным источником его является руда боксит. Процесс… … Научно-технический энциклопедический словарь

АЛЮМИНИЙ - АЛЮМИНИЙ, Aluminium (хим. знак А1, ат. вес 27,1), самый распространенный на поверхности земли металл и, после О и кремния, важнейшая составная часть земной коры. А. встречается в природе, по преимуществу, в виде солей кремнекислоты (силикатов);… … Большая медицинская энциклопедия

Алюминий - представляет собой голубовато белый металл, отличающийся особой легкостью. Он очень пластичен, легко поддается прокатке, волочению, ковке, штамповке, а также литью и т.д. Как и другие мягкие металлы, алюминий также очень хорошо поддается… … Официальная терминология

Алюминий - (Aluminium), Al, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 13, атомная масса 26,98154; легкий металл, tпл660 °С. Содержание в земной коре 8,8% по массе. Алюминий и его сплавы используют как конструкционные материалы в… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

АЛЮМИНИЙ - АЛЮМИНИЙ, алюмний муж., хим. щелочной металл глиний, основа глинозема, глины; также, как основа ржавчины, железо; а яри медь. Алюминит муж. ископаемое, похожее на квасцы, водный сернокислый глинозем. Алюнит муж. ископаемое, весьма близкое к… … Толковый словарь Даля

алюминий - (серебристый, легкий, крылатый) металл Словарь русских синонимов. алюминий сущ., кол во синонимов: 8 глиний (2) … Словарь синонимов

АЛЮМИНИЙ - (лат. Aluminium от alumen квасцы), Al, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 13, атомная масса 26,98154. Серебристо белый металл, легкий (2,7 г/см³), пластичный, с высокой электропроводностью, tпл 660 .С.… … Большой Энциклопедический словарь

Алюминий - Al (от лат. alumen название квасцов, применявшихся в древности как протрава при крашении и дублении * a. aluminium; н. Aluminium; ф. aluminium; и. aluminio), хим. элемент III группы периодич. системы Mенделеева, ат. н. 13, ат. м. 26,9815 … Геологическая энциклопедия

АЛЮМИНИЙ - АЛЮМИНИЙ, алюминия, мн. нет, муж. (от лат. alumen квасцы). Серебристо белый ковкий легкий металл. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

Введение.

Около 100 лет назад Николай Гаврилович Чернышевский, сказал об алюминии, что этому металлу суждено великое будущее, что алюминий – металл социализма. Он оказался провидцем: в XX в. элемент №13 алюминий стал основой многих конструкционных материалов. Элемент 3-го периода и IIIА-группы Периодической системы. Элект­ронная формула атома 3S23p1 степени окисления +III и 0.

По электроотрицательности (1,47) одинаков с берил­лием, проявляет амфотерные (кислотные и основ­ные) свойства. В соединениях может находиться в составе катионов и анионов. В природе - четвертый по химической распрост­раненности элемент (первый среди металлов), нахо­дится в химически связанном состоянии. Входит в состав многих алюмосиликатных минералов, гор­ных пород (граниты, порфиры, базальты, гнейсы, сланцы), различных глин (белая глина называется каолин), бокситов и глинозёма Аl2О3.

Любопытно проследить динамику производства алюминия за полтора столетия, прошедших с тех пор, как человек впервые взял в руки кусочек легкого серебристого металла.

За первые 30 лет, с 1825 по 1855 г., точных цифр нет. Промышленных способов получения алюминия не существовало, в лабораториях же его получали в лучшем случае килограммами, а скорее – граммами. Когда в 1855 г. на Всемирной парижской выставке впервые был выставлен алюминиевый слиток, на него смотрели как на редчайшую драгоценность. А появился он на выставке потому, что как раз в 1855 г. французский химик Анри Этьенн Сент-Клер Девиль разработал первый промышленный способ получения алюминия, основанный на вытеснении элемента №13 металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия NaCl · AlCl3.

За 36 лет, с 1855 по 1890 г., способом Сент-Клер Девиля было получено 200 т металлического алюминия.

В последнее десятилетие XIX в (уже по новому способу) в мире получили 28 тыс. т алюминия.

В 1930 г. мировая выплавка этого металла составила 300 тыс. т.

В 1975 г. только в капиталистических странах получено около 10 млн. т алюминия, причем эти цифры – не наивысшие. По сведениям американского «Инжениринг энд майнинг джорнэл», производство алюминия в капиталистических странах в 1975 г. снизилось по сравнению с 1974 г. на 11%, или на 1,4 млн. т.

Столь же поразительны перемены и в стоимости алюминия. В 1825 г. он стоил в 1500 раз дороже железа, в наши дни – лишь втрое. Сегодня алюминий дороже простой углеродистой стали, но дешевле нержавеющей. Если рассчитывать стоимость алюминиевых и стальных изделий с учетом их массы и относительной устойчивости к коррозии, то оказывается, что в наши дни во многих случаях значительно выгоднее применять алюминий, чем сталь.

Физические свойства Аl

Серебристо-белый, блестящий, пластичный металл. На воздухе покрывается матовой защитной пленкой Аl2О3, весьма устойчивой и защищающей металл от коррозии; пассивируется в концентрированной HNO3.

Физические константы:

М, = 26,982 »27, р = 2,70 г/см3

tпл 660,37 °С, tкип=2500°С

Химические свойства A l

Химически активен, проявляет амфотерные свой­ства - реагирует с кислотами и щелочами:

2Аl + 6НСl = 2АlСl3 + ЗН2­

2Аl + 2NaOH + 6Н2О = 2Na] + ЗН2­

2Al + 6NaOH(т) = 2NaAlO2+ + ЗН2 + 2Na2O

Амальгамированный алюминий энергично реаги­рует с водой:

2Al + 6Н2О = 2Аl(ОН)3 ¯ + 3H2­ + 836 кДж

Сильный восстановитель, при нагревании взаимодей­ствует с кислородом, серой, азотом и углеродом:

4Аl+3O2=2Аl2O3, 2Al+3S=Al2S3

2Al+N2=2AlN, 4Аl+ЗС=Аl4Сз

С хлором, бромом и йодом реакция протекает при комнатной температуре (для иода требуется ката­лизатор - капля Н2О), образуются галогениды AlCl3, АlВг3 и АlI3.

