Алюминий

Алюминий

 

Отечественная промышленность выпускает первичный алюминий (ГОСТ 11069–74) [1] двух сортов (таблица 1): высокой чистоты (А995–А95) и технической чистоты (А85–А0). В обозначении марки буква «А» означает алюминий, а последующие цифры указывают десятые, сотые и тысячные доли процента содержания алюминия. Например, алюминий марки А995 содержит не менее 99,995 % Al, марки А6 — 99,6 % Al, марки      А0 — 99,0 % Al [2]/

Таблица 1-Марки и химический состав (%) первичного алюминия (ГОСТ 11069–74)

Обозначение марок	Al,  не менее	Примеси, не более
		Fe	Si	Cu	Zn	Ti	сумма
Алюминий высокой чистоты
А995	99,995	0,0015	0,0015	0,001	0,001	0,001	0,005
А99	99,99	0,003	0,003	0,003	0,003	0,002	0,010
А97	99,97	0,015	0,015	0,005	0,003	0,002	0,03
А95	99,95	0,025	0,020	0,010	0,005	0,002	0,05
Алюминий технической  чистоты
А85	99,85	0,08	0,06	0,01	0,02	0,008	0,15
А8	99,8	0,12	0,10	0,01	0,04	0,01	0,20
А7	99,7	0,16	0,15	0,01	0,04	0,01	0,30
А7Е***	99,7	0,20	0,08	0,01	0,04	0,01*	0,30
А6	99,6	0,25	0,18	0,01	0,05	0,02	0,40
А5Е	99,5	0,35**	0,10	0,02	0,04	0,015*	0,50
А5	99,5	0,30	0,25	0,02	0,06	0,02	0,50
А0	99,0	0,50	0,5	0,02	0,08	0,02	1,0

 

* Для суммы титана, ванадия,  хрома и марганца.

** Допускается массовая  доля железа не менее 0,18 %.

*** «Е» — в марках  с гарантированными электрическими  характеристиками

 

Электролитический способ —  единственный применяющийся во всем мире для

производства металлического алюминия технической чистоты [3]. Все другие способы (цинкотермический, карбидотермический, субхлоридный, нитридный и др.), с помощью которых алюминий может быть извлечен из алюминиевых руд, разрабатывались в лабораторном и опытно-промышленных масштабах, однако пока не нашли практического применения.

При электролитическом получении  алюминия глинозем А1₂О₃, растворенный в расплавленном криолите Na₃AlF₆, электрохимически разлагается с разрядом катионов алюминия на катоде (жидком алюминии), а кислородсодержащих ионов (ионов кислорода) — на углеродистом аноде. По современным представлениям, криолит в расплавленном состоянии диссоциирует на ионы Na⁺ и AlF₆^3- : Na₃AlF₆—> 3Na⁺ + AIF₆^3- , а глинозем — на комплексные ионы А1О₂^- и А1О⁺ : А1₂О₃—> AlO₂^- + АlO⁺, которые находятся в равновесии с простыми ионами: A1O₂^- —> Аl³⁺ + 2О^2- ,А1О⁺ —> Al³⁺ + О^2- . Основным процессом, происходящим на катоде, является восстановление ионов трехвалентного алюминия: А1³⁺ + 3е —> А1 [3].

 

Технический алюминий

 

Марки и химический состав технического алюминия (ГОСТ 4784–97) приведены в таблице 2. Большой объем производства полуфабрикатов из технического алюминия составляют листы, проволока, прутки, трубы, которые применяются в трех состояниях: отожженном (М), полунагартованном (Н2) или нагартованном (Н), горячекатаном (ГК). Механические свойства технического алюминия приведены в таблице 3.

