Свойства алюминия

Боксит поставляют в кусках размером не более 500 мм. Перевозят его навалом на платформах или в гондолах.

Н е ф е л и н Na(AlSiO )-минерал светло-серого или зеленоватого цвета. Твердость 5.5-6. Содержит 30-40% Al O . Используют нефелин как

металлургическую руду для последовательного извлечения глинозема и

алюминия, а также в химической, стекольной и кожевенной промышленно­сти.

А л у н и т (квасцовый камень) KAl (SO ) (OH) -минерал белого, се­рого или красноватого цвета. Твердость 3.5-4.0. Содержит 37 % Al O .

Служит для получения квасцов, глинозема и калиевых солей.

К а о л и н Al O 2SiO 2H O-распространенная горная порода. По внешнему виду это белая землянистая масса, являющаяся продуктом раз-

рушения кристаллических пород-гранитов, гнейсов и др. Твердость около

1, содержит 37.5 % Al O . Каолин применяют для производства фарфоро­вых и фаянсовых изделий, изоляторов, а также как наполнитель в рези­новой промышленности.

Г л и н о з е м Al O является концетратом, получаемым из различ­ных алюминиевых руд. Его поставляют в виде белого кристаллического

порошка.

Глинозем является основным сырьем для получения металлического алю­миния. Кроме того, его используют и в других отраслях промышленности­абразивной, радио и др. У нас в стране производят глинозем восьми ма­рок, физико-химическим составом и назначением.

Для производства первичного алюминия предназначен глинозем марок ГА85, ГА8, ГА6 и ГА5. Буквенная часть марок указывает на область при­менения глинозема, а цифры-на степень чистоты получаемого алюминия: это сотые и десятые доли процента сверх 99 %. Например, марка ГА85- глинозем для получения алюминия со степенью чистоты 99.85 %, а марка ГА5-то же, но со степенью чистоты 99.5 %.

Для производства белого электрокорунда применяют глинозем марки

ГЭ5, высокоглиноземистых огнеупоров-ГО, электроизоляционных изделий-

ГК и для электровакуумной промышленности и специальных видов радиоке­рамики-ГЭВ.

В глиноземах всех назначений нормируются потери при прокаливании

(в разных марках от 0.4 до 1.2 %), содержание кремнезема (от 0.03 до

0.5 %), окиси железа (от 0.035 до 0.1 %) и окиси щелочных металлов

(от 0.1 до 0.6 %).

Влага, удаляемая при 120 C, не нормируется.

Как уже сказано, по физическому состоянию глинозем имеет вид порош­ка. Особенно строгие требования по гранулометрическому составу предь­являют к глинозему марки ГЭВ, в котором частицы должны иметь округлую форму и их размер не должен превышать 3 мкм.

Глинозем марок ГК и ГЭВ при поставке обязательно упаковывают в мно­гослойные бумажные мешки или в сухие мешки из плотной ткани. Перево­зят их в закрытых железнодорожных вагонах и трюмах. Глинозем осталь­ных шести марок можно упаковывать в мешки, но чаще его перевозят без тары навалом в специальных (цементовозах, цистернах и т.д.).

Прочность алюминия незначительна, поэтому для изготовления любых из­делий,предназначенных к восприятию внешних сил, применяют не чистый алюминий, а его сплавы, которых в настоящее время разработано достато­чно много марок.

Введение различных легирующих элементов в алюминий существенно изме­няет его свойства, а иногда придает ему новые специфические свойства. При различном легировании повышаются прочность, твердость, приобрета­ется жаропрочность и другие свойства. При этом происходят и нежелате­льные изменения: неизбежно снижается электропроводность, во многих случаях ухудшается коррозионная стойкость, почти всегда повышается от­носительная плотность. Исключение составляет легирование марганцем, который не только не снижает коррозионную стойкость, но даже несколь­ко повышает ее, и магнием, который тоже повышает коррозионную стой­кость (если его не более 3 %) и снижает относительную плотность, так как он легче, чем алюминий.

Алюминиевые сплавы по способу изготовления из них изделий делят на две группы: деформируемые и литейные. Такое деление отражает основные технологические свойства сплавов: деформируемые имеют высокую пластич­ность в нагретом состоянии, а литейные-хорошую жидкотекучесть. Для по­лучения этих свойств в алюминий вводят разные легирующие элементы и в неодинаковом количестве.

