Алюминий в машиностроении: Алюминий в машиностроении и кораблестроении — AlumSpace

Строительство

Энергетика

Потребительские товары

Упаковка

Применение алюминия и его сплавов в машиностроении. Сферы применения алюминия. Области применения алюминия

Одними из самых удобных в обработке материалов являются металлы. Среди них также есть свои лидеры. Так, например, основные свойства алюминия известны людям уже давно. Они настолько подходят для применения в быту, что данный металл стал очень популярным. Каковы же как простого вещества и как атома, рассмотрим в данной статье.

История открытия алюминия

Издавна человеку было известно соединение рассматриваемого металла — Оно использовалось как средство, способное набухать и связывать между собой компоненты смеси, это было необходимо и при выделке кожаных изделий. О существовании в чистом виде оксида алюминия стало известно в XVIII веке, во второй его половине. Однако при этом получено не было.

Сумел же выделить металл из его хлорида впервые ученый Х. К. Эрстед. Именно он обработал амальгамой калия соль и выделил из смеси серый порошок, который и был алюминием в чистом виде.

Тогда же стало понятно, что химические свойства алюминия проявляются в его высокой активности, сильной восстановительной способности. Поэтому долгое время с ним никто больше не работал.

Однако в 1854 году француз Девиль смог получить слитки металла методом электролиза расплава. Этот способ актуален и по сей день. Особенно массовое производство ценного материала началось в XX веке, когда были решены проблемы получения большого количества электроэнергии на предприятиях.

На сегодняшний день данный металл — один из самых популярных и применяемых в строительстве и бытовой промышленности.

Общая характеристика атома алюминия

Если характеризовать рассматриваемый элемент по положению в периодической системе, то можно выделить несколько пунктов.

1. Порядковый номер — 13.
2. Располагается в третьем малом периоде, третьей группе, главной подгруппе.
3. Атомная масса — 26,98.
4. Количество валентных электронов — 3.
5. Конфигурация внешнего слоя выражается формулой 3s 2 3p 1 .
6. Название элемента — алюминий.
7. выражены сильно.
8. Изотопов в природе не имеет, существует только в одном виде, с массовым числом 27.
9. Химический символ — AL, в формулах читается как «алюминий».
10. Степень окисления одна, равна +3.

Химические свойства алюминия полностью подтверждаются электронным строением его атома, ведь имея большой атомный радиус и малое сродство к электрону, он способен выступать в роли сильного восстановителя, как и все активные металлы.

Алюминий как простое вещество: физические свойства

Если говорить об алюминии, как о простом веществе, то он представляет собой серебристо-белый блестящий металл. На воздухе быстро окисляется и покрывается плотной оксидной пленкой. Тоже самое происходит и при действии концентрированных кислот.

Наличие подобной особенности делает изделия из этого металла устойчивыми к коррозии, что, естественно, очень удобно для людей. Поэтому и находит такое широкое применение в строительстве именно алюминий. также еще интересны тем, что данный металл очень легкий, при этом прочный и мягкий. Сочетание таких характеристик доступно далеко не каждому веществу.

Можно выделить несколько основных физических свойств, которые характерны для алюминия.

1. Высокая степень ковкости и пластичности. Из данного металла изготовляют легкую, прочную и очень тонкую фольгу, его же прокатывают в проволоку.
2. Температура плавления — 660 0 С.
3. Температура кипения — 2450 0 С.
4. Плотность — 2,7 г/см 3 .
5. Кристаллическая решетка объемная гранецентрированная, металлическая.
6. Тип связи — металлическая.

Физические и химические свойства алюминия определяют области его применения и использования. Если говорить о бытовых сторонах, то большую роль играют именно уже рассмотренные нами выше характеристики. Как легкий, прочный и антикоррозионный металл, алюминий применяется в самолето- и кораблестроении. Поэтому эти свойства очень важно знать.

Химические свойства алюминия

С точки зрения химии, рассматриваемый металл — сильный восстановитель, который способен проявлять высокую химическую активность, будучи чистым веществом. Главное — это устранить оксидную пленку. В этом случае активность резко возрастает.

Химические свойства алюминия как простого вещества определяются его способностью вступать в реакции с:

• кислотами;
• щелочами;
• галогенами;
• серой.

С водой он не взаимодействует при обычных условиях. При этом из галогенов без нагревания реагирует только с йодом. Для остальных реакций нужна температура.

Можно привести примеры, иллюстрирующие химические свойства алюминия. Уравнения реакций взаимодействия с:

• кислотами — AL + HCL = AlCL 3 + H 2 ;
• щелочами — 2Al + 6H 2 O + 2NaOH = Na + 3Н 2 ;
• галогенами — AL + Hal = ALHal 3 ;
• серой — 2AL + 3S = AL 2 S 3 .

В целом, самое главное свойство рассматриваемого вещества — это высокая способность к восстановлению других элементов из их соединений.

Восстановительная способность

Восстановительные свойства алюминия хорошо прослеживаются на реакциях взаимодействия с оксидами других металлов. Он легко извлекает их из состава вещества и позволяет существовать в простом виде. Например: Cr 2 O 3 + AL = AL 2 O 3 + Cr.

В металлургии существует целая методика получения веществ, основанная на подобных реакциях. Она получила название алюминотермии. Поэтому в химической отрасли данный элемент используется именно для получения других металлов.

Распространение в природе

По распространенности среди других элементов-металлов алюминий занимает первое место. Его в земной коре содержится 8,8 %. Если же сравнивать с неметаллами, то место его будет третьим, после кислорода и кремния.

Вследствие высокой химической активности он не встречается в чистом виде, а лишь в составе различных соединений. Так, например, известно множество руд, минералов, горных пород, в состав которых входит алюминий. Однако добывается он только из бокситов, содержание которых в природе не слишком велико.

Самые распространенные вещества, содержащие рассматриваемый металл:

• полевые шпаты;
• бокситы;
• граниты;
• кремнезем;
• алюмосиликаты;
• базальты и прочие.

В небольшом количестве алюминий обязательно входит в состав клеток живых организмов. Некоторые виды плаунов и морских обитателей способны накапливать этот элемент внутри своего организма в течение жизни.

Получение

Физические и химические свойства алюминия позволяют получать его только одним способом: электролизом расплава соответствующего оксида. Однако процесс этот технологически сложен. Температура плавления AL 2 O 3 превышает 2000 0 С. Из-за этого подвергать электролизу непосредственно его не получается. Поэтому поступают следующим образом.

Выход продукта составляет 99,7 %. Однако возможно получение и еще более чистого металла, который используется в технических целях.

Применение

Механические свойства алюминия не столь хороши, чтобы применять его в чистом виде. Поэтому чаще всего используются сплавы на основе данного вещества. Таких много, можно назвать самые основные.

1. Дюралюминий.
2. Алюминиево-марганцевые.
3. Алюминиево-магниевые.
4. Алюминиево-медные.
5. Силумины.
6. Авиаль.

Основное их отличие — это, естественно, сторонние добавки. Во всех основу составляет именно алюминий. Другие же металлы делают материал более прочным, стойким к коррозии, износоустойчивым и податливым в обработке.

Можно назвать несколько основных областей применения алюминия как в чистом виде, так и в виде его соединений (сплавов).

Вместе с железом и его сплавами алюминий — самый важный металл. Именно эти два представителя периодической системы нашли самое обширное промышленное применение в руках человека.

Свойства гидроксида алюминия

Гидроксид — самое распространенное соединение, которое образует алюминий. Свойства химические его такие же, как и у самого металла, — он амфотерный. Это значит, что он способен проявлять двойственную природу, вступая в реакции как с кислотами, так и со щелочами.

Сам по себе гидроксид алюминия — это белый студенистый осадок. Получить его легко при взаимодействии соли алюминия с щелочью или При взаимодействии с кислотами данный гидроксид дает обычную соответствующую соль и воду. Если же реакция идет с щелочью, то формируются гидроксокомплексы алюминия, в которых его координационное число равно 4. Пример: Na — тетрагидроксоалюминат натрия.

– уникальный по физико-химическим параметрам материал, с небольшой плотностью, относительно малым весом, отличными антикоррозионными свойствами, высокой электро и теплопроводностью.

Хорошо поддаётся обработке давлением в холодном состоянии.

Особенно широкое распространение получили сплавы алюминия . Основная причина этого в том, что чистый алюминий обладает недостаточной механической прочностью для решения большинства технических задач. Путём введения легирующих элементов в алюминиевый сплав, прокат на выходе приобретает новые положительные свойства. Значительно увеличивается прочность, твердость, жаростойкость алюминиевого сплава, снижается электропроводность и коррозионная стойкость.

В силу своих отличных свойств, алюминий и его сплавы нашли широкое применение во многих отраслях промышленности:

• авиастроении
• автопроме
• машиностроении
• электротехнической промышленности
• приборостроении
• строительстве
• химической промышленности
• производстве товаров народного потребления

В авиастроении алюминиевые сплавы благодаря своей легкости и прочности стали главным материалом используемым в производстве. Из сплавов алюминия производят авиаконструкции, моторы, блоки, головки цилиндров, картеры, коробки передач, насосы и другие детали.

В электротехнике серебристо-белый металл и его сплавы широко применяют в производстве кабельно-проводниковой продукции, конденсаторов, выпрямителей переменного тока.

В приборостроении алюминий используют для изготовления фото- и киноаппаратуры, радиотелефонной аппаратуры, разнообразных контрольно- измерительных приборов.

Благодаря его высокой коррозионной стойкости и не токсичности нашел широкое применение при изготовлении оборудования для производства и хранения концентрированной азотной кислоты, пероксида водорода, органических веществ и пищевых продуктов.
Фольга из алюминия — широко распространённый упаковочный материал. Из алюминия изготавливают тару для консервирования и хранения продуктов сельского хозяйства, а также используют для строительства зернохранилищ и других быстровозводимых сооружений, используемых на селе.
Алюминиевые сплавы применяются в военной промышленности при производстве авиации, артиллерии, танков, ракет и взрывчатых веществ.
Чистый алюминий, с минимальным содержанием сторонних примесей активно используют в ядерной энергетике, полупроводниковой электронике, радиолокации.

