Алюминий и его сплавы

Алюминий — второй (после железа) металл современной тех­ники Наиболее важным свойством алюминия, определяющим его ши­рокое применение в технике, является его небольшая плотность, равная 2,7 г/см3, т. е. алюминий почти в три раза легче железа.

Вторым очень важным свойством алюминия является его отно­сительно высокая электропроводность, которая равна 34 • 10* Ом"1-см"1, что составляет 57% электропроводности меди. Темпе­ратура плавления алюминия 660° С, температура кипения около 2500° С.

Кроме того, из свойств алюминия следует отметить его хорошую теплопроводность и теплоемкость. Алюминий химически стоек против органических кислот и хорошо сопротивляется воздействию азотной кислоты. Он очень быстро окисляется на воздухе, покры­ваясь тонкой пленкой окиси, которая, в отличие от окиси железа, не пропускает кислород в толщу металла. Следовательно, алюминий несмотря на быстрое окисление при нормальных условиях коррозионностоек. Его кристаллическая решетка куб с центрирован­ными гранями с параметром а = 0,404 Нм (4,04 А). Никаких аллотро­пических превращений у алюминия не обнаружено.

Алюминий и его сплавы широко применяются в машиностроении для изготовления различных транспортных аппаратов. В технике очень важно, чтобы собственный вес транспортной машины был минимален, что дает возможность при той же мощности мотора повы­сить грузоподъемность аппарата. Использование алюминия в авиации всем хорошо известно. За границей алюминий широко приме­няется для изготовления многих деталей железнодорожных вагонов, автомобилей и подъемных кранов различных конструкций.

Вторая область его применения — электротехника. Это обуслов­лено тем, что алюминий менее дефицитен и встречается в природе более широко, чем медь; электропроводность алюминия меньше меди, хотя провод из алюминия такой же электропроводности, как аналогичный медный провод, получается толще, но зато легче. Это важно для проводки во всех летательных и транспортных аппа­ратах, а также для проводов воздушных линий электропередач, где, применяя алюминиевые провода, можно реже ставить опоры.

Алюминиевая промышленность является сложным производ­ством. Для получения алюминия недостаточно иметь только алю­миниевую руду; требуется еще другой вид сырья — плавиковый шпат для получения криолита и других фтористых солей, необхо­димых в производстве алюминия. Нужны также чистые углеродис­тые материалы для получения анодной массы и других электродных изделий, без которых невозможно электролитическое производ­ство алюминия. Нельзя его осуществить и без электрической энергии.

Таким образом, современное производство алюминия склады­вается из четырех часто самостоятельных предприятий: производства глинозема, получения криолита, электродного производства и элек­тролитического получения алюминия /

Руды алюминия. Алюминий — наиболее распространенный металл в земной коре (8,8%); в чистом виде он не встречается, зато минералов, содержа­щих алюминий, очень много. По данным акад. А. Е. Ферсмана, их больше 250, но алюминиевыми рудами являются далеко не все из них.

Основным сырьем для получения алюминия служат бокситы. Бокситы представляют собой сложную горную породу, кото­рая содержит алюминий в виде гидроокисей. Кроме того, в бокситах всегда присутствуют окиси и гидроокиси железа, содержится крем­незем в виде кварца, каолинита, а также карбонат кальция, окись титана и др. Внешний вид и химический состав бокситов очень не­постоянен. Качество бокситов определяется количеством и формой окиси алюминия (хорошие бокситы содержат ее 50—60%) и содер­жанием кремнезема, вредной примеси, затрудняющей получение алюминия.

Вторая руда, которая используется для производства алюми­ния в нашей стране, — нефелин. Химическая формула этого минерала

Na(K)₂O-Al₂O₃-2SiO₂

Нефелины сопутствуют горной породе, которая называется апатит. Апатито-нефелиновых пород очень много на Кольском полуострове. Они давно разрабатываются для получения фосфор­ных удобрений и их отходом являются нефелины. Поскольку в на­шей стране уделяется особое внимание комплексному использова­нию сырья, в настоящее время организовано производство глино­зема из нефелинов на нескольких заводах. Алунит ы, которые также относят к алюминиевым рудам, широко встречаются на Кавказе и в других южных районах. Их химическая формула

K2SO₄Ab(SO₄)₃-4Al(OH)₃

Из алунитов алюминия получают пока немного, но в ближайшее время это производство будет расширяться.