 

Таблица 2 -Химический состав (%) технического алюминия

Марка			Al, не менее	Примеси, не более
Российская		Между–народная		Cu	Mg	Mn	Fe	Si	Zn	Ti	Cr
Буквенная	Цифровая
АД000	–	1080А	99,80	0,03	0,02	0,02	0,15	0,15	0,06	0,02	–
АД00	1010	1070А	99,70	0,03	0,03	0,03	0,25	0,20	0,07	0,03	–
АД00Е	1010Е	1370	99,70	0,02	0,02	0,01	0,25	0,10	0,04	*	0,01
АД0	1011	1050	99,50	0,05	0,05	0,05	0,40	0,25	0,07	0,05	–
АД0Е	1011Е	1350	99,50	0,05	–	0,01	0,40	0,10	0,05	**	0,01
АД1	1013	1230	99,30	0,05	0,05	0,025	0,30	0,30	0,10	0,15	–
АД	1015	1200	98,80	0,05	–	0,05	Fe + Si: 1,0		0,10	0,05	–
АД1пл	–	–	99,30	0,02	0,05	0,025	0,30	0,30	0,10	0,15	–

* B: 0,02 %; Ti + V: 0,02 %.

** B: 0,05 %; Ti + V: 0,02 %.

 

Таблица 3-Гарантируемые механические характеристики (не менее) листов из АД0, АД1

 

Состояние	Толщина листа, мм	s в, МПа	d 10, %
М	0,5	60	20
	От 0,6 до 0,9	60	25
	От 1,0 до 10,0	60	28
Н*	От 0,5 до 0,8	145	3
	От 0,9 до 4,0	145	4
	От 4,1 до 10,0	130	5
ГК	От 5,0 до 10,5	70	15

 

* Для полунагартованного  состояния Н2 (деформация при прокатке 40–60 %) s _в = 100–135 МПа, d ₁₀ = 8 %.

 

Области применения

 

Алюминий высокой чистоты  применяется для лабораторных и  специальных целей ,алюминий технической  чистоты- для технических целей (выпуск деформируемого полуфабриката, получение  сплавов).

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

Алюминий используется во многих отраслях промышленности и в быту. Алюминий применяется в химической и пищевой промышленности, так как он не взаимодействует с концентрированной азотной кислотой, органическими кислотами и пищевыми продуктами. Из него изготавливается различная тара, емкости, упаковочный материал и др. В отличие от плакированной жести, он легко перерабатывается. Кроме того алюминий широко применяют в строительстве, авто- и вагоностроении, электротехнике и криогенной технике. Алюминий марок АД1 и АД1пл используется в качестве плакирующего слоя на листах из сплава типа дуралюмин для защиты от коррозии. Из алюминия производят катанку для производства кабельно-проводниковой продукции (из А7Е и А5Е), сырье для производства алюминиевых сплавов, фольгу, прокат (прутки, ленты, листы, проволока, трубы).

 

Свойства  и проблемы технического алюминия

 

Во  всех  алюминиевых  сплавах  образуются  железосодержащие  фазы,  из которых  наиболее  часто  встречаются  Al₃Fe,  Al ₈Fe ₂ Si,  Al ₅FeSi,  A ₁₅ (Fe,Mn) ₃Si ₂ ,    Al ₆ (Fe,Cu,Mn),  Al₉FeNi  и другие. Эти фазы  могут кристаллизоваться первично  или по эвтектическим  реакциям,  что  в  значительной  мере  определяет  их  размер  и морфологию.  Например,  первичные  кристаллы  фазы  Al ₁₅(Fe,Mn)₃Si ₂ имеют форму компактных  многогранников  (рисунок  1,  а),  а эвтектические кристаллы этой  фазы обычно  кристаллизуются в скелетообразной форме (рисунок 1, б). Наиболее вредной для  механических  свойств  является  пластинчатая  (игольчатая  в  плоскости  шлифа) форма, которая практически всегда свойственна фазам Al ₃Fe, Al₅FeSi (рисунок 1,б) и                   Al7FeCu2. Перитектические реакции, которые должны протекать согласно равновесным диаграммам состояния, в реальных условиях кристаллизации в основном подавляются, что  приводит  к  существенному  изменению  фазового  состава  по  сравнению  с равновесным.  В  литой  структуре  многокомпонентных  сплавов,  содержащих  примесь железа, часто можно наблюдать сложные конгломераты фаз, идентификация которых прямыми методами бывает очень затруднительной [2].