Алюминиевое напыление широко используют в качестве антикоррозионного покрытия для защиты металла от воздействия разнообразных химических веществ и атмосферной коррозии.

Высокую отражающую способность алюминия используют при производстве нагревательных, осветительных рефлекторов и зеркал

Алюминий применяют в металлургии в качестве восстановителя при получении таких металлов как хром, кальций, марганец. Алюминий используют для раскисления стали и сварки стальных элементов.

В гражданском строительстве сплавы алюминия используют для создания каркасов зданий, ферм, оконных рам, лестниц и др. За рубежом, а в частности в Канаде, доля алюминия в этой отрасли составляет ≈ 30 % от общего потребления, в Соединённых Штатах — более 20 %.

Резюмируя вышесказанное можно с уверенностью сказать, что алюминий и его сплавы прочно удерживают лидирующее место среди цветных металлов по масштабам использования их в производстве и промышленности.

В настоящее время алюминий и его сплавы применяют во многих областях промышленности и техники. Прежде всего алюминий и его сплавы используют авиационная и автомобильная отрасли промышленности. Широко применяется алюминий и в других отраслях промышленности: в машиностроении, электротехнической промышленности и приборостроении, промышленном и гражданском строительстве, химической промышленности, производстве предметов народного потребления.

В авиапромышленности алюминий стал главным металлом благодаря тому, что его использование позволило решить задачу уменьшения массы транспортных средств и резко увеличить эффективность их применения. Из алюминия и его сплавов изготовляют авиаконструкции, моторы, блоки, головки цилиндров, картеры, коробки передач, насосы и другие детали.

В электротехнической промышленности алюминий и его сплавы применяют для изготовления кабелей, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей переменного тока. В приборостроении он используется при производстве кино- и фотоаппаратуры, радиотелефонной аппаратуры, различных контрольно-измерительных приборов.

Алюминий начали широко применять при изготовлении аппаратуры для производства и хранения крепкой азотной кислоты, пероксида водорода, органических веществ и пищевых продуктов благодаря его высокой коррозионной стойкости и нетоксичности.

Алюминиевая фольга стала очень распространенным упаковочным материалом, так как она гораздо прочнее и дешевле оловянной. Также алюминий стал широко использоваться для изготовления тары для консервирования и храпения продуктов сельского хозяйства. Но хранение не ограничивается маленькими баночками, алюминий используется для строительства зернохранилищ и других быстровозводимых сооружений, востребованных в сельском хозяйстве.

Также широко алюминий применяется в военной промышленности при строительстве самолетов, танков, артиллерийских установок, ракет, зажигательных веществ, и дл многих других целей в военной технике.

Широкое применение алюминий высокой чистоты находит в таких новых областях техники как ядерная энергетика, полупроводниковая электроника, радиолокация.

Большое распространение алюминий получил как антикоррозийное покрытие, он прекрасно защищает металлические поверхности от действия различных химических веществ и атмосферной коррозии, по этому широко используется в сфере производства различного .

Широко используется еще одно полезное свойство алюминия — его высокая отражающая способность. Поэтому из него изготовливаются различные отражающие поверхностеи нагревательных и осветительных рефлекторов и зеркал.

Алюминий используют в металлургической промышленности в качестве восстановителя при получении ряда металлов, таких как хром, кальций, марганец. Он также используется для раскисления стали и сварки стальных деталей.

Не обойтись без алюминия и его сплавов сплавы в промышленном и гражданском строительстве. Он используется для изготовления каркасов зданий, ферм, оконных рам, лестниц и др. В Канаде, например, расход алюминия для этих целей составляет около 30 % от общего потребления, в США- более 20 %.

Исходя из всех вышеперечисленных способов применения алюминия, можно сказать, что алюминий прочно занял первое место среди других цветных металлов по масштабам производства и значению в хозяйстве

Алюминий обладает многими ценными свойствами:

• небольшой плотностью — около 2,7 г/см 3 ,
• высокой теплопроводностью и высокой электропроводностью 13,8 107 Ом/м,
• хорошей пластичностью и достаточной механической прочностью.

Алюминий образует сплавы со многими элементами . В сплавах алюминий сохраняет свои свойства. В расплавленном состоянии Al жидкотекуч и хорошо заполняет формы, в твердом виде он хорошо деформируется и легко поддается резанию, пайке и сварке.

Сродство алюминия к кислороду очень большое . При его окислении выделяется большое количество тепла (~ 1670000Дж/моль). Тонкоизмельченный алюминий при: нагревании воспламеняется и сгорает на воздухе. Al соединяется с кислородом воздуха и в атмосферных условиях. При этом алюминий покрывается тонкой (толщиной ~ 0,0002 мм) плотной пленкой окиси алюминия, защищающей его от дальнейшего окисления; поэтому Al стоек против коррозии. Поверхность Al хорошо защищается от окисления этой пленкой и в расплавленном состоянии.

Из сплавов алюминия наибольшее значение имеют дюралюминий и силумины . В состав дюралюминия, кроме Al, входят 3,4-4% меди, 0,5% Mn и 0,5% Mg, допускается не более 0,8% Fe и 0,8% Si . Дюралюминий хорошо деформируется и по своим механическим свойствам близок к некоторым сортам стали, хотя он в 2,7 раза легче стали (плотность дюралюминия 2,85 г/см 3 ).

Механические свойства этого сплава повышаются после термической обработки и деформации в холодном состоянии. Сопротивление на разрыв повышается со 147-216 МПа до 353 — 412 МПа, а твердость по Бринелю с 490-588 до 880-980 МПа. При этом относительное удлинение дюралюминия почти не изменяется и остается достаточно высоким (18-24 %).

Силумины — литейные сплавы алюминия с кремнием. Они обладают хорошими литейными качествами и механическими свойствами.

Применение

Алюминий и сплавы широко применяют во многих отраслях промышленности, в том числе в авиации, транспорте, металлургии, пищевой промышленности и др . Из алюминия и его сплавов изготовляют корпуса самолетов, моторы, блоки цилиндров, коробки передач, насосы и другие детали в авиационной, автомобильной и тракторной промышленности, сосуды для хранения химических продуктов. Алюминий широко применяют в быту, пищевой промышленности, в ядерной энергетике и электронике. Многие части искусственных спутников нашей планеты и космических кораблей изготовлены из алюминия и его сплавов.

Вследствие большого химического сродства алюминия к кислороду его применяют в черной металлургии как раскислитель, а также для получения при использовании так называемого алюминотермического процесса трудно восстанавливаемых металлов (кальция, лития и др .). По общему производству металла в мире алюминий занимает второе место после железа.

Алюминий — химический элемент третьей группы периодической систе-

мы элементов Д. И. Менделеева. Его порядковый номер 13, атомная масса

26,98. Устойчивых изотопов алюминии не имеет.

Химические свойства

Взаимодействие с неметаллами

С кислородом взаимодействует только в мелкораздробленном состоянии при высокой температуре:

4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 ,

реакция сопровождается большим выделением тепла.

Выше 200°С реагирует с серой с образованием сульфида алюминия:

2Al + 3S = Al 2 S 3 .

При 500°С – с фосфором, образуя фосфид алюминия:

При 800°С реагирует с азотом, а при 2000°С – с углеродом, образуя нитрид и карбид:

2Al + N 2 = 2AlN,

4Al + 3C = Al 4 C 3 .

С хлором и бромом взаимодействует при обычных условиях, а с йодом при нагревании, в присутствии воды в качестве катализатора:

2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3

С водородом непосредственно не взаимодействует.

С металлами образует сплавы, которые содержат интерметаллические соединения – алюминиды, например, CuAl 2 , CrAl 7 , FeAl 3 и др.

Взаимодействие с водой

Очищенный от оксидной пленки алюминий энергично взаимодействует с водой:

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2

в результате реакции образуется малорастворимый гидроксид алюминия и выделяется водород.

Взаимодействие с кислотами

Легко взаимодействует с разбавленными кислотами, образуя соли:

2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 ;

2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 ;

8Al + 30HNO 3 = 8Al(NO 3) 3 + 3N 2 O + 15H 2 O (в качестве продукта восстановления азотной кислоты также может быть азот и нитрат аммония).

С концентрированной азотной и серной кислотами при комнатной температуре не взаимодействует, при нагревании реагирует с образованием соли и продукта восстановления кислоты:

2Al + 6H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O;

Al + 6HNO 3 = Al(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O.

Взаимодействие со щелочами

Алюминий – амфотерный металл, он легко реагирует со щелочами:

в растворе с образованием тетрагидроксодиакваалюмината натрия:

2Al + 2NaOH + 10H 2 O = 2Na + 3H 2

при сплавлении с образованием алюминатов:

2Al + 6KOH = 2KAlO 2 + 2K 2 O + 3H 2 .

Восстановление металлов из оксидов и солей

Алюминий – активный металл, способен вытеснять металлы из их оксидов. Это свойство алюминия нашло практическое применение в металлургии:

2Al + Cr 2 O 3 = 2Cr + Al 2 O 3 .

Области применения

Алюминий обладает целым рядом свойств, которые выгодно отличают его от других металлов. Это − небольшая плотность алюминия, хорошая пластичность и достаточная механическая прочность, высокие тепло- и электропроводность. Алюминий нетоксичен, немагнитен и коррозионностоек к ряду химических веществ. Благодаря всем этим свойствам, а также относительно невысокой стоимости по сравнению с другими цветными металлами он нашел исключительно широкое применение в самых различных отраслях современной техники.

Значительная часть алюминия используется в виде сплавов с кремнием медью, магнием, цинком, марганцем и другими металлами. Промышленные алюминиевые сплавы обычно содержат не менее двух−трех легирующих элементов, которые вводятся в алюминий главным образом для повышения механической прочности.

Наиболее ценные свойства всех алюминиевых сплавов − малая плотность

(2,65÷2,8), высокая удельная прочность (отношение временного сопротивления к плотности) и удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии.

Алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы подвергают горячей и холодной обработке давлением, поэтому они должны обладать высокой пластичностью. Из деформируемых сплавов широкое применение нашли дуралюмины − сплавы алюминия с медью, магнием и марганцем. Имея небольшую плотность, дуралюмины по механическим свойствам близки к мягким сортам стали. Из деформируемых

алюминиевых сплавов, а также из чистого алюминия в результате обработки давлением (прокатка, штамповка) получают листы, полосы, фольгу, проволоку, стержни различного профиля, трубы. Расход алюминия на изготовление этих полуфабрикатов составляет около 70 % его мирового производства.

Остальной алюминий применяется для изготовления литейных сплавов, порошков, раскислителей, а также для других целей.

Из литейных сплавов получают фасонные отливки различной конфигурации. Широко известны литейные сплавы на основе алюминия − силумины, в которых основной легирующей добавкой служит кремний (до 13%).

В настоящее время алюминий и его сплавы используют практически во всех областях современной техники. Важнейшие потребители алюминия и его сплавов — авиационная и автомобильная отрасли промышленности, железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая промышленность и приборостроение, промышленное и гражданское строительство, химическая промышленность, производство предметов народного потребления.

Использование алюминия и его сплавов во всех видах транспорта и в первую очередь − воздушного позволило решить задачу уменьшения собственной (“мертвой”) массы транспортных средств и резко увеличить эффективность их

применения. Из алюминия и его сплавов изготавливают авиаконструкции, моторы, блоки, головки цилиндров, картеры, коробки передач, насосы и другие детали.

Алюминием и его сплавами отделывают железнодорожные вагоны, изготавливают корпуса и дымовые трубы судов, спасательные лодки, радарные мачты, трапы.

Широко применяют алюминий и его сплавы в электротехнической промышленности для изготовления кабелей, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей переменного тока. В приборостроении алюминий и его сплавы используют в производстве кино- и фотоаппаратуры, радиотелефонной аппаратуры, различных контрольно-измерительных приборов.

Благодаря высокой коррозионной стойкости и нетоксичности алюминий широко применяют при изготовлении аппаратуры для производства и хранения крепкой азотной кислоты, пероксида водорода, органических веществ и пищевых продуктов. Алюминиевая фольга, будучи прочнее и дешевле оловянной, полностью вытеснила ее как упаковочный материал для пищевых продуктов. Все более широко используется алюминий при изготовлении тары для консервирования и хранения продуктов сельского хозяйства, для строительства зернохранилищ и других быстровозводимых сооружений. Являясь одним из важнейших стратегических металлов, алюминий, как и его сплавы, широко используется в строительстве самолетов, танков, артиллерийских установок, ракет, зажигательных веществ, а также для других целей в военной технике.

Алюминий высокой чистоты находит широкое применение в новых областях техники − ядерной энергетике, полупроводниковой электронике, радиолокации, а также для защиты металлических поверхностей от действия раз личных химических веществ и атмосферной коррозии. Высокая отражающая способность такого алюминия используется для изготовления из него отражающих поверхностей нагревательных и осветительных рефлекторов и зеркал.

В металлургической промышленности алюминий используют в качестве восстановителя при получении ряда металлов (например, хрома, кальция, марганца) алюмотермическими способами, для раскисления стали, сварки стальных деталей.

Широко применяют алюминий и его сплавы в промышленном и гражданском строительстве для изготовления каркасов зданий, ферм, оконных рам, лестниц и др. По масштабам производства и значению в народном хозяйстве алюминий прочно занял первое место среди других цветных металлов.

Материалы в машиностроении

Материалы, используемые в машиностроении

Замечание 1

В машиностроении любое изделие, оборудование, деталь из которых они состоят, изготавливают из материалов, которые удовлетворяют техническим, экологическим, экономическим, эксплуатационным и другим требованиям, обеспечивая при этом выполнение их назначения. Такие материалы называются конструкционными.

Такие детали несомненно должны выдерживать как внешнее, так и внутреннее физическое воздействие (шумоизоляция, теплоизоляция, герметизация и т.п.).

Данные способности материалов проверяются при анализе их свойств.

Существует довольно широкий спектр конструкционных материалов, выбором наиболее подходящего для того или иного изделия материала, удовлетворяющего все требования и себестоимость, занимаются конструкторы.

Металлы и сплавы

В машиностроении под металлами может пониматься как химический элемент, так и его примеси, или сплавы, которые различаются рядом свойств:

1. Металлический блеск
2. Высокая тепло- и электропроводность
3. Непрозрачность
4. Способность подвергаться обработке в холодном и горячем состоянии

Металлы хорошо образуют химические соединения с неметаллами (оксиды, нитриды, бориды и т. п.), а также с другими металлами (интерметаллиды). Машиностроительные предприятия активно используют более 60 видов металлов, на их основе более 5000 сплавов.

Определение 1

Сплав – это твердый материал, образованный путем смешивание двух и более компонентов

Сплавы могут создаваться как при чистом физическом процессе (плавка, растворение, перемешивание), так и химическими воздействиями между элементами.

Сплавы на основе металлов называются черными, на основе других элементов – цветными.

Легкие цветные металлы сделаны на основе алюминия, магния, титана и имеют малую плотность, тяжелые же, с высокой плотностью изготовлены на основе олова, свинца, меди.

Чугун

Один из наиболее распространенных металлов в машиностроении. Чугун подразделяется на белый, серый, ковкий, высокопрочный.

Белый чугун используется в основном для переделки в сталь, он получается при быстром охлаждении при заливки металла в форму. Имеет уменьшенное количество кремния или повышенное содержание магния.

При долгом отжиге белого чугуна получают ковкий чугун, он довольно хрупкий и применяется при производстве зубчатых колес, звеньев цепей, хомуты, муфты и т.п., так как не предусматривает механического воздействия.

Серый чугун имеет повышенное содержание кремния, и является основным материалом для изготовления отливок. Со временем путем воздействия на графит в момент нахождения в жидком состоянии, удалось вывести модифицированный чугун, который имеет повышенную прочность.

Сталь

Сталь наиболее распространенный материал в машиностроении. Он обладает ковкостью, высокой прочностью, вязкостью, хорошо обрабатывается.

Стали разделяются на углеродистые и легированные.

Из стали изготавливаются такие изделия как: прокат, штамповые болты, штыри, свариваемые детали, сверла, зубила, валу, зубчатые колеса и т.п.

Твердые сплавы

Свое место твердые сплавы нашли в горнодобывающей, металлообрабатывающей и других отраслях промышленности. Режущие инструменты, изготовленные из твердых сплавов могут работать в несколько раз более производительнее, чем простые режущие сплавы.

Одним из самых прочных, но довольно молодых сплавов считается титан. К тому же такие сплавы вдвое легче. Такие сплавы применяются в изготовлении сверхзвуковых самолетов, так как титан способен выдерживать температуры превышающие 500 градусов.

К тому же титан обладает коррозийной стойкостью, не окисляясь в агрессивной среде.

Алюминий и алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы широко применяются при производстве автомобилей, самолетов, приборостроении, тракторной промышленности, многие отрасли промышленности используют алюминий на производстве.

Алюминий наиболее распространенный химический элемент после кислорода. Отлично поддается штамповки, ковке, и отливу. К тому же он гораздо легче чугуна и стали. Обладает хорошей электропроводностью.

Другие металлы

Медь широко применяется в производстве токопроводящих деталей. Медь тяжелее стали и чугуна. Обладает хорошей пластичностью.

Свинец плохой проводник тепла и тока. В промышленности применяется при производстве аккумуляторов, кабеля и т. п. Он очень мягкий и пластичный. Часто используется в соединении с другими металлами.

Цинк, своего рода тяжелый металл с сильным металлическим блеском. Большое количество цинка используется для шинкования деталей. В основном цинк применяется в сплавах. Так же цинк применяют при производстве белил.

Олово, довольно мягкий металл, широко применяемы в быту и промышленности, за счет устойчивости к воздуху, воды, слабым кислотам. Так же олово входит в состав припоев, антифрикционных сплавов и бронз.

Баббиты – это сплав на основе меди, цинка и олова, алюминия. В основном применяются для заливки подшипников в двигателях, турбин, насосов и т.п.

Бронза, разделяется на оловянную бронзу и без оловянную. Оловянные бронзы обладают высокой антикоррозийностью, а также высокими литейными свойствами. Но широкого применения они не нашли, так как олово достаточно дорогой и дефицитный металл. Зато без оловянные бронзы нашли широкое применение в промышленности.

Неметаллические материалы, используемые в машиностроении

Основой машиностроения служат металлы, но также свое применение находят и ряд неметаллических материалов. Практически все они плохо передают тепло, прочные, легкие, а также на порядок дешевле металлов.

Примеры неметаллических материалов:

1. Стекло органическое
2. Пресс-материал, используется для изготовления различных деталей путем прессования.
3. Текстолит конструкционный
4. Гетинакс, применяется для изготовления подшипников, маховиков и тп.
5. Паронит, служит для выпуска прокладок между неподвижными металлическими деталями
6. Пластины резиновые и резинотканевые
7. Войлок технический
8. Водостойкий, обивочный картон
9. Ткань асбестовая

Алюминий – самый необходимый металл в машиностроении

пн, 2016-08-29 15:47

Поделиться

Алюминий – самый необходимый металл в машиностроении

Алюминий, 13-й элемент таблицы Менделеева, был открыт в 1825 году датским физиком Гансом Эрстедом.  

С того момента, как он смог его выделить, человечество осознало, насколько великолепны качества этого металла, но до недавнего времени он считался очень дорогим, а значит непригодным для построения машин материалом. Изобретение более дешевых производственных процессов и сильных алюминиевых сплавов полностью изменили целые отрасли машиностроения в начале 20-го века. И сегодня мы хотим рассказать короткую историю алюминия, как материала, из которого сейчас создают практически все двигатели в спецтехнику и автомобили.

О возможности использовать алюминий в создании двигателей впервые задумались братья Райт, те самые пионеры авиастроения, которые сумели подчинить себе небо. 

Братья Райт и их деревянный самолет

Их первые самолеты строились из прочных сортов древесины и стальных конструкций, а крылья обтягивались холстом для улучшения аэродинамических свойств. Но все равно самолеты весили много и были неповоротливы, ведь долгое время двигатели всех машин делались из чугуна – металла очень крепкого и надежного, но невероятно тяжелого. И братья Райт задумались над созданием своего собственного двигателя, узлы которого демонстрировали бы такую же прочность и износостойкость, но были бы значительно легче. 