Промышленно важен метод алюминотермии:

2Al + Сг2О3 = Аl2O3 + 2Сг

10Аl + ЗV2О5 = 5Аl2O3 + 6V

Алюминий восстанавливает Nv до N-III:

8Аl + З0НNО3(оч. разб.) = 8Аl(NО3)3 + 3NH4NO3 + 9H2O

8Al + 18Н2O + 5КОН + 3KNO3 =8K+3NH3­

(движущей силой этих реакций служит промежу­точное выделение атомарного водорода Н°, а во вто­рой реакции - также и образование устойчивого гидроксокомплекса [Аl(ОН)4]3-).

Получение и применение Al

Получение Al в промышленности - электролиз Аl2О3 в расплаве криолита Na3[АlF6] при 950 °С:

Применяется как реагент в алюминотермии для полу­чения редких металлов и сварке стальных конструкций

Алюминий - важнейший конструкционный материал, основа легких коррозионно-стойких спла­вов (с магнием - дюралюмин, или дюраль, с медью --алюминиевая бронза, из которой чеканят мелкую разменную монету). Чистый алюминий в больших количествах идет на изготовление посуды и электри­ческих проводов.

Оксид алюминия Al 2 O 3

Белый аморфный порошок или очень твердые белые кристаллы. Физические константы:

Мr = 101,96»102, р = 3,97 г/см3 tпл=2053°С, tкип=3000°С

Кристаллический Аl2О3 химически пассивен, аморфный - более активен. Медленно реагирует с кислотами и щелочами в растворе, проявляя амфотерные свойства:

Al2O3 + 6НСl(конц.) = 2АlСl3 + ЗН2О

Al2O3 + 2NаОН(конц.) + ЗН2О = 2Na

(в расплаве щелочи образуется NaAlO2). Вторая реак­ция используется для «вскрытия» бокситов.

Помимо сырья для производства алюминия, Аl2О3 в виде порошка служит компонентом огнеупорных, химически стойких и абразивных материалов. В виде кристаллов применяется для изготовления лазеров и синтетических драгоценных камней (рубины, сапфиры и др.), окрашенных примесями оксидов других металлов - Сr2О3 (красный цвет), Тi2О3 и Fe2О3 (голубой цвет).

Гидроксид алюминия Аl(ОН)з

Белый аморфный (гелеобразный) или кристалли­ческий. Практически не растворим в воде. Физи­ческие константы:

Мr=78,00, р= 3,97 г/см3,

t разл > 170 °С

При нагревании ступенчато разлагается, образуя промежуточный продукт - метагидроксид AlO(OH):

Проявляет амфотерные, равно выраженные кислот­ные и основные свойства:

При сплавлении с NaOH образуется NaAlO;.

Для получения осадка Аl(ОН)3 щелочь обычно не используют (из-за легкости перехода осадка в раствор), а действуют на соли алюминия гидратом аммиака;

при комнатной температуре образуется Аl(ОН)3, а при кипячении - менее активный АlO(ОН):

Удобный способ получения Аl(ОН)3 - пропуска­ние СО2 через раствор гидроксокомплекса:

[Аl(ОН)4]- + СО2 = Аl(ОН)3¯+ НСО3-

Применяется для синтеза солей алюминия, органи­ческих красителей; как лекарственный препарат при повышенной кислотности желудочного сока.

Соли алюминия

Соли алюминия и сильных кислот хорошо раство­римы в воде и подвергаются в значительной степени гидролизу по катиону, создавая сильнокислотную среду, в которой растворяются такие металлы, как магний и цинк:

а)AlCl3=Alз++ЗCl-

Al3++H2OÛAlOH2++H+

б)Zn+2H+=Zn2++H2­

Нерастворимы в воде фторид AlF3 и ортофосфат АlРO4, а соли очень слабых кислот, например Н2СОз, вообще не образуются осаждением из вод­ного раствора.

Известны двойные соли алюминия - квасцы состава MIAl(SO4)2 12H2O (MI=Na+, K+, Rb+, Cs+, ТI+ ,NH4+), самые распространенные из них алюмокалиевые квасцы KAl(SO4)2 12Н2O.

Бинарные соединения алюминия

Соединения с преимущественно ковалентными связями, например сульфид АlS3 и карбид АlС3.

Полностью разлагаются водой:

Al2S3 + 6Н2О = 2Аl(ОН)3 ¯ + ЗН2S­

Аl4С3 + 12H2O = 4Аl(ОН)3 ¯+ ЗСН4­

Применяются эти соединения как источники чис­тых газов - Н2S и СН4.

Проценты, проценты...

8,80% массы земной коры составлены алюминием – третьим по распространенности на нашей планете элементом. Мировое производство алюминия постоянно растет. Сейчас оно составляет около 2% от производства стали, если считать по массе. А если по объему, то 5...6%, поскольку алюминий почти втрое легче стали. Алюминий уверенно оттеснил на третье и последующие места медь и все другие цветные металлы, стал вторым по важности металлом продолжающегося железного века. По прогнозам, к концу нынешнего столетия доля алюминия в общем выпуске металлов должна достигнуть 4...5% по массе.

Причин тому множество, главные из них – распространенность алюминия, с одной стороны, и великолепный комплекс свойств – легкость, пластичность, коррозионная стойкость, электропроводность, универсальность в полном смысле этого слова – с другой.

Алюминий поздно пришел в технику потому, что в природных соединениях он прочно связан с другими элементами, прежде всего с кислородом и через кислород с кремнием, и для разрушения этих соединений, высвобождения из них легкого серебристого металла нужно затратить много сил и энергии.

Первый металлический алюминий в 1825 г. получил известный датский физик Ганс Христиан Эрстед, известный в первую очередь своими работами по электромагнетизму. Эрстед пропускал хлор через раскаленную смесь глинозема (окись алюминия Аl2О3) с углем и полученный безводный хлористый алюминий нагревал с амальгамой калия. Затем, как это делал еще Дэви, которому, кстати, попытка получить алюминий электролизом глинозема не удалась, амальгаму разлагались нагреванием, ртуть испарялась, и – алюминий явился на свет.

В 1827 г. Фридрих Вёлер получил алюминий иначе, вытеснив его из того же хлорида металлическим калием. Первый промышленный способ получения алюминия, как уже упоминалось, был разработан лишь в 1855 г., а технически важным металлом алюминий стал лишь на рубеже XIX...XX вв. Почему?

Самоочевидно, что далеко не всякое природное соединение алюминия можно рассматривать как алюминиевую руду. В середине и даже в конце XIX в. в русской химической литературе алюминий часто называли глинием, его окись до сих пор называют глиноземом. В этих терминах – прямое указание на присутствие элемента №13 в повсеместно распространенной глине. Но глина – достаточно сложный конгломерат трех окислен – глинозема, кремнезема и воды (плюс разные добавки); выделить из нее глинозем можно, но сделать это намного труднее, чем получить ту же окись алюминия из достаточно распространенной, обычно красно-бурого цвета горной породы, получившей свое название в честь местности Ле-Бо на юге Франции.