К рудам алюминия относятся также каолины, или глины. Химическая формула каолина

А1₂О₃ • 2SiO₂ • 2Н.₂О

Лучшие сорта глин содержат до 39% окиси алюминия. Однако глины пока не используются для получения алюминия.

Производство глинозема. Для производства алюминия сначала нужно получить чистую окись алюминия. В настоящее время известны патенты на несколько сотен спосо­бов получения чистой окиси алюминия. Современная алюминиевая промышленность использует несколько способов, которые можно разбить на три группы.

Электротермические способы. Суть этих спо­собов заключается в восстановлении алюминиевой руды в электро­печи; примеси, имеющиеся в руде, восстанавливают до элементарного состояния и, переводя их в металл (кремнистый чугун), оставляют в шлаке невосстановленной только окись алюминия, но в шлаке оста­ются некоторые частично невосстановленные примеси. Эти способы применяются для получения глинозема, идущего на изготовление шлифовальных кругов и других абразивных изделий, но для произ­водства высококачественного алюминия такой глинозем не пригоден.

Кислотные способы. Сущность этих способов сводится к тому, что алюминиевая руда подвергается обработке какой-либо минеральной кислотой, например соляной или серной. В процессе такой обработки кислота взаимодействует с окисью алюминия и по­лучается соответствующая растворимая соль (например, хлористый алюминий).

Основные примеси с кислотами не реагируют (кремнезем, окись кальция и целый ряд других). Однако ряд примесей взаимодейст­вует со многими кислотами (например, окислы железа), что создает большие дополнительные трудности, так как полностью отделить соли железа от солей алюминия в растворе очень трудно. Эти спо­собы применяются мало, однако на них существует много патентов и за границей и у нас. А поскольку руду можно обрабатывать кис­лотой только в кислотоупорной аппаратуре, это очень удорожает и осложняет производство глинозема.

Щелочные способы. Эти способы в большинстве стран применяют и для получения чистой окиси алюминия. Суть щелочных способов заключается в том, что алюминиевая руда подверга­ется воздействию какой-либо щелочи (едким натром, кальциниро­ванной содой и др.).

В результате взаимодействия окиси алюминия, имеющейся в руде, с едким натром при определенных условиях образуются так называемые алюминаты натрия. Алюминаты щелочных металлов хорошо растворяются в воде.

Основная масса имеющихся в алюминиевой руде примесей со щелочами не взаимодействует и поэтому остается в нерастворенном состоянии, а алюминий переходит в раствор. Но есть примеси, которые могут взаимодействовать со щелочами. Важнейшая из них — кремнезем. Однако щелочные способы экономичнее кислотных, потому что все операции можно проводить в обычной стальной и чугунной аппа­ратуре. Поэтому щелочные способы сейчас применяются широко.

Разберем один из наиболее употребительных щелочных способов получения окиси алюминия — способ спекания — более подробно.

Боксит и известняк дробят и дозируют с раствором соды в определенных пропорциях. Полученную таким образом мокрую шихту тонко размалывают в шаровых мельницах и она выходит из них в виде жидкой пульпы. Пульпу после проверки и некоторой корректировки направляют в трубчатые медленно вращающиеся печи (длиной 80—120 м, диа­метром 2,5—3,5 м). Указанную жидкую пульпу подают в «холодный» конец печи, где она встречается с отходящими печными газами, имеющими температуру порядка 300—400° С. В результате влага испаряется; высохшая шихта, постепенно нагреваясь, переме­щается в горячую зону, в которой температура достигает 1200— 1250° С. По мере нагревания в шихте протекает много сложных хими­ческих процессов,, которые приводят к обра­зованию алюминатов кальция и ферритов кальция и некоторых других комплексных соединений.