Первый в мире алюминиевый двигатель братьев Райт

Зная о свойствах алюминия, как металла очень крепкого, но легкого, они первые в мире применили его для построения двигателей. А чтобы конкуренты не прознали об этом, выкрашивали свои моторы в черный цвет, имитируя цвет чугуна.

На сегодняшний день ученым известно, что 8% всей земной коры состоит из алюминия.

Вот из таких бокситов добывается алюминий

Но, долгое время этот металл являлся настолько дорогостоящим, что никому и в голову не приходило строить из него большие агрегаты. Еще Наполеон (1769-1821) знал о его существовании и свойствах, мечтая делать из алюминия броню и оружие, но на тот момент процесс выделения и очистки этого вещества был невероятно сложен и дорогостоящ. Поэтому, Наполеон, не имея возможности применить алюминий в войне, имел его в своем распоряжении лишь на кухне. 

Столовые приборы Наполеона, сделанные из алюминия

Из этого материала у него были сделаны шикарные столовые приборы – вилки, ложки и тарелки, которые подавали только самым высокопоставленным и уважаемым людям (все остальные на обеде с Наполеоном «довольствовались» приборами из золота и серебра).

В 1880 году человечество научилось производить алюминий в промышленных масштабах, и буквально за несколько лет из самого дорогого металла на планете он превратился в доступное вещество, опустившись в цене в начале 20-го века с $1200 за килограмм до $1.

Именно этот рост научно-технического прогресса и падение цены позволили братьям Райтам обратить свой взор на алюминий, как материал для строительства двигателей.

Впрочем, алюминий, который они использовали, совсем не походил на знакомый нам сплав. Из-за отсутствия в нем необходимых добавок и неумения поддавать металл мощным тепловым обработкам, тот алюминиевый сплав отличался чрезмерной мягкостью, и узлы, сделанные из него, довольно быстро деформировались. Поэтому, вплоть до начала Первой мировой войны, все транспортные моторы, по большей части, продолжали делать из чугуна.

Лишь случайное открытие немецкого ученого Альфреда Вильма изменило эту ситуацию. В начале 20 века этот гениальный инженер трудился над «упрочнением» алюминиевых сплавов, работая в лаборатории, расположенной в пригороде Берлина – поселке Дюрен. В 1906 году он экспериментировал над сплавом, имеющим в своем составе 95% алюминия, 4% меди, 0,5% магния и 0,5% марганца. Нагрев его до высоких температур, и резко охладив, Вильм увидел, что полученное вещество не демонстрирует требуемой жесткости. Разочарованный, он покинул лабораторию, однако, по прошествии нескольких дней, понял, что металл почему-то упрочнился, приобретя крепость чугуна. 

Так выглядит дюралюминий

Внешне он не видоизменялся, но чем больше рос его возраст, тем крепче и плотнее он становился. Оказалось, что под воздействием времени, атомы меди сливаются с атомами алюминия,  выстраиваются в плотную кубическую решетку, в которой практически нет «щелей». Так металл приобретает жесткость и стойкость к деформации.

В итоге, этот процесс назвали старением алюминия, а в 1911 году Вильм запатентовал свое открытие, назвав сплав дюралюминием – по названию города, в котором он творил. Именно по причине наличия такой технологии, в Первую мировую войну немецкие самолеты «юнкерсы» были самыми совершенными и маневренными, ведь узлы их двигателей создавались уже из прочного, но легкого вещества.

Самолет Junkers времен Первой мировой

Позже усовершенствованный дюралюминий стали применять для создания всех транспортных моторов и самолетных фюзеляжей.

На сегодняшний день 13% добытого алюминия идет на создание различных кабелей в энергетическом секторе, так как этот металл, наравне с медью, является превосходным проводником. Но, чтобы проводить одинаковый ток, алюминиевые провода могут быть в 1,5 раза тоньше медных. Это уменьшает нагрузку на столбы электропередач, и позволяет увеличить расстояние между ними, что в свою очередь приводит к необходимости установки меньшего их количества. Так, алюминий является не только незаменимым при создании двигателей, но и оказывает значительное влияние на энергетическую и строительную отрасли. Сегодня 23% добытого человечеством алюминия потребляет именно строительная индустрия, которая использует его, в том числе, чтобы строить огромные небоскребы.

Производство металлопластиковых окон

Только в последние годы у алюминия стали появляться конкуренты – различные композитные материалы, способные его заменить. Однако, пока, в основном, они находятся на стадии тестирования, и в широкое применение пока не поступают. 

Сплавы из алюминия и их применение :: ТОЧМЕХ

Легирование

Алюминий применяют для производства из него изделий и сплавов на его основе.

Легирование — процесс введения в расплав дополнительных элементов, улучшающих механические, физические и химические свойства основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, проводимых на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции.

Введение различных легирующих элементов в алюминий существенно изменяет его свойства, а иногда придает ему новые специфические свойства.

Прочность чистого алюминия не удовлетворяет современные промышленные нужды, поэтому для изготовления любых изделий, предназначенных для промышленности, применяют не чистый алюминий, а его сплавы.

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

Алюминиевые сплавы по способу изготовления из них изделий делят на две группы:
1) деформируемые (имеют высокую пластичность в нагретом состоянии),
2) литейные (имеют хорошую жидкотекучесть).

Такое деление отражает основные технологические свойства сплавов. 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, но также и двойные сплавы алюминия с кремнием, которые содержат 10-13 % Si, и немного отличаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общее содержание примесей в них 0.5-1.7 %. Эти сплавы называют силуминами. Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. 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.

Дюралюминии — сплавы алюминия с медью

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 %.

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 искусственное старение. В этом случае процесс совершается быстро, но упрочнение происходит меньшее. Объясняется 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.

Сплавы алюминия с марганцем и магнием

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. Объясняется это следующим 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 последующим 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 заметногоэффекта упрочнения. Несмотря на это, 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.

Другие легирующие элементы

Также для улучшения некоторых характеристик алюминия в качестве легирующих элементов используются:

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, свинец, олово, 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 меди. Индиевые добавки используются в алюминиево — кадмиевых подшипниковых сплавах.

Кадмий. Примерно 0,3% кадмия вводят для повышения прочности и улучшения коррозионных свойств сплавов.

Кальций придает 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.

Олово улучшает обработку резанием.

Титан. Основная задача титана в сплавах — измельчение зерна в отливках и слитках, что очень повышает прочность и равномерность свойств во всем объеме.

Применение алюминиевых сплавов

Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей и химикатов и в большинстве пищевых продуктов. Последнее свойство в сочетании с тем, что алюминий не разрушает витамины, позволяет широко использовать его в производстве посуды. Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют в морской воде. Алюминий в большом объеме 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. Алюминий также широко применяется в машиностроении, т.к. обладает хорошими физическими качествами.

Но главная отрасль, в настоящее время просто не мыслимая без использования алюминия — это, конечно, авиация. Именно в авиации наиболее полно нашли применение всем важным характеристикам алюминия

• Полный каталог статей

Алюминий и его сплавы

Алюминий (Al) — это легкий цветной металл (его плотность составляет 2,71 г/см³) с невысокой температурой плавления (660 °С). По распространенности в земной коре Аl занимает первое место — 8,8 % (для сравнения Fe — 4,65 %, Mg — 2,4 %, Ti — 6,3·10^-3 %, Ni — 8·10^-3 %, Сu — 4,7·10^-3 %). Его предел прочности при растяжении σ_в = 80…100 МПа; твердость — 25 НВ. Алюминий отличается пластичностью, легко поддается обработке давлением. После холодной прокатки алюминия его предел прочности (σ_в) увеличивается до 180…250 МПа, а твердость — до 45…60 НВ. Впервые алюминий в свободном виде получил в 1825 г. датский ученый Х.К. Эрстед. Однако высокая химическая активность алюминия и, следовательно, высокая стойкость образуемых химических соединений долго не позволяли наладить его производство. Кроме того, производство алюминия требует больших энергетических затрат. Наличие мощных электростанций и создание надежных технологий получения этого металла из руды, выдвинули алюминий и его сплавы на одно из ведущих мест среди цветных металлов по значимости и объему применения в современном машиностроении.

В полупроводниковой и ядерной технике и химической промышленности используется алюминий высокой чистоты (марок А995, А99, А97, А95), содержащий от 0,005 до 0,05 % примесей. Алюминий промышленной чистоты (марок А85, А8, А7, А6, А5, А0, А, АЕ), содержащий от 0,15 до 1 % примесей, используется в электротехнической промышленности, а также для производства сплавов. Чистый алюминий в машиностроении используется незначительно (в основном, применяются сплавы алюминия).

Для получения сплавов используется алюминий, выпускаемый в виде чушек.

Сплавы на основе алюминия классифицируются по степени упрочнения после термической обработки, по эксплуатационным свойствам, по технологии изготовления деталей. По последнему признаку различают алюминиевые сплавы литейные и деформируемые. Основными примесями в алюминии и его сплавах являются Fe и Si. Железо, образуя интерметаллиды, снижает пластичность алюминия и его сплавов. В отношении термической обработки сплавы алюминия бывают не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

Алюминиевые сплавы образуют твердые растворы, эвтектики, интерметаллидные фазы. Для них применяют закалку и старение, а также отжиг. При закалке температура нагрева сплава находится в интервале 485…525 °С. При этом для каждого сплава используется более узкий интервал в пределах этих температур, поскольку повышение температуры выше закалочной ведет к пережогу (оплавлению по границам зерен). Выдержка при нагреве должна быть минимальной, обеспечивающей полное растворение избыточных фаз в твердом растворе. После охлаждения детали подвергают старению. Старение производится при комнатной температуре (естественное старение) и продолжается несколько суток или при температуре 150…200 °С — 10…24 часа (искусственное старение). Закалка и старение увеличивают твердость и σ_в обрабатываемых сплавов. Для некоторых сплавов при оптимальных условиях старения эти показатели могут увеличиться в два раза.

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг сплава производится перед его обработкой давлением для устранения в слитках дендритной ликвации, которая приводит к неоднородности структуры, и измельчению зерна. Такой отжиг производится при температуре 450…520 °С с последующим охлаждением сплава вместе с печью или на воздухе.