Эта порода – боксит содержит от 28 до 60% Al2О3. Главное ее достоинство в том, что глинозема в ней по меньшей мере вдвое больше, чем кремнезема. А кремнезем – самая вредная в этом случае примесь, от нее избавиться труднее всего. Кроме этих окислов, боксит всегда содержит окись железа Fe2О3, бывают в нем также окислы титана, фосфора, марганца, кальция и магния.

В годы второй мировой войны, когда многим воюющим странам не хватало алюминия, полученного из боксита, использовали по необходимости и другие виды сырья: Италия получала алюминий из лавы Везувия, США и Германия – из каолиновых глин, Япония – из глинистых сланцев и алунита. Но обходился этот алюминий в среднем впятеро дороже алюминия из боксита, и после войны, когда были обнаружены колоссальные запасы этой породы в Африке, Южной Америке, а позже и в Австралии, алюминиевая промышленность всего мира вернулась к традиционному бокситовому сырью.

В Советском Союзе существуют опробованные в заводских масштабах способы производства алюминия на основе нефелиносиенитовых и нефелиноапатитовых пород. В Азербайджанской ССР давно начато промышленное освоение алунита как комплексного, в том числе и алюминиевого, сырья. Но и лучшим алюминиевым сырьем – бокситом природа нас не обделила. У нас есть Северо-Уральский и Тургайский (расположенный в Казахстане) бокситоносные районы: есть бокситы в Западной и Восточной Сибири, на северо-западе европейской части страны. На базе Тихвинского бокситового месторождения и энергии Волховской ГЭС начинал в 1932 г. свою работу первенец отечественной алюминиевой промышленности Волховский алюминиевый завод. Дешевая электроэнергия огромных сибирских ГЭС и ГРЭС стала важным «компонентом» развивающейся высокими темпами алюминиевой промышленности Сибири.

Разговор об энергии мы повели не случайно. Алюминиевое производство энергоемко. Чистая окись алюминия плавится при температуре 2050°C и не растворяется в воде, а чтобы получить алюминий, ее надо подвергнуть электролизу. Необходимо было найти способ как-то снизить температуру плавления глинозема хотя бы до 1000°C; только при этом условии алюминий мог стать технически важным металлом. Эту задачу блестяще разрешил молодой американский ученый Чарльз Мартин Холл и почти одновременно с ним француз Поль Эру. Они выяснили, что глинозем хорошо растворяется в криолите 3NaF · AlF3. Этот раствор и подвергают электролизу на нынешних алюминиевых заводах при температуре 950°C.

Аппарат для электролиза представляет собой железную ванну, футерованную огнеупорным кирпичом с угольными блоками, которые выполняют роль катодов. На них выделяется расплавленный алюминий, а на анодах – кислород, реагирующий с материалом анодов (обычно – углем). Ванны работают под невысоким напряжением – 4,0...4,5 В, но при большой силе тока – до 150 тыс. А.

По американским данным, за последние три десятилетия потребление энергии при выплавке алюминия сократилось на одну треть, но все равно это производство остается достаточно энергоемким.

Каков он есть

Из электролитических ванн алюминий обычно извлекают с помощью вакуум-ковша, и после продувки хлором (для удаления в основном неметаллических примесей) разливают в формы. В последние годы алюминиевые слитки все чаще отливают непрерывным методом. Получается технически чистый алюминий, в котором основного металла 99,7% (главные примеси: натрий, железо, кремний, водород). Именно этот алюминий идет в большинство производств. Если же нужен более чистый металл, алюминий рафинируют тем или иным способом. Электролитическое рафинирование с помощью органических электролитов позволяет получать алюминий чистотой 99,999%. Еще более чистый алюминий для нужд промышленности полупроводников получают зонной плавкой или дистилляцией через субфторид.

Последнее, видимо, нуждается в пояснении. Алюминий, который надо очистить, нагревают в вакууме до 1000°C в присутствии АlF3. Эта соль возгоняется без плавления. Взаимодействие алюминия с фтористым алюминием приводит к образованию субфторида AlF, нестойкого вещества, в котором алюминий формально одновалентен. При температуре ниже 800°C субфторид распадается снова на фторид и чистый алюминий, подчеркиваем, чистый, ибо примеси в результате этой пертурбации переходят в состав фторида.

Повышение чистоты металла сказывается на его свойствах. Чем чище алюминий, тем он легче, хотя и не намного, тем выше его теплопроводность и электропроводность, отражательная способность, пластичность. Особенно заметен рост химической стойкости. Последнее объясняют большей сплошностью защитной окисной пленки, которой на воздухе покрывается и сверхчистый, и обычный технический алюминий.

Впрочем, все перечисленные достоинства сверхчистого алюминия в той или иной степени свойственны и обычному алюминию. Алюминий легок – это все знают, его плотность 2,7 г/см3 – почти в 3 раза меньше, чем у стали, и в 3,3 раза меньше, чем у меди. А электропроводность алюминия лишь на одну треть уступает электропроводности меди. Эти обстоятельства и тот факт, что алюминий стал значительно дешевле меди (в наши дни – примерно в 2,5 раза), послужили причиной массового использования алюминия в проводах и вообще в электротехнике.

Высокая теплопроводность в сочетании с более чем удовлетворительной химической стойкостью сделали алюминий перспективным материалом для теплообменников и других аппаратов химической промышленности, домашних холодильников, радиаторов автомобилей и тракторов. Высокая отражательная способность алюминия оказалась очень кстати при изготовлении на его основе мощных рефлекторов, больших телевизионных экранов, зеркал. Малый захват нейтронов сделал алюминий одним из важнейших металлов атомной техники.

Все эти многочисленные достоинства алюминия становятся еще более весомыми оттого, что этот металл в высшей степени технологичен. Он прекрасно обрабатывается давлением – прокаткой, прессованием, штамповкой, ковкой. В основе этого полезного свойства – кристаллическая структура алюминия. Его кристаллическая решетка составлена из кубов с центрированными гранями; расстояние между параллельными плоскостями 4,04 Ǻ. Металлы, построенные таким образом, обычно хорошо воспринимают пластическую деформацию. Алюминий не стал исключением.