Сырьем для получения сплавов обоего типа являются не только техниче­ски чистый алюминий, о котором речь шла выше, но также и двойные спла­вы алюминия с кремнием, которые содержат 10-13 % Si, и несколько отли­чаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общей содержание примесей в них 0.5-1.7 %. Эти сплавы назы­вают силуминами и маркируют у нас в стране СИЛ-00 (наиболее чистый по примесей), СИЛ-0, СИЛ-1 и СИЛ-2. Поставляют их в виде гладких чушек или чушек с пережимами массой 6 и 14 кг. Силумин в чушках тоже явля­ется товаром на мировом рынке.

Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном ра­створимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем пре­дел их растворимости при высокой температуре. В них не должно эвтекти­ки, которая легкоплавка и резко снижает пластичность.

Деформируемые сплавы при нагреве под обработку давлением должны иметь гомогенную структуру твердого раствора, обеспечивающую наиболь­шую пластичность и наименьшую прочность. Это и обусловливает их хоро­шую обрабатываемость давлением.

Основными легирующими элементами в различных деформируемых сплавах является медь, магний, марганец и цинк, кроме того, в сравнительно не­больших количествах вводят также кремний, железо, никель и некоторые другие элементы.

Деформируемые алюминиевые сплавы делят на упрочняемые и неупрочняе­мые. Это наименование отражает способность или неспособность сплава заметно повышать прочность при термической обработке.

Структурные превращения, происходящие в алюминиевых сплавах при их термической обработке, существенно отличается от таковых в стали пото­му, что алюминий не имеет аллотропического превращения. В них повыше­ние прочности может происходить только за счет процессов, связанных с выделением из перенасыщенного в результате закалки твердого раствора каких-то упрочняющих фаз.

Характерными упрочняемыми сплавами являются дюралюминии-сплавы алю­миния с медью, которые содержат постоянные примеси кремния и железа и могут быть легированы магнием и марганцем. Количество меди в них нахо­дится в пределах 2.2-7 %.

Название марок дюралюминия начинается буквой Д, затем идет цифра, которая не отражает химического состава, а представляет собой просто номер. В разное время было разработано много марок дюралюминия, но многие из них не нашли широкого применения. Сейчас промышленность вы­пускает пять основных марок дюралюминия, химический состав которых приведен в таблице.

Медь растворяется в алюминии в количестве 0,5% при комнатной темпе­ратуре и 5,7% при эвтектической температуре, равной 548 C .

Термическая обработка дюралюминия состоит из двух этапов. Сначала его нагревают выше линии предельной растворимости (обычно приблизи­тельно до 500 C ). При этой температуре его структура представляет со­бой гомогенный твердый раствор меди в алюминии. Путем закалки, т.е. быстрого охлаждения в воде, эту структуру фиксируют при комнатной тем­пературе. При этом раствор получается пересыщенным. В этом состоянии, т.е. в состоянии закалки, дюралюминий очень мягок и пластичен.

Структура закаленного дюралюминия имеет малую стабильность и даже при комнатной температуре в ней самопроизвольно происходят изменения. Эти изменения сводятся к тому, что атомы избыточной меди группируются в растворе, располагаясь в порядке, близком к характерному для крис­таллов химического соединения CuAl . Химическое соединение еще не об­разуется и тем более не отделяется от твердого раствора, но за счет неравномерности распределения атомов в кристаллической решетке твердо­го раствора в ней возникают искажения, которые приводят к значительно­му повышению твердости и прочности с одновременным снижением пластич­ности сплава. Процесс изменения структуры закаленного сплава при ком­натной температуре носит название естественного старения.

Естественное старение особенно интенсивно происходит в течение пер­вых нескольких часов, полностью же завершается, придавая сплаву макси­мальную для него прочность, через 4-6 суток. Если же сплав подогреть до 100-150 C ,то произойдет искуственное старение. В этом случае про­цесс совершается быстро, но упрочнение происходит меньшее. Обьясня­ется это тем, что при более высокой температуре диффузионные переме­щения атомов меди осуществляются более легко, поэтому происходит за­вершенное образование фазы CuAl и выделение ее из твердого раствора. Упрочняющее же действие полученной фазы оказывается меньшим, чем дей­ствие искаженности решетки твердого раствора, возникающей при естест­венном старении.

Сравнение результатов старения дюралюминия при различной температу­ре показывает, что максимальное упрочнение обеспечивается при естест­венном старении в течении четырех дней.

Близкими по химическому составу к дюралюминию, но в горячем состо­янии несколько более пластичными, чем они, являются алюминиевые спла­вы для поковок и штамповок, которые маркируют буквами АК (алюминий кованый) и порядковым номером (АК4, АК4-1, АК6 и АК8).

К группе деформируемых упрочняемых сплавов сплавов относят также бо­лее высокопрочные, чем дюралюминий, сплавы системы Al-Cu-Mg-Zn, назва­ние марок которых начинаются буквой В (высокопрочные)-это сплавы марок В93, В94, В95.