Рекристаллизационный отжиг производят при нагреве сплава до температуры 350…500 °С (в зависимости от состава сплава).

Для разупрочнения закаленных сплавов производят их отжиг при температуре 350…460 °С с выдержкой при этой температуре 1,5…2 часа. При этом происходит полный распад пересыщенных твердых растворов и коагуляция упрочняющих фаз.

Сплавы для изготовления фасонных отливок (кроме свойств, определяемых условиями эксплуатации) должны обладать хорошими литейными свойствами.

Алюминиевые литейные сплавы (ГОСТ 1583—93) маркируются буквами и цифрами. Буква «А» в марке сплава означает, что сплав алюминиевый литейный, а остальные буквы обозначают элементы, входящие в его состав:

• К — кремний;
• М — медь;
• Н — никель;
• Ц — цинк;
• Су — сурьма;
• Мг — магний;
• Кд — кадмий;
• Мц — марганец.

Цифры после букв обозначают среднюю массовую долю соответствующего элемента (в %). Буквы в конце марки сплава обозначают следующее:

• «ч» — чистый;
• «пч» — повышенной чистоты;
• «оч» — особой чистоты;
• «л» — литейные сплавы;
• «с» — селективный.

Рафинированные сплавы в чушках обозначают буквой «р», которую ставят после обозначения марки сплава.

В составе литейных сплавов (при литье в песчаные формы) допускается содержание 0,5…1 % Fe, а при литье в кокиль — 0,8…1,4 % Fe. Кремний не оказывает вредного влияния на литейные сплавы и используется в качестве основного или вспомогательного легирующего элемента.

Для производства основной массы изготавливаемых деталей применяются пять групп литейных алюминиевых сплавов. Это Al–Si (силумины), Al–Cu–Si (алькусины), Al–Cu, Al–Mg и сложнолегированные сплавы.

Выделено семь элементов, которые могут служить основными легирующими элементами в алюминиевых сплавах,— серебро (Ag), германий (Ge), литий (Li), цинк (Zn), магний (Mg), медь (Сu), кремний (Si). Все они образуют с алюминием системы эвтектического типа, но из-за высокой стоимости Ag, Ge и Li сплавы, легированные этими элементами, применяются очень ограниченно. Цинк применяется для растворного упрочнения литейных сплавов, но он не образует интерметаллидов и не обеспечивает значительного упрочнения. В этой связи основными легирующими элементами в алюминиевых сплавах являются Mg, Сu и Si. Образование интерметаллидов в сплавах Al–Cu, Al–Mg и Al–Mg–Si, а также отличная жидкотекучесть и малая усадка (линейная усадка для большинства сплавов составляет 0,9…1,3 %) Al–Si сплавов, переменная растворимость элементов в твердом состоянии в сплавах Al–Cu и Al–Mg позволяют получать качественные отливки и использовать различные методы упрочнения сплавов, включая дисперсное твердение путем закалки и старения. Вспомогательные легирующие элементы (Mn, Cr, V, Ti, Zr, Mo, Ni и др.) дополнительно упрочняют отливки по растворному типу, улучшают пластичность сплавов и повышают их жаропрочность, а другие вспомогательные легирующие элементы (Na, К, Be, Ca, Cd и др.) используются в виде небольших добавок (до 0,2 %) для улучшения технологических свойств в качестве модификаторов.

Основными особенностями алюминиевых сплавов, которые необходимо учитывать при плавке, являются склонность этих сплавов к газопоглощению (особенно водорода) и легкая окисляемость. В последующем водород, выделяясь при кристаллизации и охлаждении, способствует образованию газовой пористости в отливках, а включения А1₂O₃ существенно снижают механические свойства сплава. Для защиты от этих нежелательных явлений производят плавку алюминиевых сплавов под слоем флюса, перед заливкой проводят дегазацию расплава, его рафинирование хлором и азотом, а для получения мелкозернистой структуры и улучшения механических свойств сплава применяют модифицирование фтористыми и хлористыми соединениями.

Твердость литейных алюминиевых сплавов (в зависимости от их состава и методов термической обработки) составляет от 500 до 1000 НВ, а σ_в — от 130 до 360 МПа.

Максимальная рабочая температура применяемых в промышленности алюминиевых сплавов составляет 300…350 °С.

Для изготовления отливок в промышленности используют пять групп алюминиевых сплавов (ГОСТ 1583–93):

1. Сплавы на основе системы «алюминий—кремний» (силумины): марки АК12; АК13; АК9; АК9с; АК9ч; АК9пч; АК8л; АК7; АК7ч; АК7пч; АК10Су;
2. Сплавы на основе системы «алюминий—медь—кремний» (алькусины) : марки АК5М; АК5Мч; АК5М2; АК5М7; АК6М2; АК8М; АК5М4; АК8М3; АК8М3ч; АК9М2; АК12М2; АК12ММгН; АК12М2МгН; АК21М2,5Н2,5;
3. Сплавы на основе системы «алюминий—медь»: марки АМ5; АМ4,5Кд;
4. Сплавы на основе системы «алюминий—магний»: марки АМг4К1,5М; АМг5К; АМг3Мц; АМг6л; АМг6лч; АМг10; АМг10ч; АМг11; АМг7;
5. Сплавы алюминия с прочими компонентами (сложнолегированные): марки АК7Ц9; АК9Ц6; АЦ4Мг.

Сплавы системы алюминий–кремний (силумины) получили наибольшее распространение. Они обладают лучшими из всех алюминиевых сплавов литейными свойствами и широко применяются для отливок деталей, отличающихся сложностью очертаний или несущих большие нагрузки. Силумины обладают удовлетворительной коррозионной стойкостью. Изготавливаемые из них детали защищают анодированием и лакокрасочными покрытиями. Силумины широко используют в промышленности (авиационной, машиностроительной, судостроительной и электротехнической).

Добавление меди к сплавам Al—Si повышает их твердость и предел прочности при растяжении, а также значительно улучшает обрабатываемость резанием. Тройные сплавы Al—Cu—Si (алькусины) применяются при изготовлении особо ответственных деталей (например, головок цилиндров двигателей, поршней, деталей, работающих при повышенной температуре, и др.). Эти сплавы используют в промышленности для изготовления деталей необходимой прочности, сохраняющих постоянство размеров в процессе эксплуатации и имеющих высокую чистоту обработанной поверхности.

Сплавы системы Al–Cu имеют пониженные литейные свойства, малую коррозионную стойкость и недостаточную пластичность, но хорошо обрабатываются резанием. Эти сплавы применяют для отливки небольших ответственных деталей машин и приборов, несущих высокую нагрузку (статическую и ударную).

Сплавы системы Al–Mg обладают малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью и прочностью. Их применяют для изготовления сильно нагруженных деталей. Однако эти сплавы плохо работают при повышенных температурах. Из этих сплавов изготавливают арматуру и корпуса машин, устанавливаемых на морских судах.

Сложнолегированные сплавы алюминия применяют для изготовления отливок, работающих при повышенных температурах и давлениях, с повышенной стабильностью размеров, а также для изготовления сварных конструкций и деталей, хорошо обрабатывающихся резанием.

Области применения некоторых марок литейных алюминиевых сплавов представлены в таблице 1.

Таблица 1. Области применения литейных алюминиевых сплавов

Группа	Марка сплава	Области применения
I	АК12	Герметичные детали небольших размеров. Детали, испытывающие ударные нагрузки, тонкостенные детали сложной конфигурации. Детали, применяемые в автомобиле- и тракторостроении (картеры, блоки цилиндров, поршни двигателей внутреннего сгорания). Изделия пищевого назначения (теплообменники, мясорубки)
	АК9 АК7	Отливки сложных по конфигурации, статически нагруженных деталей (корпуса водяных насосов, компрессоров, картеры и блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, системы водяного охлаждения, турбинные колеса турбохолодильников, вентиляторов, арматура и посуда)
	АК7пч	Сложные по конфигурации детали агрегатов и приборов, испытывающие средние нагрузки и работающие при температуре до 200 °С
	АК8л	Отливки крупных корпусных деталей, сложных по конфигурации и работающих под большим внутренним давлением газа или жидкости
II	АК8М	Нагруженные детали (блоки цилиндров, головки блоков и другие детали автомобильных двигателей)
	АК8М3ч	Силовые и герметичные детали с рабочими температурами до 250 °С, изготовляемые литьем под давлением и другими методами точного литья
	АК5М	Головки цилиндров двигателей воздушного охлаждения, детали агрегатов и приборов, работающих при температуре не выше 250 °С
III	АМ5	Крупногабаритные отливки ответственных деталей, работающих в условиях повышенных статических и ударных нагрузок, при низких и повышенных (до 300 °С) температурах
IV	АМг10, АМг10ч	Используются вместо дефицитных бронз, латуней, коррозионно-стойких сталей Силовые детали, работающие при температурах от –60 до +60 °С. . Детали, работающие в различных климатических условиях, включая воздействие морской воды и тумана

Для повышения механических свойств отливок из алюминиевых сплавов их часто подвергают термической обработке, после которой в некоторых случаях прочность отливок увеличивается почти в два раза.

К группе деформируемых относятся сплавы на основе алюминия (табл. 2), перерабатываемые в изделия методами деформирования (прессованием, волочением, ковкой, штамповкой, прокаткой). Среди этих сплавов различают сплавы, упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой.

Таблица 2. Состав деформируемых алюминиевых сплавов

Марка сплава	Содержание элементов в сплаве (остальное Al), %
	Cu	Mg	Mn	прочие
АМц*	–	–	–	–
АМг2*	–	1,8…2,6	0,2…0,6	–
АМг6*	–	5,8…6,8	0,5…0,8	0,02…0,1 Ti
Д1**	3,8…4,8	0,4…0,8	0,4…0,8	0,002…0,005 Be
Д16**	3,8…4,9	1,2…1,8	0,3…0,9	–
Д18**	2,2…3,0	0,2…0,5	–	–
В95***	1,4…2,0	1,8…2,8	0,2…0,6	0,01…0,25Cr 5…7 Zn
АК6***	1,8…2,6	0,4…0,8	0,4…0,8	0,7…1,2 Si
АК8***	3,9…4,8	0,4…0,8	0,4…1,0	0,6…1,2 Si
* Механические свойства после отжига. ** Механические свойства после закалки и естественного старения. *** Механические свойства после закалки и искусственного старения

В группе деформируемых сплавов алюминия, упрочняемых термической обработкой, различают сплавы нормальной прочности, высокопрочные сплавы, жаропрочные сплавы и сплавы для ковки и штамповки.