Но при этом алюминий малопрочен. Предел прочности чистого алюминия – всего 6...8 кг/мм3, и если бы не его способность образовывать намного более прочные сплавы, вряд ли стал бы алюминий одним из важнейших металлов XX в.

О пользе старения и фазах-упрочнителях

«Алюминий весьма легко дает сплавы с различными металлами. Из них имеет техническое применение только сплав с медью. Его называют алюминиевою бронзою...»

Эти слова из менделеевских «Основ химии» отражают реальное положение вещей, существовавшее в первые годы нашего века. Именно тогда вышло последнее прижизненное издание знаменитой книги с последними коррективами автора. Действительно, из первых сплавов алюминия (самым первым из них был сплав с кремнием, полученный еще в 50-х годах прошлого века) практическое применение нашел лишь сплав, упомянутый Менделеевым. Впрочем, алюминия в нем было всего 11%, а делали из этого сплава в основном ложки и вилки. Очень немного алюминиевой бронзы шло в часовую промышленность.

Между тем в начале XX в. были получены первые сплавы семейства дюралюмина. Эти сплавы на алюминиевой основе с добавками меди и магния получал и исследовал в 1903...1911 гг. известный немецкий ученый А. Вильм. Он и открыл характерное для этих сплавов явление естественного старения, приводящее к резкому улучшению их прочностных свойств.

У дюралюмина после закалки – резкого охлаждения от 500°C до комнатной температуры и вылеживания при этой температуре в течение 4...5 суток – многократно увеличиваются прочность и твердость. Способность к деформации при этом не снижается, а величина предела прочности вырастает с 6...8 до 36...38 кг/мм2. Это открытие имело величайшее значение для развития алюминиевой промышленности.

И тотчас же начались дискуссии о механизме естественного старения сплавов, о том, почему происходит упрочнение. Было высказано предположение, что в процессе вылеживания закаленного дюралюмнна из матрицы – пересыщенного раствора меди в алюминии – выделяются мельчайшие кристаллики состава CuAl2 и эта упрочняющая фаза приводит к росту прочности и твердости сплава в целом.

Это объяснение казалось вполне удовлетворительным, но после его появления страсти разгорелись еще пуще, потому что в оптический микроскоп никому не удалось рассмотреть частицы состава CuAl2 на отшлифованных пластинках дюралюмина. И реальность их существования в естественно состаренном сплаве стали подвергать сомнению. Оно было тем обоснованнее, что выделение меди из матрицы должно было снижать ее электросопротивление, а между тем при естественном старении дюралюмина оно росло, и это прямо указывало, что медь остается в твердом растворе.

Положение прояснил только рентгеноструктурный анализ. В последнее время благодаря мощным электронным микроскопам, позволяющим просматривать тонкие металлические пленки насквозь, картина стала наглядной. Истина оказалась где-то «посредине». Медь не выделяется из твердого раствора и не остается внутри него в прежнем состоянии. В процессе старения она собирается в дискообразных участках толщиной в 1...3 атомных слоя и диаметром около 90 Ǻ, образуя так называемые зоны Гинье – Престона. Они имеют искаженную кристаллическую структуру твердого раствора; искажается также прилегающая к зоне область самого твердого раствора.

Число таких образований огромно – оно выражается единицей с 16...18 нулями для 1 см сплава. Изменения и искажения кристаллической решетки при образовании зон Гинье – Престона (зонное старение) и служат причиной повышения прочности дюралюмина при естественном старении. Эти же изменения увеличивают электрическое сопротивление сплава. При повышении температуры старения вместо зон, имеющих структуру, близкую к структуре алюминия, возникают мельчайшее частицы метастабильных фаз с собственной кристаллической решеткой (искусственное, или, точнее, фазовое старение). Это дальнейшее изменение структуры приводит к резкому повышению сопротивления малым пластическим деформациям.

Можно без преувеличения сказать, что крылья самолетов удерживаются в воздухе зонами или метастабильными частицами, и если в результате нагрева вместо зон и частиц появятся стабильные выделения, крылья потеряют свою прочность и просто согнутся.

В Советском Союзе в 20-х годах инженер-металлург В.А. Буталов разработал отечественный вариант дюралюмина, названный кольчугалюминием. Слово «дюралюмин» происходит от названия германского города Дюрена, в котором было начато промышленное производство этого сплава. А кольчугалюминий делали в поселке (ныне городе) Кольчугино Владимирской области. Из кольчугалюминия был сделан первый советский металлический самолет АНТ-2 конструкции А.Н. Туполева.

Подобные сплавы и сейчас важны для техники. Из сплава Д1 делают, в частности, лопасти самолетных винтов. Во время войны, когда летчикам нередко приходилось садиться на случайные площадки или, не выпуская шасси, на «брюхо», много раз случалось, что лопасти винтов сгибались при ударе о землю. Сгибались, но не ломались! Тут же в полевых условиях их выпрямляли и снова летали с тем же винтом... Другой сплав того же семейства дюралюминов – Д16 используют в авиастроении иначе – из него делают нижние панели крыльев.

Принципиально новые сплавы появляются тогда, когда открываются новые фазы-упрочнители. Их искали, ищут и будут искать исследователи. Фазы – это, по существу, химические соединения-интерметаллиды, образующиеся в сплаве и заметно влияющие на его свойства. Разные фазы по-разному повышают прочность, коррозионную стойкость и другие практически важные характеристики сплава. Однако со времени открытия Вильма их найдено совсем немного – меньше десятка. Их образование возможно лишь при условии растворимости соответствующих элементов в алюминии. Очевидно, каждая из фаз-упрочнителей заслуживает достаточно обстоятельного рассказа.

Уже упоминалось, что первым алюминиевым сплавом был его сплав с кремнием, соседом по менделеевской таблице. Но свойства этого сплава были неудовлетворительны и потому долгое время считали, что добавка кремния алюминию вредна. Но уже в начале 20-х годов нашего века было твердо установлено, что сплавы системы Al – Mg – Si (фаза Mg2Si) обладают, подобно дюралюминам, эффектом упрочнения при старении. Предел прочности таких сплавов – от 12 до 36 кг/мм2, в зависимости от содержания кремния и магния и от добавок меди и марганца.