Продукты реакций выделяются из печи в виде так называемого спека (напоминающего пористую гальку серого цвета), состоящего главным образом из алюмината натрия, феррита натрия и двукаль-циевого силиката.

Полученный спек охлаждают, дробят и подвергают выщелачи­ванию, сущность которого заключается в воздействии на спек сла­бых растворов соды. В результате выщелачивания из спека в ра­створ переходит алюминат натрия, а также происходит гидролиз ферритов натрия по реакции

Na₂O • Fe.₂O₃ + 4H₂O = Fe(OH)₃ + 2NaOH

Образовавшаяся гидроокись железа выпадает в осадок, а раствор обогащается едким натром. Полученный раствор отделяют от нерастворившихся примесей отстаиванием и фильтрацией.

Наряду с этими желательными реакциями происходят и другие реакции, осложняющие технологию производства чистой окиси алюминия. Так, например, в раствор переходит некоторое коли­чество силикатов натрия, что заставляет проводить специальную операцию, называемую обескремниванием раствора. Сущность этой операции сводится к длительному нагреванию и перемешиванию алюминатного раствора с известковым молоком в прочных закрытых

цилиндрических сосудах со сферическими днищами, называемых автоклавами, при температуре 150—180° С. В результате протекает ряд химических процессов, главнейший из которых охарактери­зуется следующим уравнением:

Na₂O • А1,О₃ + 2(Na₂O • Si О,) + Са(ОН), + 4Н₂О = = СаО ■ А1.₂Оз • 2 SiO₂ ■ 2Н₂О + 6NaOH

Осадок

После осветления раствора от взвешенных в нем частиц фильтра­цией чистый алюминатный раствор подвергается карбонизации. Назначением этой операции является выделение из раствора чистой гидро­окиси алюминия, не за­грязненной другими веще­ствами. Эту операцию про­водят в цилиндрических баках с мешалками, в которые подают угле­кислый газ (обычно очи­щенные печные газы). Под действием С0.₂ алюминат­ный раствор разлагается, из него выпадает белый осадок— гидрат окиси алю­миния, который отделяет­ся от раствора соды фильт­рацией

Na₂OAl₂O₃ + CO₂ ++ 3H₂O = Na.₂CO₃ ++ А1₂О₃-ЗН₂О

Оставшийся оборотный раствор соды после до­бавления в него некоторо­го количества свежей соды возвращается на подготов­ку шихты для очередного спекания, а гидрат окиси алюминия прокаливается в трубчатых вращающихся печах (аналогичных печам спекания) при температуре 1200" С, в результате чего получается безводный, негигроско­пичный глинозем, вполне пригодный для получения алюминия электролизом.

Электролитическое получение алюминия. Металлический алюминий получают электролизом расплавлен­ных солей, т. е. пропуская постоянный электрический ток через расплавленный криолит, в котором растворен глинозем. Сущность этого процесса можно понять, рассмотрев схему электролизера (рис.19).

.

.

Рис. 155 Упрощенная схема электролизной ванны для получения алюминия.

Электролизер состоит из основного корпуса 1, футерованного внутри угольными блоками, в подовую часть которого с помощью шин 2 и 3 подведен отрицательный полюс источника тока. Над кор­пусом подвешен угольный анод 4, к которому с помощью шин 5 и 6 подведен положительный ток. Если в электролизер залить расплав, состоящий их криолита и глинозема, опустить в этот расплав анод и пропускать через расплав постоянный ток большой силы и необходимого напряжения, то через определенное время на дне электролизера можно обнаружить расплавленный алюминий а, под слоем б — расплавленного электролита, состоящего из криолита Na₃AlF_e, в котором при тем­пературе, близкой к 1000° С, обычно растворено от 1 до 10% глинозема. Электролит поддерживается в расплав­ленном состоянии только за счет тепла, выделяющегося при прохождении через него электрического тока, поэтому часть электролита всегда на­стывает на холодных стенках и образует твердую застывшую кирку в, на которую сверху всегда насыпают порошкообразную окись алюминия г. Алюминий извлекают из электролизера, пробивая корку элек­тролита и опуская на дно футерованную огнеупором стальную трубку, через которую алюминий откачивают в ва­куумный ковш. На современной алюминиевой ванне на 100 000 А получают в сутки около 700 кг алюминия, поэтому извлечение металла проводят не чаще чем один раз в сутки (из менее мощ­ных ванн один раз за двое суток). Для получение 1 т первичного алюминия элект­ролизом расходуется примерно 16 000 кВт-ч электроэнергии и почти 2 т глинозема