Типичным представителем сплавов нормальной прочности являются дуралюмины, относящиеся к системе А1–Сu–Mg, которые маркируются буквой «Д». Марганец повышает коррозионную стойкость, температуру рекристаллизации и улучшает механические свойства дуралюминов (табл. 3).

Таблица 3. Механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов

Марка сплава	Механические свойства сплава					Вид полуфабриката
	σв	σ0,2	σ–1	δ, %	НВ, МПа
	МПа
АМц*	130	50	55	20	300	Листы
АМг2*	190	100	125	23	450	Листы
АМг6*	340	170	–	20	700	Листы
Д1**	400	240	105	20	950	Листы, прессованные прутки.
	480	320	125	14	–
Д16**	440	330	115	18	1050	Листы, плиты, прессованные прутки
	530	400	140	11	–
Д18**	300	170	95	24	700	Проволока
В95***	540	470	150	10	1500	Листы, плиты, прессованные прутки
	600	560	150	8	1500
АК6***	400	299	125	12	1000	Поковки
АК8***	480	380	130	9	1350	Поковки
* Механические свойства после отжига. ** Механические свойства после закалки и естественного старения. *** Механические свойства после закалки и искусственного старения

Для упрочнения сплавов применяют закалку с последующим охлаждением в холодной воде. Закаленные дуралюмины подвергают старению, способствующему увеличению их коррозионной стойкости. В процессе естественного (несколько суток) или искусственного старения (10…24 ч) повышается прочность сплава вследствие распада пересыщенного твердого раствора.

Дуралюмины широко применяются в авиации. Так, из сплава Д1 изготовляют лопасти винтов, из Д10 — несущие элементы фюзеляжей самолетов, а сплав Д1В является одним из основных заклепочных материалов. Из дуралюминов обработкой давлением производят полуфабрикаты (прутки, полосы, листы и т. д.)

К высокопрочным сплавам алюминия относят сплавы (В95, В96), системы Al–Zn–Mg–Сu. В качестве легирующих добавок используют марганец и хром, которые увеличивают коррозионную стойкость и эффект старения сплава. Для достижения требуемых прочностных свойств (σ_в = 600…700 МПа) сплавы закаливают при температуре 460…480 °С с последующим искусственным старением при температуре 120…140 °С. Высокопрочные сплавы превосходят дуралюмины но прочностным показателям, но менее пластичны и более чувствительны к концентраторам напряжений, а также воздействию коррозионных сред под напряжением. Для повышения коррозионной стойкости изделий их плакируют сплавом Al+1% Zn. Высокопрочные сплавы применяют в авиастроении для изготовления наружных конструкций с температурой длительной эксплуатации до 120 °С.

Для изделий, эксплуатируемых при температурах до 300 °С, используют жаропрочные сплавы АК-4, АК-4-1. Они имеют сложный химический состав, легированы железом, никелем, медью и другими элементами, образующими упрочняющие фазы СuAl₂, CuMgAl₂, Al₁₂Mg₂Cu и др. Жаропрочность сплавам придает легирование медью, марганцем и титаном, замедляющими диффузионные процессы. Детали из жаропрочных сплавов используют после закалки и искусственного старения.

Сплавы для ковки и штамповки обладают высокой пластичностью и удовлетворительно перерабатываются литьем. При горячем деформировании в этих сплавах не образуются трещины. Типичными представителями таких материалов являются сплавы системы А1—Cu—Mg с добавками кремния (АК 0, АК 8). Ковку и штамповку этих сплавов производят при температуре 450…475 °С. Затем применяют закалку и старение. Из этих сплавов изготавливают поковки и прокат.

К неупрочняемым термической обработкой деформируемым сплавам относят сплавы систем А1–Мn, А1–Mg. Они отличаются высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, хорошо свариваются. Сплавы этой группы используют в отожженном, нагартованном и полунагартованном видах.

Для устранения дендритной ликвации деформируемых сплавов проводят гемогенизирующий отжиг слитков при температуре 450…520 °С в течение 4…40 ч с последующим охлаждением на воздухе или в печи. Деформированные заготовки подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре 350…500 °С в течение 0,5…2 ч. Эта операция способствует снятию наклепа и получению мелкозернистой структуры металла. Из неупрочняемых сплавов изготовляют емкости для жидкостей, трубы, корабельные конструкции, детали вагонов.

Просмотров: 1 187

Использование алюминиевого сплава в машиностроении

Немногие материалы произвели революцию в таком огромном количестве отраслей, как алюминий. Начиная с конца 19 ^-го -го века, когда был впервые разработан процесс плавки алюминия, позволивший его крупномасштабное производство, этот элемент стал все более важной частью нашей повседневной жизни, знаем мы об этом или нет. От авиации до автомобилей и цифровых технологий алюминиевые сплавы позволили ускорить производственные процессы с использованием более дешевых и гибких материалов. Однако влияние алюминия на инженерию почти наверняка не имеет себе равных.

Каковы преимущества алюминия?

За прошедшее столетие алюминий претерпел ряд усовершенствований, в частности, в отношении разнообразия сплавов, что позволило использовать металл в самых разных областях. Эти улучшения подчеркнули свойства алюминия, которые сделали его таким желанным материалом среди производителей.

Во-первых, алюминий славится своей легкостью, но при этом чрезвычайной прочностью. Хотя большинство людей считают, что сталь прочнее алюминия, правда в том, что некоторые алюминиевые сплавы могут сравниться со сталью по прочности. Кроме того, алюминий имеет выдающееся соотношение прочности и веса, что является одной из причин его популярности в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность. Но легкая природа алюминия также была важным фактором во многих самых известных инженерных конструкциях, таких как современные небоскребы, которые, например, полагаются на алюминиевые сплавы для создания огромных стеклянных пролетов, характерных для многих таких зданий.

Еще одним важным преимуществом алюминия является его исключительная коррозионная стойкость. Алюминиевые сплавы обеспечивают высокую устойчивость к атмосферной коррозии во многих различных условиях окружающей среды. Это особенно полезно для больших конструкций, которые должны сохранять свою целостность с течением времени, а также для морских применений, где морская вода является постоянной проблемой. Алюминиевые конструкции и оборудование имеют более длительный срок службы и требуют меньше обслуживания, чем многие конкурирующие материалы.

Еще одним преимуществом алюминия является его высокая проводимость, как электрическая, так и тепловая. Нелегированный алюминий имеет около 60% проводимости меди, что делает его отличным вариантом для любого инженерного применения, требующего высокой проводимости. Например, он широко применяется в изделиях и конструкциях, для которых необходим теплообмен.

Алюминий также имеет преимущество благодаря своей потрясающей формуемости. С алюминием легко работать, и ему можно придать практически любую мыслимую форму. Это делает его очень желательным для архитектурных сооружений. Поскольку с алюминиевыми сплавами так удобно работать, они также экономят время и деньги инженеров.

Другие отличительные черты алюминия, которые делают его популярным для инженерных применений, включают его пригодность для повторного использования, его способность обрабатывать поверхность и его долговечность. Объедините все эти свойства, и даже если алюминий на первый взгляд может показаться более дорогим, чем другие варианты, экономия средств в течение всего производственного процесса может быть существенной.

Для каких видов техники используется алюминий?

Существует множество видов техники, и почти все они так или иначе выигрывают от использования алюминия. Прежде всего, для зданий и других сооружений алюминий уже более века является важным материалом.

Одно из первых применений алюминия было в замковом камне монумента Вашингтона. Во время его строительства алюминий все еще был редким и дорогим элементом. По мере того, как он становился все более популярным, инженеры все больше осознавали его многочисленные преимущества, и его использование помогло преобразовать строительную отрасль.

В первых небоскребах 20 ^го века, включая Эмпайр Стейт Билдинг, алюминий использовался во многих различных элементах, таких как оконные рамы, внутренние конструкции и культовый шпиль. Как упоминалось ранее, современный небоскреб во многом зависит от алюминия. Потрясающее соотношение прочности и веса материала позволяет поддерживать большие стеклянные пролеты, символизирующие современные здания, в том числе крупные аэропорты и вокзалы.

Инженеры-электрики также полагаются на алюминиевые сплавы для многих применений. Например, хотя алюминиевый провод в 1,5 раза шире медного, чтобы передать такое же количество электричества, алюминиевый провод будет в два раза легче, что дает алюминию преимущество. Вот почему воздушные электрические провода полностью сделаны из алюминия.

Существует множество других применений электропроводности, хорошо подходящих для алюминия. Поскольку энергоэффективность становится все более важной, все больше инженеров обращаются к алюминию. Сюда входят проводники, электронные компоненты, такие как конденсаторы и антенны, а также радары.

Машиностроение также остро нуждается в алюминии. В сложных машинах с многочисленными движущимися частями, включая автоматизированное оборудование и роботов, используется алюминий из-за его легкого веса и формуемости. Многие инженеры обращаются к алюминию из-за его способности создавать формы, что является еще одним преимуществом его способности принимать самые разные формы.

Каковы инженерные применения алюминия?

С точки зрения проектирования конструкций алюминий стал незаменимым материалом. Сегодня частые применения в этой области включают как экструдированные, так и сварные детали. Конкретные примеры включают системы крыш с большими пролетами, опоры линий электропередач, конструкции, требующие наличия нескольких движущихся частей, и конструкции, работающие в экстремальных условиях.

В области электротехники, хотя алюминиевая проводка уже много лет является основным продуктом, все больше и больше производителей обращаются к алюминию для множества других применений. Сюда входят проводники, двигатели с короткозамкнутым ротором, микроэлектроника, трансформаторы и низковольтные двигатели.