Эти сплавы широко применяют в судостроении, а также в современном строительстве. Любопытная деталь: в наши дни в некоторых странах (в США, например) на строительство расходуется больше алюминия, чем на все виды транспорта, вместе взятые: самолеты, суда, железнодорожные вагоны, автомобили. В нашей стране алюминиевые сплавы широко применялись при строительстве Дворца пионеров на Ленинских горах и здания Комитета стандартом СССР на Ленинском проспекте в Москве, Дворца спорта в Киеве, а также многих других современных здании. Тысячи сборных алюминиевых домиков успешно «работают» в Заполярье и в горных районах, там, где нет поблизости местных стройматериалов или строительство сопряжено с колоссальными трудностями. В такие места алюминиевые (в основном) дома доставляются алюминиевыми же (в основном) самолетами и вертолетами.

Кстати, о вертолетах. Лопасти их винтов во всем мире делают из сплавов системы Al – Mg – Si, потому что эти сплавы обладают очень высокой коррозионной стойкостью и хорошо противостоят вибрационным нагрузкам. Именно это свойство первостепенно важно для вертолетчиков и их пассажиров. Малейшие коррозионные дефекты могут резко ускорить развитие усталостных трещин. Для спокойствия пассажиров отметим, что в действительности усталостные трещины развиваются достаточно медленно, и на всех вертолетах установлены приборы, подающие летчику сигнал о появлении первой мелкой трещинки. И тогда лопасти меняют, несмотря на то, что они могли бы работать еще сотни часов.

Эффект старения присущ и сплавам системы Al – Zn – Mg. Эта система сразу же проявила себя дважды рекордсменом: рекордсменом по прочности – еще в 20-х годах получены алюминий-цинк-магниевые сплавы прочностью 55...60 кг/мм2 – и «рекордсменом наоборот» по химической стойкости – листы и рулоны из таких тройных сплавов растрескивались, а то и рассыпались под влиянием атмосферной коррозии еще в процессе вылеживания, прямо на заводском дворе.

Десятки лет исследователи разных стран искали возможность повысить коррозионную стойкость подобных сплавов. В конце концов, уже в 50-х годах появились высокопрочные алюминиевые сплавы с цинком и магнием, обладающие удовлетворительной коррозионной стойкостью. Среди них – отечественные сплавы В95 и В96. В этих сплавах, помимо трех основных компонентов, есть также медь, хром, марганец, цирконий. При такой комбинации химических элементов существенно меняется характер распада пересыщенного твердого раствора, отчего и повышается коррозионная стойкость сплава.

Однако когда авиаконструктор О.К. Антонов приступил к созданию гигантского самолета «Антей» и для силового каркаса «Антея» потребовались большие поковки и штамповки, равнопрочные во всех направлениях, сплавы В95 и В96 не подошли. В сплаве для «Антея» малые добавки марганца, циркония и хрома пришлось заменить железом. Так появился известный сплав В93.

В последнее десятилетие возникли новые требования. Для так называемых широкофюзеляжных самолетов ближайшего будущего, рассчитанных на 300...500 пассажиров и на 30...50 тыс. летных часов эксплуатации, повышаются главные критерии – надежность и долговечность. Широкофюзеляжные самолеты и аэробусы на 70...80% будут состоять из алюминиевых сплавов, от которых требуется и очень высокая прочность и очень высокая коррозионная стойкость. Почему прочность – понятно, почему химическая стойкость – в меньшей мере, хотя приведенный выше пример с вертолетными лопастями, очевидно, достаточно нагляден...

Возникла концепция безопасно-повреждаемых конструкций, которая гласит: если в конструкции и появилась трещина, она должна развиваться медленно, и, даже достигнув значительных размеров, будучи легко обнаруживаемой, она, эта трещина, ни в коем случае не должна вызывать разрушения конструкции в целом. Это значит, что высокопрочные алюминиевые сплавы для таких самолетов должны обладать высокой вязкостью разрушения, высокой остаточной прочностью при наличии трещины, а это возможно лишь при высокой коррозионной стойкости.

Все эти свойства прекрасно сочетаются в алюминиевых сплавах повышенной чистоты: примесей железа – десятые доли процента, кремния – сотые, а натрия, микродобавки которого значительно улучшают свойства сплавов алюминия с кремнием, здесь должно быть не больше нескольких десятитысячных долей процента. А основа таких сплавов – система Аl – Zn – Mg – Сu. Старение этих сплавов ведут таким образом, чтобы упрочняющие частицы стали несколько больше обычного (коагуляционное старение). Правда, при этом немного теряется прочность, и некоторые детали приходится делать более толстостенными, но это пока неизбежная плата за ресурс и надежность. Ирония судьбы: алюминиевые сплавы с цинком и магнием, бывшие когда-то самыми коррозионно-нестойкими, наука превратила в своего рода эталон коррозионной стойкости. Причины этого чудесного превращения – добавка меди и рациональные режимы старения.

Еще один пример совершенствования давно известных систем и сплавов. Если в классическом дюралюмине резко ограничить содержание магния (до сотых долей процента), но сохранить марганец и повысить концентрацию меди, то сплав приобретает способность хорошо свариваться плавлением. Конструкции из таких сплавов хорошо работают в температурном интервале от абсолютного нуля до +150...200°C.

В наше время некоторым техническим изделиям приходится попеременно воспринимать то умеренный жар, то неумеренный холод. Не случайно из подобных сплавов были изготовлены баки жидкого водорода и жидкого кислорода на американских ракетах «Сатурн», доставивших на Луну экипажи кораблей «Аполлон».

При решении земных проблем перевозки и хранения сжиженного газа с трехкомпонентными сплавами Al – Сu – Мn довольно успешно конкурируют очень легкие двухкомпонентные сплавы алюминия с магнием – магналии. Магналии не упрочняются термической обработкой. В зависимости от технологии изготовления и содержания магния их прочность меняется от 8 до 38 кг/мм2. При температуре жидкого водорода они хрупки, но в среде жидкого кислорода и сжиженных горючих газов работают вполне успешно. Области их применения весьма обширны. В частности, они прекрасно зарекомендовали себя в судостроении: из магналиев изготовлены корпуса судов на подводных крыльях – «Ракет» и «Метеоров». Применяют их и в конструкциях некоторых ракет.

Особо следует отметить возможность использования малолегированных магналиев для упаковки пищевых продуктов. Консервные банки, обертка для сыров, фольга для тушения мяса, банки для пива, крышки для бутылок с молочнокислыми продуктами – вот не полный перечень околопищевых применений этих сплавов. Скоро в нашей стране алюминиевые консервные банки будут выпускаться миллиардами штук, и тогда определение Александра Евгеньевича Ферсмана – «металл консервной банки» – перейдет от олова к алюминию. Но вернемся к фазам-упрочнителям.