Характерной особенностью осноного химического состава сплавов В93, В94 и В95 является то, что при сравнительно небольшом содержании меди (0.8-2.4 %) и магния (1.2-2.8 %) в них вводят большое количество цинка (5-7 %). Цинк не образует упрочняющих фаз, но, входя в состав твердого раствора, увеличивает эффект старения, что приводит к значительному повышению твердости.

Среди неупрочняемых алюминиевых сплавов наибольшее значение приобре­ли сплавы на основе Al-Mn и Al-Mg.

Марганец и магний, так же как и медь, имеют ограниченную раствори­мость в алюминии, уменьшающуюся при снижении температуры. Однако эф­фект упрочнения при их термообработке невелик. Обьясняется это следу­щим образом.

В процессе кристаллизации при изготовлении сплавов, содержащих до 1,9% Mn, выделяющийся из твердого раствора избыточный марганец должен был бы образовать с алюминием растворимое в нем химическое соединение Al (MnFe), которое в алюминии не растворяется. Следовательно, последу­ющий нагрев выше линии предельной растворимости не обеспечивает обра­зование гомогенного твердого раствора, сплав остается гетерогенным, состоящим из твердого раствора и частиц Al (MnFe), а это приводит к невозможности закалки и последущего старения.

В случае системы Al-Mg причина отсутствия упрочнения при термической обработке иная. При содержании магния до 1,4% упрочнения быть не мо­жет, так как в этих пределах он растворяется в алюминии при комнатной температуре и никакого выделения избыточных фаз не происходит. При большем же содержании магния закалка с последущим химическим старением приводит к выделению избыточной фазы-химического соединения Mg Al . Однако свойства этого соединения таковы, что процессы, предшествующие его выделению, а затем и образующиеся включения не вызывают заметного эффекта упрочнения.

Несмотря на сказанное, введение и марганца, и магния в алюминий по­лезно. Они повышают его прочность и коррозионную стойкость (при содер­жании магния не более 3%). Кроме того, сплавы с магнием более легкие, чем чистый алюминий.

Значительное повышение прочности сплавов алюминия с марганцем и ма­гнием может быть достигнуто путем их пластической деформации. Накле­панные (нагартованные) изделия из этих сплавов обладают существенно более высокой прочностью, чем в отожженном состоянии. В сплаве АМц, например, при поклепе временное сопротивление повышается с 13 до 22 кГ/мм .

Название марок сплавов системы Al-Mn обозначают буквами АМц, а сис­темы Al-Mg буквами АМг, далее в обоих случаях следует цифра, указыва­ющая номер сплава.

Для получения литейных сплавов в алюминий вводят такие легирующие элементы и в таком количестве, чтобы обеспечить получение в их струк­туре эвтектики. Эвтектика легкоплавка и кристаллизуется при постоянной температуре, что создает хорошую жидкотекучесть, т.е. способность сплава в жидком состоянии хорошо заполнять литейную форму.

Применяемые в настоящее время литейные алюминиевые сплавы, делят на пять групп в зависимости от того, какой основной легирующий элемент введен в них. К группе 1 относят сплавы, легированные магнием, к груп­пе 2-кремнием, 3-медью, 4-одновременно кремнием и медью, к группе 5 относят сплавы, легируемые другими элементами, включающие в свой сос­тав иногда до пяти легирующих компонентов одновременно.

Марки литейных сплавов независимо от их принадлежности к той или иной группе обозначают буквами АЛ (алюминиевый литейный) и номером.

Наиболее характерные составы литейных алюминиевых сплавов всех пяти групп приведены в таблице. Там же указаны и другие марки сплавов, от­носящихся к каждой из этих групп.

Сплав алюминия с высоким содержанием магния (марка АЛ8) обладает на­иболее высокими механическими и антикоррозионными свойствами среди ли­тейных сплавов, но его литейные свойства существенно хуже, чем у дру­гих. Отливка изделий из него сопряжена с определенными технологически­ми трудностями.

Литейные сплавы с высоким содержанием кремнием часто называют силу­минами, т.е. так же, как и сырьевые двойные сплавы алюминия с кремни­ем. Нормальный силумин АЛ2, содержащий 10-13% Si, является сплавом с прекрасными литейными свойствами, но он недостаточно прочен и не мо­жет упрочняться путем термической обработки, так как кремний почти не­растворим в алюминии. В его структуре на фоне грубой эвтектики нахо­дятся крупные весьма твердые включения первичного кремния, что делает сплав малопластичным. Во избежания этого структуру измельчают путем модифицирования-введением перед отливкой незначительных количеств, на­пример натрия. Такой сплав называют модифицированным силумином.