.Извлеченный из электролизеров алюминий часто подвергают 10—15-минутному хлорированию при температуре 750° С в ковше для удаления главным образом неметаллических включений (части­чек угля, глинозема, фтористых солей и т. д.) и после этого металл направляют в большие электропечи сопротивления, из которых про­водится его полунепрерывная или непрерывная разливка в калиб­рованные заготовки для производства труб, проволоки и листа. Эти же печи применяются для получения многих сплавов на алюминиевой основе.

По ГОСТ 11069—74 первичный алюминий делится на три груп­пы: алюминий особой чистоты, высокой чистоты и технической чис­тоты

В электролизных ваннах получают алюминий тех­нической чистоты. Для получения алюминия более высоких марок требуется его дополнительное рафинирование.,для чего используются электролитические методы.

Алюминий особой чисоты А999 (99,999% Al)

Алюминий высокой чисоты А99 (99,99% Al)

Алюминий технической чисоты А85 (99,85% Al), А8 (99,80% Al),), А7 (99,70% Al),), А7Е (99,70% Al),), А6 (99,60% Al),), А5 (99,50% Al),),

А5Е (99,50% Al), А0 (99,00% Al).

Механические свойства алюминия сравнительно невысоки. Со­противление на разрыв находится в пределах от 90 до 180 МПа (от 9 до 18 кгс/мм²) НВ20—40; он имеет высокую пластичность, что дает возможность прокатывать его в очень тонкие листы. Необ­ходимо отметить, однако, трудность обработки чистого алюминия резанием, а также относительно высокую линейную усадку — 1,8%.

Для устранения этих отрицательных свойств алюминия (малой механической прочности, большой усадки и трудности обработки резанием) в алюминий вводят различные добавки. Так, возникло большое количество различных сплавов алюминия, в которых устра­нены полностью или частично эти недостатки. В настоящее время в технике известно несколько сот различных алюминиевых сплавов.

Алюминиевые сплавы принято делить на две группы: первая — сплавы, деформируемые обработкой, и вторая — литей­ные сплавы. Иногда первую группу делят на две подгруппы: сплавы, не упрочняемые термообработкой, и сплавы, упрочняемые термооб­работкой.

Деформируемые обработкой алюминиевые сплавы, не упроч­няемые термической обработкой, характеризуются невысокой проч­ностью, но хорошей пластичностью (до 40%). К ним относятся сплавы алюминия с марганцем и магнием, содержащие его до 6%. Из этих сплавов широко применяются сплав АМц, содержащий 1,0—1,6% Мп, и сплавы АМг, АМг5, содержащие соответственно 2,0—2,8 Mg, 0,2—0,4 Мп и 4,0—5,5 Mg, 0,3—0,6 Мп

К первой группе сплавов относятся дюрадюмины — сплавы на основе А1 — Си — Mg, в которые дополнительно вводится Мп для повышения коррозионной стойко­сти сплава. Наиболее известны у нас сплавы Д1, Д18 и Д16; Вредной примесью для дюралюминов является железо; его со­держание не должно превышать 0,5—0,6%, так как оно образует соединение с медью (Cu₂AlFe), нерастворимое в алюминии, связы­вающее медь и снижающее эффект упрочнения при старении. Кроме того, присутствие железа снижает прочность и пластичность дюр­алюминия.

Дюралюминий хорошо деформируется и в горячем, и в холодном состоянии; для его упрочнения обычно применяют закалку в воде и естественное старение. Наибольшее упрочнение достигается в те­чение первых суток после закалки и практически заканчивается в течение пяти суток.

Для защиты дюралюминиевых листов и других его прокатанных изделий от коррозии, которая даже при добавке марганца остается значительной, широко применяют его плакирование чистым алю­минием. Плакирование проводят совместной горячей прокаткой слитка дюралюминия, обложенного листами (толщиной до 6 мм) чистого алюминия марок А8 и А85.