В 1965 г. группой советских ученых был открыт эффект упрочнения при старении в сплавах системы Al – Li – Mg. Эти сплавы, в частности сплав 01420, имеют такую же прочность, как дюралюмины, но при этом они на 12% легче и имеют более высокий модуль упругости. В конструкциях летательных аппаратов это позволяет получить 12...14%-ный выигрыш в весе. К тому же сплав 01420 хорошо сваривается, обладает высокой коррозионной стойкостью. К сплавам этой системы и сегодня во всем мире проявляют повышенный интерес.

Быстрое охлаждение образующее кристаллы

Прежде чем получить слитки или фасонные отливки из алюминиевого сплава, металл нужно очистить от газов и твердых неметаллических включений. Из газов в жидком алюминии растворен главным образом водород. Чем выше температура расплава, тем его больше. При остывании и кристаллизации он не успевает выделиться и остается в металле в виде мельчайших, а иногда и довольно крупных пор. Водород приносит много неприятностей: пустоты в фасонном литье, пузыри в листах и профилях, поры при сварке плавлением. И только в одном случае водород оказался весьма полезным – речь идет о так называемом пеноалюминии, напоминающем хороший голландский сыр (только пор в таком металле гораздо больше, и «слезу» он не пускает). Удельный вес пеноалюминия может быть доведен до 0,3...0,5 г/см3. Поры в нем замкнутые, и металл свободно плавает в воде. У него исключительно низкая тепло- и звукопроводность, он режется и паяется. Чтобы получить рекордное количество пустот, жидкий алюминий, по «рецепту» профессора М.Б. Альтмана, перегревают и затем вводят в него гидрид циркония или титана, который немедленно разлагается, выделяя водород. Тут же металл, вскипающий огромным количеством пузырьков, быстро разливают в формы.

Но во всех других случаях от водорода стараются избавиться. Самый лучший способ для этого – продувка расплава хлором. Пузырьки хлора, двигаясь через жидкий алюминий, вбирают в себя атомы и мельчайшие пузырьки водорода, захватывают взвешенные частицы шлака и окисных пленок. Большой эффект дает вакуумирование жидкого алюминия, что убедительно показано советским ученым К.Н. Михайловым.

Все неметаллические включения особенно вредны при медленной кристаллизации металла, поэтому при литье всегда стремятся увеличить скорость кристаллизации. Фасонные детали отливают не в земляные формы, а в металлические кокили; при литье слитков чугунные изложницы заменяют медными с водяным охлаждением. Но даже при самом быстром отводе тепла от стенки изложницы или формы после кристаллизации первого тонкого слоя между стенкой и этой корочкой появляется воздушный зазор. Воздух плохо проводит тепло... Скорость отвода тепла от металла резко падает.

Долгое время все попытки радикально ускорить охлаждение стенок терпели неудачу из-за этого воздушного зазора. В конце концов, верное решение было найдено, как это нередко бывает в технике, совершение «с другой стороны»: вместо борьбы с потерями тепла в воздушном зазоре ликвидировали сам зазор. Охлаждающей водой стали орошать непосредственно кристаллизующийся металл. Так родился метод непрерывного литья алюминиевых слитков.

В медный или алюминиевый кристаллизатор небольшой высоты заливается жидкий металл. В кристаллизатор вдвинут поддон, заменяющий неподвижное дно. Как только начинается затвердевание алюминия, поддон медленно опускают – постепенно и с той же скоростью, с какой идет процесс кристаллизации. А сверху непрерывно доливают жидкий металл.

Процесс регулируют так, чтобы лунка расплавленного алюминия находилась в основном ниже кромки кристаллизатора, куда непосредственно на застывающий слиток подается вода.

Освоение непрерывного литья слитков из алюминиевых сплавов происходило в трудные годы войны. Но к 1945 г. на наших металлургических заводах не осталось ни одной изложницы для алюминиевых слитков. Качество литого металла радикально улучшилось. Большая роль в разработке непрерывного литья алюминия принадлежит А.Ф. Белову, В.А. Ливанову, С.М. Воронову и В.И. Добаткину. Кстати, метод непрерывной разливки стали в черной металлургии, освоение которого началось в последующие годы, многим обязан именно успешному освоению непрерывного литья алюминия.

Позже Ф.И. Квасов, 3.Н. Гецелев и Г.А. Балахонцев выдвинули оригинальную идею, позволявшую кристаллизовать многотонные алюминиевые слитки вообще без форм. В процессе кристаллизации жидкий металл удерживается в подвешенном состоянии электромагнитным полем.

Не менее остроумным был разработанный в годы войны В.Г. Головкиным непрерывный способ производства литой алюминиевой проволоки диаметром до 9 мм. Из горизонтального отверстия в печи непрерывно выливалась струя жидкого металла. Прямо на выходе на металл подавалась охлаждающая вода, а вскоре частично отверженная струйка подхватывалась роликами и вытягивалась дальше. Поверхность такой проволоки получалась гладкой и блестящей, по прочности она не уступала холоднотянутой. А потребность в ней была громадной. Каждому, кто летал на самолете, приходилось видеть бесконечные ряды заклепок на крыльях и фюзеляже. Но, видимо, далеко не все знают, что число этих заклепок на истребителе военного времени доходило до 100...200 тыс. штук, а на бомбардировщике – даже до миллиона...

Рассказывая о фазах-упрочнителях, мы подчеркивали, что они – результат растворения соответствующих металлов в алюминии и химического взаимодействия с ним. Это в высшей степени полезные включения. С окисными же включениями ведут упорнейшую борьбу на всех стадиях производства. Но такова уж диалектика свойств вещества: нерастворимые в алюминии и наносящие ему вред окисные включения совершенно изменили свое качество, как только их превратили в наитончайшие пленки.

САП и САС

Если жидкий алюминий распылить, получатся более или менее округлые частицы, сплошь покрытые тонкими пленками окиси. Эти частицы (они называются пульверизатом) размалывают в шаровых мельницах. Получаются тончайшие «лепешки» толщиной 0,1 мкм. Если такую пудру предварительно не окислить, то при соприкосновении с воздухом она мгновенно взорвется – произойдет бурное окисление. Поэтому в мельницах создают инертную атмосферу с регулируемым содержанием кислорода, и процесс окисления пудры идет постепенно.