Для повышения прочности силумина содержание кремния в нем снижают до 4,5-5,5%, но дополнительно вводят легирующие добавки меди, марганца и магния, например марка АЛЗ. Это делает его и более прочным и упрочня­емым при закалке и старении.

Силумин марки АЛ11, содержащий большое количество цинка, обладает особенно высокой жидкотекучестью; его применяют для получения отливок очень сложной конфигурации.

Легирование заметно улучшает свойства алюминия. Так только временное сопротивление алюминия разрыву повышается с 10 до 22 кГ мм в дюралю­минии марки Д16. В состоянии же максимального упрочнения прочность не­которых сплавов повышается до 58 кГ мм .

Высокий уровень механических свойств в сочетании с низкой удельной плотностью обеспечивает очень широкое применение алюминиевых сплавов в самых разнообразных отраслях, особенно в самолетостроении, авиамото­ростроении, транспортном машиностроении и др., где от снижения массы конструкции увеличивается ее полезная мощность.

Алюминиевая промышленность относительно новая, самая крупная и быс­трее всех растущая среди основных подотраслей цветной металлургии, а вместе с тем и наиболее монополизированная. В конце 70-х годов почти половина всего производства первичного алюминия в несоциалистических сранах была сосредоточена на заводах трех американских ("Алкоа", "Рей­нолдз металз" и "Кайзер алюминиум") и одной канадской ("Алкан") моно­полий, тесно связанной с американским капиталом. Они не только господ­ствуют в алюминиевой промышленности США и Канады, но и захватили важ­ные позиции в ряде европейских государств (особенно сильны они в Нор­вегии), в Японии и Австралии, в бокситодобывающих странах Центральной Америки и Африки. Предприятия широкоизвестных монополий французкой "Пешине С. А.", швейцарской "Алюсюис", западногерманской "Ферайнигте Алюминиумверке А. Г." и трех японских дают более 1 5 производства алю­миния в развитых капиталистических странах.

В 1950 г. алюминиевые заводы имелись в 12 промышленно развитых капи­талистических странах и лишь в одной развивающейся, причем 99% выплав­ки было сконцетрировано в шести главных капиталистических странах и четырех, где основную роль в электроэнергетики играли ГЭС-в Канаде, Норвегии, Австрии и Швейцарии. К 1977 г. доля последних четырех госу­дарств в мировом капиталистическом производстве упала более чем вдвое (до 8.9%), а число стран, производящих алюминий, превысило 30; среди них одиннадцать развивающихся: Гана, Индия, Бразилия, Бахрейн (c про­изводством свыше 100 тыс. т год), Аргентина, Суринам, Камерун (свыше 50 тыс. т), Венесуэла, Мексика, Иран, Южная Корея. Алюминиевой про­мышленностью обзавелись Австралия, Новая Зеландия, ЮАР и Исландия. Она теперь есть в преобладающем большинстве западноевропейских госу­дарств. Однако все вместе взятые, появившиеся после 1950 г., 19 новых производителей алюминия дают его меньше, чем одна Япония, опередившая по масштабам производства Канаду. Из европейских государств бедная гидроресурсами ФРГ опередила не только Францию и Италию, но и Норве­гию, а Нидерланды производят теперь больше алюминия, чем альпийские Швейцария и Австрия вместе взятые. Эти изменения-отчасти результат снижения удельной элекроемкости алюминиевого производства (с 22-25 тыс. кВт ч на 1 кг до 11-12 тыс. на новейших предприятиях подотрасли), а главным образом-изменившейся ситуации в электроэнергетике большин­ства государств: резкого падения доли ГЭС в электробалансе и переводе их в этой связи на работу преимущественно в пиковом и полупиковом ре­жиме; кроме того, благодаря техническому прогрессу, удешевилась выра­ботка элекроэнергии на ТЭС, особенно работающих на дешевом топливе. В большинстве экономически развитых стран новые алюминиевые заводы лока­лизуют в расчете на собственные топливные базы (например, в Руре) или на привозное топливо (близ Гамбурга, в портах Японии); в Великобрита­нии построен даже завод в расчете на получение электроэнергии от АЭС (на о-ве Энглси).

Большинство развитых капиталистических государств, в том числе все шесть главных держав, хотя и покрывают основную часть внутреннего спроса на алюминий собственным производством, являются все же его нет­то-импортерами. Важнейшими нетто-экспортерами остались Канада и Норве­гия. К числу "новых" экспортеров алюминия относятся-Гана, Камерун, Су­ринам, с недавних


29-04-2015, 03:09