Сплавы авиаль уступают дюралюминию в прочности, но более пластичны как в горячем, так и в холодном состоянии и поэтому используются для легких конструкций, требующих гибких и других деформаций при монтаже.

Наиболее прочными алюминиевыми сплавами являются сплавы типа В95, содержащие 6% Zn, 2,3% Mg, 1,7% Си, 0,4% Мп, 0,2% Сг. Но, применяя его, следует иметь в виду, что он еще менее коррозионностоек, чем дюралюминий, и не пригоден для работы при тем­пературах выше 150° С, так как его прочностные характеристики сильно понижаются при повышенной температуре. Известно много других сложных деформируемых сплавов для ковки, штамповки и работы при повышенных температурах: АК4, АК6, АК8, АК4-1.

Литейных алюминиевых сплавов очень много; их принято марки­ровать двумя буквами АЛ (алюминиевый литейный).

В соответствии с ГОСТ 2685—75 их принято делить на пять групп.

Группа I — сплавы на основе системы алюминий — крем­ний, к которой относятся сплавы АЛ-2, АЛ-4, АЛ-9. Эти сплавы часто называют силуминами, и они представляют собой интерес с точки зрения металловедения.

Группа II объединяет много сплавов, имеющих основу алю­миний — кремний — медь. Сюда входят сплавы АЛ-3, АЛ-5, АЛ-6, а также АЛ-32 (многими называемый МВТУ-1), содержащий кроме трех основных компонентов группы еще марганец и титан.

Группа III — сплавы на основе системы алюминий — медь; к ним относятся сплавы АЛ-7 и АЛ-19. Эти сплавы из-за наличия значительного количества меди более дефицитны и дороги.

Группа IV — сплавы на основе системы алюминий — маг­ний, к которой относятся сплавы АЛ-8, АЛ-13, АЛ-22 и др.

Эти сплавы обладают низкой плотностью (почти в три раза легче стали), высокими механическими свойствами и коррозионной стой­костью. Двойные сплавы начали широко использоваться для полу­чения легких отливок различного оборудования для транспортных машин. Сплавы на алюминиево-магниевой основе с небольшими добавками титана, бериллия, например сплав АМгб, хорошо обра­батываются давлением.

К группе V относят сплавы на основе алюминия и других компонентов. Эта группа особенно велика, наиболее популярны из этой группы сплав АЛ-1, содержащий медь, никель и магний, сплав АЛ-11, включающий, кроме алюминия и кремния, большое количество цинка (7—12%) и немного магния. В эту группу входит также сплав АЛ-24, содержащий магний, марганец, цинк, титан и др.

Сплавы алюминия с магнием, медью, а также многие другие более сложные сплавы на основе алюминия подвергаются терми­ческой обработке, так как их основные прочностные и технологичес­кие свойства изменяются при этом в очень широких пределах, а многие алюминиевые сплавы с добавками меди и магния подвер­жены старению, т. е. изменяют свои свойства при хранении. На­пример, у сплава АЛ-8, содержащего 9,5—11% магния, в литом состоянии удлинение равно 1%, а в закаленном состоянии колеб­лется от 9—15%. Если этот сплав нагреть под закалку и медленно охлаждать с печью, его относительное удлинение будет около 2%, а после пяти суток выдержки при температуре 20° С оно увеличится до 20%. Соответственно изменяются твердость и прочностные свойства.

Наибольшей известностью пользуются силумины и сплавы алю­миния с медью. Типичным силумином является сплав АЛ-2, содержащий 10-13% кремния.

Силумины хорошо свариваются и почти не дают трещин от усадочных напряжений, но обладают склонностью к образованию окислительных пленок и повышенной пористостью, связанной с его газопоглощением. Силумины и большинство других алюминиевых литейных сплавов, как и дюралюмины, очень чувствительны к загрязнению железом; по мере увеличения загрязнения резко падает их пластичность и сопротивление удару.

Дата добавления: 2015-08-10