На первой стадии размола насыпной вес пудры уменьшается до 0,2 г/см3, содержание окиси алюминия постепенно увеличивается до 4...8%. Размол продолжается, мелкие частицы укладываются более плотно, не слипаются между собой, так как к пудре специально добавляют жир, и насыпной вес материала повышается до 0,8 г/см3. Окисление происходит достаточно интенсивно, и содержание окиси алюминия достигает 9...14%. Постепенно жир почти полностью улетучивается, и мельчайшие окисленные частицы «склепываются», сращиваются в более крупные конгломераты.

Такая «тяжелая» пудра (в ней содержится до 20...25% окиси) уже не летит как пух, ее можно спокойно ссыпать в стаканы. Затем порошок брикетируют в прессах под давлением 30...60 кг/мм2 и при температуре 550...650ºС. После этого материал приобретает металлический блеск, он имеет сравнительно высокую прочность электро- и теплопроводность. Из брикетов можно прессовать, прокатывать, ковать трубы, листы, прутки и другие изделия. Все эти полуфабрикаты именуются САП – по первым буквам слов «спеченный алюминиевый порошок».

Чем меньше расстояние между частицами, тем прочнее САП. Благодаря тому, что природа дисперсных образований в обычных стареющих алюминиевых сплавах и в САП различна, эти материалы очень различаются и по своим свойствам. САП сохраняет высокую прочность до 500...600°C, а все алюминиевые сплавы при этой температуре переходят в полужидкое или вязкое состояние. Тысячи часов при температуре до 500°C в общем мало сказываются на прочности САП, потому что взаимодействие окисных частиц и алюминиевой матрицы мало меняется после нагрева. Сплавы же алюминия при таком испытании совершенно теряют прочность.

САП не нуждается в закалке, по коррозионной стойкости он близок к чистому алюминию. По электропроводности и теплопроводности этот материал ближе к чистому алюминию, чем стареющие сплавы такой же прочности. Характерная особенность САП – адсорбция огромного количества влаги разветвленной поверхностью окисленных частиц.

Поэтому САП необходимо хорошо дегазировать в вакууме, нагревая материал до точки плавления алюминия. Из САП изготовляют поршни двигателей, работающих при температуре до 400 и даже 450°C, материал этот перспективен для судостроения и химического машиностроения.

Заканчивая рассказ о применении алюминия как конструкционного материала, надо упомянуть и о его спеченных сплавах с кремнием, никелем, железом, хромом, цирконием. Они называются САС – по первым буквам слов «спеченный алюминиевый сплав». Сплавы имеют низкий коэффициент линейного расширения, и это позволяет использовать их в сочетании со сталью в механизмах и приборах. У обычного же алюминия коэффициент линейного расширения примерно вдвое выше, чем у стали, и это вызывает большие напряжения, искажения размеров и нарушения прочности.

Рассказать об элементе №13 можно, конечно же, гораздо больше, чем о металле алюминии. С «биографией» элемента №13 связана судьба многих научных проблем и открытий, самых разных процессов и продуктов – красок, полимерных материалов, катализаторов и многих других. И все-таки не будет ошибки, если утверждать, что металл алюминий по значимости в современной технике, в современной жизни – важнее, нежели все соединения алюминия, вместе взятые.

Не только легенда

Во многих популярных книгах по химии и металлургии приводится рассказ о том, что алюминий якобы был известен еще в древности. Некий изобретатель (имя его осталось неизвестным) принес одному из владык чашу из металла – очень легкого, но внешне похожего на серебро. История закончилась плачевно: изобретателя казнили, поскольку владыка боялся, как бы новый металл не обесценил его серебро.

Скорее всего, эта история – не больше чем красивая сказка. А вот некоторыми соединениями алюминия люди пользовались и в древности. И не только глиной, основу которой составляет Al2O3. В «Естественной истории» Плиния Старшего упоминается, что квасцы (их формула KAl(SO4)2 · 12Н2О) еще на рубеже старой и новой эры применяли в качестве протравы при крашении тканей. В начале нашей эры римский полководец Архелай во время войны с персами приказал обмазать деревянные башни квасцами. В результате дерево приобрело огнестойкость, и персы не смогли поджечь укрепления римлян.

Алюминотермия

В 1865 г. известный русский химик Н.Н. Бекетов открыл метод восстановления металлов с помощью алюминия, получивший название алюминотермии. Сущность метода состоит в том, что при поджигании смеси окислов многих металлов с элементарным алюминием происходит восстановление этих металлов. Если окисел взят в избытке, то полученный металл будет почти свободным от примеси элемента №13. Этим методом сейчас широко пользуются при получении хрома, ванадия, марганца.

Синтетический криолит

Для получения алюминия электролизом необходим криолит. Этот минерал, внешне похожий на лед, позволяет намного снизить температуру плавления глинозема – сырья для производства алюминия. Состав криолита 3NaF · AlF3. Единственное крупное месторождение этого минерала почти исчерпано, и можно сказать, что алюминиевая промышленность мира работает сейчас на синтетическом криолите. В нашей стране первые попытки получить искусственный криолит сделаны еще в 1924 г. В 1933 г. неподалеку от Свердловска вступил в строй первый криолитовый завод. Существуют два основных способа производства этого минерала – кислотный и щелочной, первый используется шире. В этом случае сырьем служит плавиковый шпат СаF2, который обрабатывают серной кислотой и получают фтористый водород. Растворив в воде, его превращают в плавиковую кислоту, которая взаимодействует с гидроокисью алюминия. Полученную фторалюмниевую кислоту H3AlF6 централизуют содой. В осадок выпадает мало растворимый в воде криолит.

Первый катализатор

Уже много лет не прекращаются разговоры о катализаторах К. Циглера и Д. Натта – элементоорганических соединениях, революционизировавших производство многих полимерных материалов, прежде всего синтетических каучуков. Полимеры, полученные с помощью таких катализаторов, отличаются особенно четкой структурой и оттого – лучшими физико-химическими свойствами. Первыми катализаторами стереоспецифической полимеризации были алюминийорганические соединения.

И все это – окись алюминия!

Алюминий давно уже перестал быть драгоценным металлом, но некоторые его соединения по-прежнему остаются драгоценными камнями. Монокристаллы окиси алюминия с небольшими добавками красящих окислов – это и ярко-красный рубин и сияющий синий сапфир – драгоценные камни первого – высшего порядка. Цвет им придают: сапфиру – ионы железа и титана, рубину – хрома. Чистая кристаллическая окись алюминия бесцветна, ее называют корундом. Алюминий входит также в состав турмалина, бесцветного лейкосапфира, желтого «восточного топаза» и многих других ценных камней. В заводских масштабах производятся искусственные корунд, сапфир и рубин, эти камни нужны не только ювелирам, но и многим отраслям современной техники. Достаточно вспомнить о рубиновых лазерах, о часах «на пятнадцати камнях», о наждаке, который делается преимущественно из корунда, получаемого в электропечах, о сапфировых окнах «Токамака» – одной из первых установок для изучения термоядерных процессов.