 

Рисунок 1 –Типичная морфология  Fe-содержащих фаз:

                                                  (а)- многогранники Al ₁₅(Fe,Mn)₃Si ₂

                                                   (б)-игольчатая Al₅FeSi

 

 Особенность действия примеси железа и кремния заключается в том, что они образует соединение Al3Fe, Al₅FeSi которое кристаллизуется в форме пластин и служит концентратором напряжений, что приводит к снижению механических свойств, в частности пластичности и вязкости разрушения. Повышенное содержание железа увеличивает гетерогенизацию структуры и снижает эффект действия легирующих элементов при термической обработке сплавов.

Теплопроводность алюминия повышается с увеличением степени его чистоты. По теплопроводности алюминий уступает только серебру и меди, втрое превышая теплопроводность малоуглеродистой стали. Это свойство определяет применение алюминия в радиаторах охлаждения и теплообменниках. Для технического алюминия (99,49 и 99,70%) теплопроводность при 200 °С равна соответственно 209 и 222 Вт/(м-К). Для электролитически рафинированного алюминия чистотой 99,9% теплопроводность при 190 °С возрастает до 343 Вт/(м-К). Примеси меди, магния и марганца в алюминии снижают его теплопроводность [5]. Например, добавка 2 % Мn к алюминию снижает теплопроводность с 209 до 126 Вт/(м-К).

Электропроводность. Алюминий отличается высокой электропроводностью (четвертое место среди металлов — после серебра, меди и золота). Сочетание высокой электропроводности с малой плотностью позволяет алюминию конкурировать с  медью в сфере кабельно-проводниковой продукции. По данным А. И. Беляева и Р. М. Гольдштейна, удельная электропроводность алюминия чистотой 99,99% при 20 °С равна 37,9 мкСм-м, что составляет 63,7% от электропроводности меди. Более чистый алюминий [99,999 %] обладает электропроводностью, равной 65,9 % от электропроводности меди. На электропроводность алюминия влияет ряд факторов: степень деформации, режим термической обработки и т. д., решающую же роль играет природа примесей, присутствующих в алюминии. Влияние примесей на удельное электро- сопротивление представлено на рисунке 1 по данным А. И. Беляева и Р. М. Гольдштейна. Примеси по их отрицательному влиянию на электропроводность алюминия можно расположить в следующий ряд: Сr, V, Mn, Ti, Mg, Ag, Cu, Zn, Si, Fe, Ni.

 

Рисунок 2 – Влияние примесей на электропроводность алюминия

 

 Основными примесями в алюминии являются кремний, железо, медь, цинк и титан. При малых содержаниях кремния в алюминии( 0,06%) величина Fe : Si (в пределах от 0,8 до 3,8) сравнительно мало влияет на его электросопротивление. При увеличении содержания кремния до 0,15—0,16 % влияние Fe: Si возрастает.

Наиболее отрицательное  влияние на электросопротивление алюминия оказывают примеси Сг, V, Мп и Ti (рисунок 2). Поэтому в алюминии, предназначаемом для электротехнической промышленности, сумма Cr+V+Mn+Ti не должна превышать 0,015% (марка А5Е) и даже 0,01 % (А7Е) при содержании кремния соответственно 0,12 и 0,16 %.

 Отражательная способность алюминия сильно зависит от его чистоты. Для алюминиевой фольги чистотой 99,2% коэфициент отражения белого света равен 75%, а для фольги с содержанием алюминия 99,5% отражаемость составляет уже 84%.

Механические  свойства алюминия зависят от степени чистоты, вида и режимов его обработки, температуры и других факторов. С возрастанием степени чистоты прочность и твердость алюминия уменьшается, а пластичность возрастает. Так, по данным Р. Годо, модуль упругости при 20 °С для металла чистотой 99,25 % составляет 69,65 ГПа, а для электролитически рафинированного алюминия чистотой 99,98 % 65,71 ГПа. С повышением температуры прочность алюминия снижается, а пластичность возрастает. В таблице 5 и 6 соответственно приведены зависимости механических свойств алюминия от степени его чистоты [5], а также влияние температуры на механические свойства отожженной алюминиевой проволоки (0,20 % Si, 0,15 % Fe, следы меди) [6]:

 

Таблица 4-Зависимость механических свойств от чистоты алюминия