Когда дело доходит до машиностроения, существует слишком много приложений, чтобы перечислять их все. Но благодаря огромному разнообразию алюминиевых сплавов, это растущая область, в которой постоянно появляются новые достижения. Конкретные области применения включают робототехнику, опреснение морской воды, теплопроводы, теплообменники HVAC и целый ряд пресс-форм.

Резюме

Алюминиевые сплавы, благодаря постоянному совершенствованию, являются прочным, адаптируемым и высококачественным вариантом для ваших инженерных нужд. Независимо от того, в какой отрасли или области применения алюминий выгоден с финансовой точки зрения благодаря своей гибкости и другим превосходным свойствам, которых нет ни у одного другого материала, по крайней мере, в той же комбинации.

В Clinton Aluminium мы верим в важность использования правильного материала для работы. Мы работаем с нашими клиентами, чтобы выбрать правильный сплав для каждого конкретного применения. Свяжитесь с одним из наших дружелюбных представителей по обслуживанию клиентов сегодня, чтобы узнать, какой алюминиевый сплав подходит именно вам.

Ресурсы: https://www.researchgate.net/publication/233554423_Structural_Applications_of_Alu

Машиностроительные свойства алюминиевого сплава

Машиностроительные свойства алюминиевого сплава

Металлы и материалы

Машиностроительные свойства алюминиевого сплава

В следующей таблице приведены общие машиностроительные свойства и данные для многих распространенных алюминиевых сплавов. Имейте в виду, что большая часть данных подходит для промышленности, однако академические требования более строгие.

Алюминиевые сплавы.

Алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые и литые в зависимости от способа их производства.

К деформируемой категории относятся прокатка, экструзия, волочение, ковка и ряд других более специализированных процессов. Литейные сплавы заливают в расплавленном виде в формы из песка (литье в песчаные формы) или из высокопрочной стали (постоянная форма или литье под давлением), где они затвердевают для получения желаемой формы.

Mechanical properties for some aluminum alloys:

1111117

11111119 2

1111119 2

1111119 2

1111119 2

1119.0103

Aluminum Alloy	Temper	Elastic Modulus — E — (10 6 psi)	Shear Modulus — G — (10 6 PSI)	Устойчивость к урожайности — σ y — (10 3 PSI) 9
1100		10. 0	3.75	3.5	11
1100	h22	10.0	3.75	11	14
2014		10.8	4.00	8	22
2014	T6	10.6	4.00	58	66
2014	T62	10.8	4.00	59	67
2017	T4	10.5	3,95	32	55
2024	T3	10,6	4,00	42	64				64	.0072 T4	10.6	4.00	40	62
2025	T6	10. 4	3.90	33	52
2124	T851	10.4	4.00	57	66
2219	T62	10,5	4.00	36	54
2618
2618
2618
2618
2618	0075	10.7	4.10	42	55
3003		10.0	3.75	5	14
3003	h28	10.0	3.75	25	27
3003	H212	10,0	3,75	10	17
354	T611175
T611175 3	354	T611175
354	T61175
354	T61175
	354
354	4. 00	36	47
355	T51	10.2	3.80	22	27
355	T6	10.3	3.80	23	37
356	T7	10.3	3.85	21	29
356	T6	10.3	3.85	20	30
5052		10.2	3.80	9.5	25
5052	h42	10.2	3.80	23	31
5056	h48	10.3	3.75	50	60
5056	ANL	10.3	4.00	22	42
6061	T4	10. 0	3.80	16	30
6061	T6	10.0	3.80	35	42
6062		10.0	3.75	5	14
6062	T4	10.0	3.75	16	26
6062	T6	10.0	3.75	35	38
6063	T42	10.0	3.75	10	17
6063	T5	10,0	3,75	16	22
6063	T6	10,0	3,75	25	3075 1119	25	30	6151	T6	10.1	3.85	37	44
7050	T7452	10. 1 — 11.6		58	68
7050	T74			60	70
7075	T6	10.4	3.90	70	78
7075	T6			63	73
A356	T61	10.4	3.90	28	38
D712	T5	10.3	3.80	20	32

• 1 фунт/кв. дюйм (фунт/дюйм ² ) = 6894,8 Па (Н/м ² )

• ANL — отжиг1780
• H — относится к нетермообрабатываемым сплавам, подвергнутым «холодной обработке» или «деформационному упрочнению»

• T1 — Охлаждение после обработки при повышенной температуре — естественное старение
• T3 — термообработка на раствор — холодная деформация и естественное старение до стабильного состояния
• T4 — термообработка на раствор — естественное старение до стабильного состояния
• T5 — охлаждение после формования при повышенной температуре — искусственное старение
• T6 — Термообработка на твердый раствор — искусственное старение
• T7 — ​​Термическая обработка на твердый раствор — старение / стабилизация

Каковы основные свойства алюминия?

Если вы когда-нибудь задумывались, какие свойства алюминия делают его таким популярным и универсальным металлом, вы не одиноки. Существует множество характеристик, которые делают алюминий и алюминиевые сплавы одним из самых важных материалов в мире, используемых во многих отраслях промышленности. Это включает в себя бытовую, архитектурную, авиационную и автомобильную промышленность, и это лишь некоторые из них.

Изучение физических, химических и механических свойств материала составляет основу материаловедения. Это позволяет прогнозировать поведение в определенных условиях и в условиях стресса. Такие показатели эффективности помогают архитекторам, производителям и дизайнерам выбирать правильный материал для конкретного применения.

Загрузите нашу спецификацию на алюминий сейчас

Kloeckner Metals — поставщик полного ассортимента алюминия и сервисный центр. Загрузите нашу спецификацию алюминия, чтобы проверить, что Kloeckner Metals регулярно поставляет на склад.

Спецификация алюминия

Многие выдающиеся свойства алюминия и алюминиевых сплавов обеспечивают широкий спектр применения. Например, из всех металлов алюминиевые сплавы легче всего поддаются формовке и обработке. Механические свойства алюминия делают это так. Какие еще качества определяют предпочтение алюминиевых изделий и материалов?

Основные свойства всех металлов

Большинство элементов периодической таблицы Менделеева составляют металлы. Они представляют собой класс элементов, отличающихся следующими свойствами: пластичностью, ковкостью, твердостью, электропроводностью, способностью образовывать сплавы и внешним видом.

Эти свойства могут быть сгруппированы как физические, химические или механические, и они могут быть расширены более подробно при рассмотрении конкретных составов сплавов и других факторов, таких как температура. Приведенные ниже диаграммы относятся к чистому алюминию.

Свойства материалов алюминия и алюминиевых сплавов

Алюминий представляет собой металлоподобный элемент, обладающий как металлическими, так и неметаллическими свойствами, относящийся к семейству бора и углерода. Хотя алюминий является одним из самых распространенных элементов на Земле, он должен быть получен из бокситовой руды и пройти производственный процесс, прежде чем он станет коммерчески чистым и жизнеспособным алюминием.

Затем алюминий классифицируется в соответствии с легирующими элементами в пронумерованном 4-значном ряду от 1xxx до 8xxx.

Обычно добавляются такие элементы, как медь, магний, марганец, кремний и цинк. При этом существуют сотни составов сплавов.

Эти особые составы сплавов влияют на внешний вид и технологичность. Добавление элементов улучшает прочность, обрабатываемость, коррозионную стойкость, электропроводность и плотность по сравнению с чистым алюминием.

Физические свойства

Физические свойства алюминия относятся к наблюдаемой форме и структуре до любого химического изменения.

Физические свойства алюминия
Цвет и состояние	Твердый, немагнитный, неблестящий, серебристо-белый с легким голубоватым оттенком.
Структура	имеет гранецентрированную кубическую структуру, стабильную до точки плавления.
Поверхность	Алюминиевые поверхности могут сильно отражать свет.
Твердость	Коммерчески чистый алюминий мягкий. Он упрочняется при легировании и отпуске.
Пластичность	Высокая пластичность. Алюминий можно бить очень тонко.
Пластичность	Высокая пластичность. Алюминий очень хорошо поддается формованию или изгибу.
Тепловое расширение	имеет коэффициент теплового расширения 23,2. Это что-то среднее между цинком, который расширяется больше, и сталью, которая расширяется вдвое меньше, чем алюминий.
Проводимость	Хороший электрический и тепловой проводник.
Коррозия	устойчив к коррозии благодаря самозащитному оксидному слою.
Плотность	Алюминий имеет низкую плотность, измеренную под действием силы тяжести по сравнению с водой, 2,70. Сравните это с плотностью железа/стали, которая имеет плотность 7,87
Точка плавления и точка кипения	Коммерчески чистый алюминий имеет температуру плавления приблизительно 1220°F и температуру кипения приблизительно 4478°F. Они меняются после легирования алюминия.

Выводы по физическим свойствам алюминия

Физические свойства алюминия помогают понять его применение. Глядя на приведенную выше диаграмму, мы видим, что алюминий демонстрирует хорошее сочетание прочности, коррозионной стойкости и пластичности. Это помогает объяснить, как алюминий может существовать в форме фольги и банок для напитков, а также труб и ирригационных трубок.

Полированный алюминий обладает хорошей отражательной способностью в широком диапазоне длин волн, что обуславливает его выбор для различных декоративных и функциональных целей, включая бытовую технику и лазеры.

Поскольку алюминий не является ферромагнитным, он подходит для электротехнической и электронной промышленности. Теплопроводность алюминиевых сплавов выгодна в теплообменниках, испарителях, электронагревательных приборах и посуде, а также в автомобильных ободах, головках цилиндров и радиаторах.

Его гранецентрированная кубическая структура обеспечивает превосходную формуемость. Алюминий также нетоксичен и часто используется в емкостях для пищевых продуктов и напитков. По данным Алюминиевой ассоциации, это также один из самых простых в переработке конструкционных материалов.

Химические свойства

Характеристика или поведение вещества при химическом изменении или реакции. Другими словами, атомы вещества должны быть разрушены, чтобы можно было наблюдать химические свойства. Наблюдения за этим разрушением на атомном уровне происходят во время реакции, а также после нее.