Только один изотоп

Природный алюминий состоит только из одного «сорта» атомов – изотопа с массовым числом 27. Известны несколько искусственных радиоактивных изотопов элемента №13, большинство из них – короткоживущие и лишь один – алюминий-26 имеет период полураспада около миллиона лет.

Алюминаты

Алюминатами называют соли ортоалюминиевой Н3АlO3 и метаалюминиевой НАlO2 кислот. Среди природных алюминатов – благородная шпинель и драгоценный хризоберилл. Алюминат натрия NaAlO2, образующийся при получении глинозема, применяют в текстильном производстве как протраву. В последнее время приобрели практическое значение и алюминаты редкоземельных элементов, отличающиеся высокой тугоплавкостью и характерной, во многих случаях красивой, окраской. Алюминаты лантана и самария – кремовые, европия, гадолиния и диспрозия – розовые, неодима – сиреневые, празеодима – желтые. Эти материалы считаются перспективными в производстве специальной керамики и оптических стекол, а также в ядерной энергетике: некоторые редкоземельные элементы отличаются исключительно высокой способностью к захвату тепловых нейтронов. Подробнее об этом – в рассказах о лантаноидах.

Учитель – об ученике

«...Я считаю, что сделал открытие: открыл человека. В 1880 году вскоре после моего возвращения из Японии, где я преподавал четыре года химию, я обратил внимание на шестнадцатилетнего паренька. Этот юноша приходил в лабораторию, чтобы за несколько центов купить стеклянные трубки, пробирки или еще что-нибудь в этом роде. Я ничего не знал об этом мальчике, но часто думал, что, возможно, он станет ученым – ведь он занимается исследованиями в те годы, когда другие подростки проводят время только в играх и развлечениях. Этот подросток и был Чарльз М. Холл, человек, в 23 года открывший метод выделения алюминия из руд.

Чарльз поступил в колледж, и после того как он прошел часть обязательного курса, я забрал его к себе в лабораторию. Как-то, беседуя со студентами, я сказал: «Изобретатель, которому удастся разработать дешевый способ получения алюминия и сделать алюминий металлом массового потребления, окажет большую услугу человечеству и заслужит славу выдающегося ученого».

Я услышал, как, обернувшись к одному из своих сокурсников, Чарльз сказал: «Я займусь этим металлом». И он принялся за работу. Он испробовал множество методов, но все безуспешно. Наконец, Холл остановился на электролизе. Я отдал ему старые, ненужные приборы и батареи. Те из вас, кто видел электрические батареи, рассмеялись бы при виде того, что смог соорудить Холл из разных чашек с кусками угля. Но ток мы получили такой, какой нам был нужен.

Вскоре после этого Холл закончил колледж и забрал это сооружение к себе. Он устроил свою лабораторию в лесу неподалеку от дома, упорно продолжал свои опыты и часто рассказывал мне о результатах.

Нужно было найти растворитель для окиси алюминия – основного алюминиевого сырья. И через шесть месяцев Холл установил, что окисел хорошо растворим в расплаве фтористого алюмината натрия 3NaF · АlF3.

Однажды утром Холл вбежал ко мне с радостным возгласом: «Профессор, я получил его!» На протянутой ладони лежало двенадцать маленьких шариков алюминия, самого первого алюминия, полученного электролизом. Это произошло 23 февраля 1886 года».

Это рассказ профессора Иветта, перепечатанный нами из сборника «Вспышка гения», составленного по первоисточникам американским ученым А. Гарретом.

Алюминий в ракетном топливе

При сгорании алюминия в кислороде и фторе выделяется много тепла. Поэтому его используют как присадку к ракетному топливу. Ракета «Сатурн» сжигает за время полета 36 т алюминиевого порошка. Идею использования металлов в качестве компонента ракетного топлива впервые высказал Ф.А. Цандер.

Заключение

Известно, что у р-элементов заполняется электронами р-подуровень внешнего электронного уровня, на котором могут находиться от одного до шести электронов.

В периодической системе 30 р-элементов. Эти p-элементы, или их p-электронные аналоги, образуют подгруппы IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA и VI IIА. Строение внешнего электронного уровня атомов эле­ментов этих подгрупп развивается следующим образом: ns2p1, ns2p2, ns2p3, ns2p4, ns2p5 и ns2p6.

В целом у p-элементов, кроме алюминия, восстановительная актив­ность выражена сравнительно слабо. Наоборот, при переходе от IIIA-к VIIA-подгруппе наблюдается усиление окислительной активности нейтральных атомов, растут величины сродства к электрону и энер­гии ионизации, увеличивается электроотрицательность р-элементов.

В атомах p-элементова валентны не только р-электроны, но и s-электроны внешнего уровня. Высшая положительная степень окисле­ния р-электронных аналогов равна номеру группы, в которой они на­ходятся.

Используемая литература

1. Ахметов Н.С., Общая и неорганическая химия. - М.: Высшая школа, 1989

2. Коттон Ф., Уилкинсон Дж., Основы неорганической химии. - М.: Мир, 1979

3. Некрасов Б.В., Учебник общей химии. - М.: Химия, 1981

4. С. И. Венецкий «Рассказы о металлах», Москва изд. Металлургия 1986г.

5. Ю. В. Ходаков, В. Л. Василевский «Металлы», Москва изд. Просвещение 1966г.

6. А. В. Суворов, А. Б. Никольский «Общая химия», Санкт-Петербург изд. Химия 1995г.

П л а н:

Введение

Физические свойства Аl

Химические свойства Al

Получение и применение Al

Оксид алюминия Al2 O3

Гидроксид алюминия Аl(ОН)з

Соли алюминия

Бинарные соединения алюминия

Проценты, проценты...

Каков он есть - Al

О пользе старения и фазах-упрочнителях

Быстрое охлаждение образующее кристаллы

САП и САС

Не только легенда

Алюминотермия

Синтетический криолит

Первый катализатор

И все это – окись алюминия!

Только один изотоп

Алюминаты

Учитель – об ученике

Алюминий в ракетном топливе

Заключение

Литература

Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия

Кафедра химии

Проверила: Нуретдинова Р.А.

Р е ф е р а т

«Алюминий»

Выполнил студент I курса

2б группы факультета

ветеринарной медицины