Химические свойства алюминия
Возникновение	Алюминий встречается в виде соединения, в основном содержащегося в бокситовой руде.
Окисление	Алюминий соединяется с кислородом с образованием оксида алюминия при воздействии влажного воздуха.
Пирофор	Когда алюминий находится в порошкообразной форме, он легко загорается при контакте с пламенем.
Способность образовывать сплавы	Существуют сотни композиций алюминиевых сплавов. К легированным элементам относятся: железо, медь, марганец, кремний, магний и цинк.
Реакционная способность с водой	Алюминий быстро реагирует с горячей водой.
Реакционная способность с щелочами	Реагирует с гидроксидом натрия.
Реакционная способность с кислотой	Алюминий реагирует с горячими кислотами.

Основные сведения о химических свойствах алюминия

В некотором смысле химические свойства алюминия необычны по сравнению с другими металлами. Например, металлы редко реагируют как с основаниями, так и с кислотами. Это становится важным фактором, когда алюминий используется в качестве контейнера для жидкостей. Вы должны быть уверены, что алюминий не растворится. Вот почему банки для напитков имеют тонкий внутренний слой для предотвращения коррозии.

Другой причудливый факт об алюминии заключается в том, что помимо порошкообразной формы, алюминий не является пирофором. Это означает, что в порошкообразном состоянии алюминий легко воспламеняется и считается опасным, особенно во время обработки, когда часто встречаются мелкие частицы пыли.

То, что алюминий так легко соединяется с кислородом, напрямую влияет на методы сварки. Твердый оксидный слой, образующийся на поверхности алюминия, плавится при температуре, втрое превышающей температуру алюминия под ним. Поэтому перед сваркой требуется глубокая преднамеренная очистка поверхности, обычно с помощью ацетона, а переменный ток требуется на протяжении всего процесса сварки.

Механические свойства

Механические свойства отмечают взаимосвязь материала между напряжением и деформацией и измеряют степень эластичности в ответ на приложенную нагрузку.

Выводы по механическим свойствам алюминия

Механические свойства существенно влияют на рабочие характеристики. Это особенно верно, если учесть, как различаются механические свойства алюминиевых сплавов.

Например, тенденция к удлинению для всех серий алюминиевых сплавов высока для сплавов более низких серий и низка для сплавов более высоких серий. Другими словами, при сравнении алюминиевых сплавов серии 1ххх со сплавами серии 7ххх сплавы серии 1ххх будут иметь значительно более высокую пластичность.

Это работает обратно пропорционально прочности на растяжение, твердости и чувствительности к удару, которые будут ниже среди сплавов более низких серий. Таким образом, в том же сравнении сплавы серии 1ххх продемонстрируют гораздо более низкую прочность на растяжение, твердость и чувствительность к удару, чем их аналоги серии 7ххх.

Повышенные температуры также разрушают алюминий даже до того, как он достигнет точки плавления. В результате большинство алюминиевых сплавов обычно не рекомендуется использовать в течение длительного времени при более высоких температурах. Однако некоторые сплавы были специально разработаны для обеспечения высокой термостойкости, например, серия 2xxx алюминий-медь.

Исключительная способность алюминия образовывать сплавы расширяет сферу его применения в различных отраслях и областях применения. Без этой важной возможности первоклассный алюминий был бы слишком мягким и податливым для применений, требующих большей прочности и долговечности.

Свяжитесь с нашей квалифицированной командой сейчас

Kloeckner Metals — поставщик полного ассортимента алюминия и сервисный центр. Kloeckner Metals объединяет национальное присутствие с новейшими технологиями производства и обработки и инновационными решениями для обслуживания клиентов.

Свяжитесь с нами сейчас

Что такое алюминий? — Свойства, применение и производство

Алюминий — это химический элемент с атомным номером 13 и символом Al. В группе бора это серебристо-белый, мягкий, немагнитный и пластичный металл. Алюминий — самый распространенный металл и третий по распространенности элемент в земной коре после кислорода и кремния. На его долю приходится 8,1% веса земной коры и 6,3% ее атомов.

Алюминий содержится только в самых разнообразных земляных и каменистых минералах, включая полевой шпат, слюду, гранит и глину, поскольку это очень активный металл. Каолин представляет собой мелкую белую алюминийсодержащую глину, используемую в производстве фарфора.

Оксид алюминия, часто известный как глинозем, используется для футеровки печей и не плавится, пока температура не достигнет 3632°F (2000°C). Корунд и наждак — еще две твердые формы глинозема, используемые в качестве абразивов.

Несколько полудрагоценных драгоценных камней, таких как гранат (Fe ₃ Al ₂ Si ₃ O1 ₂ ), beryl (Be ₃ Al ₂ Si ₆ O1 ₈ ), ruby ​​and sapphire, Al ₂ O ₃ having примеси хрома и железа входят в число многих различных минеральных форм, в которых может быть обнаружен алюминий. В лазерах используются искусственные рубины и сапфиры.

Алюминий является третьим по распространенности элементом в земной коре, на его долю приходится более 7% ее массы. Он существует в природе только в очень стабильных соединениях с другими материалами, и его существование не было обнаружено до 1808 года. Потребовались годы исследований, чтобы отделить металл от его руды и разработать коммерчески осуществимую технологию производства.

Сэр Хамфри Дэви был первым, кто открыл и назвал алюминий, что он и сделал в 1808 году. Около деревни Ле-Бо на юге Франции П. Бертье обнаружил твердую, красноватую, похожую на глину почву, содержащую почти 50% оксида алюминия в 1821. Он называется бокситом, и это самый распространенный ресурс алюминия.

Ганс Эрстед из Дании получил небольшое количество металлического алюминия в 1825 году путем реакции разбавленной амальгамы калия с хлоридом алюминия и отгонки полученной ртути, чтобы оставить слегка загрязненный алюминиевый осадок.

Металлический алюминий все еще был невероятно дорогим в производстве в любом количестве, и долгое время оставался редким и ценным металлом. В 1852 году алюминий продавался почти по 545 долларов за фунт.

В 1886 году Чарльз М. Холл и Пол Л.-Т. Эрулт независимо создал то, что сейчас известно как процедура Холла или Холла-Эру. Он включает растворение глинозема в расплавленном криолите, обычном алюминийсодержащем минерале, и пропускание электрического тока через нагретую жидкость.

Электролиз представляет собой процесс, при котором расплавленный металлический алюминий собирается на катоде (отрицательном электроде). Цена на металлический алюминий упала примерно до 30 центов за фунт вскоре после того, как этот метод был разработан.

Алюминий относится к группе IIIA периодической таблицы и является высокореактивным металлом. Алюминий встречается в виде оксида в его рудах в природе. The most important aluminum ores are:

1. Bauxite – Al ₂ O ₃ .2H ₂ O
2. Corundum – Al ₂ O ₃
3. Cryolite – Na ₃ AlF ₆

1. Процесс Байера:

Бокситы, руда, содержащая оксид алюминия, железо и другие металлы, используются для производства алюминия. Процесс Байера используется для добычи бокситов после их добычи и назван в честь австрийского химика, который изобрел его в конце 1800-х годов.

Оксид алюминия должен быть извлечен из боксита, прежде чем его можно будет использовать в каких-либо промышленных целях, поскольку перед переработкой его необходимо изолировать от любых окружающих примесей. Боксит помещают в химический раствор и нагревают от 150 до 200 градусов Цельсия для растворения оксида алюминия на первой стадии процесса Байера.

Метод Холла-Эру, названный в честь американских и французских химиков, которые изобрели его по отдельности в 1886 году, затем использовался для производства алюминия. Он по-прежнему широко используется сегодня, с очень небольшими изменениями. Оксид алюминия перед использованием в производстве необходимо переработать в чистый алюминий, поскольку он содержит атомы кислорода.

Процесс рафинирования начинается с помещения нагретых кристаллов оксида алюминия в чан с расплавленным криолитом, который быстро растворяет кристаллы и образует раствор электролита. Затем чан наполняется постоянным током, который входит через углеродную облицовку и выходит через пару угольных стержней.

Комплекс алюминия в жидкой форме проходит через серию фильтров, после чего оседает в отстойнике, где начинает кристаллизоваться. Затем кристаллы обжигают в печи при температуре около 1100°C, получая чистый оксид алюминия. Электрический ток запускает химический процесс, который отделяет алюминий от атомов кислорода и заставляет его собираться на дне чана.

После прохождения этой процедуры алюминий становится расплавленным металлом с чистотой 99,8%. После этого расплавленный металл можно отлить в форму, охладить водой и довести до желаемой формы. В результате получается технический алюминий.

• Алюминий представляет собой серебристо-белый металл без запаха и вкуса. С добавлением кремния материал становится более податливым и мягким. Кубическая структура кристалла алюминия гранецентрирована.
• Алюминий имеет более низкую плотность, чем любой другой коммерческий металл, за исключением магния. При правильном типе поверхности алюминий является отличным отражателем, особенно для УФ-излучения.
• Создание выделений примесей приводит к тому, что решетка концентрируется в менее чистом металле. На большинство других физических свойств влияет чистота.
• Алюминий можно также использовать в качестве холодной или горячей селективной стенки или в качестве корпуса, имитирующего впечатление черного тела. Коэффициент отражения алюминия в инфракрасном диапазоне немного выше, чем у золота и серебра.
• За исключением магния, алюминий имеет более низкую плотность, чем любой другой коммерческий металл.

• Поскольку поверхность металлического алюминия покрыта оксидным слоем, защищающим покрытие от воздействия воздуха, он не вступает с ним в реакцию. Когда оксидный слой разрушается, обнажается металлический алюминий, который соединяется с кислородом и способствует образованию амфотерного оксида (оксида алюминия (III)), Al ₂ O ₃ .

4Al(s) + 3O ₂ (l) → 2Al ₂ O ₃ (s)

• Минеральные кислоты реагируют с алюминием с образованием растворов, содержащих жидкий ион AI (III) и газообразный водород, h3. Алюминий реагирует с HCl с образованием газообразного водорода.

2Al(тв) + 6HCl (водн.) → 2Al ³⁺ (водн.) + 6Cl ^– (водн.) + 3H ₂ (г)

2Al (тв) + 2NaOH (водн.) + 6H ₂ O → 2Na ⁺ (водн. ) + 2[Al (OH) ₄ ] ^– 9 9 1 983H 9 01