Tehnik-ast.ru

Электро Техник
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Алюминиевые сплавы, их состав, свойства и особенности работы

Алюминиевые сплавы, их состав, свойства и особенности работы

Для строительных конструкций применяются алюминиевые сплавы с содержанием легирующих компонентов и примесей 5-7 % (технический алюминий с примесями до 1 % ввиду малой прочности применяется очень редко и только для декоративных и ограждающих элементов).

Алюминиевые сплавы разделяются на деформируемые (обрабатываемые давлением: прессованием, вытяжкой, прокаткой, штамповкой и т.д.), применяемые в строительных конструкциях, и на литейные, применяемые в основном в машиностроении.

Алюминиевые сплавы легируют марганцем, магнием, кремнием, цинком, медью, хромом, титаном или одновременно несколькими этими компонентами, в зависимости от чего система сплава получает наименование и марку с условным обозначением.

Алюминиевые сплавы поставляют в различных состояниях термической обработки и нагартовки (наклеп, вытяжка).

Технический алюминий обладает очень высокой коррозионной стойкостью, но малопрочен и пластичен.

Алюминиево-марганцевые и алюминиево-магниевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, сравнительно высокой прочностью и хорошо свариваются. Многокомпонентные сплавы обладают средней и высокой коррозионной стойкостью, средними и высокими показателями прочности и могут применяться в сварных и клепаных несущих и ограждающих конструкциях.

Термическая обработка повышает прочностные характеристики сплавов в 1,3-1,5 раза. При сварке конструкций из термически обработанных сплавов происходит некоторое разупрочнение материала в зоне термического влияния, которое надо учитывать при расчете и конструировании сварных соединений. Термически не упрочняются сплавы марок АМг и АМц.

Чтобы повысить коррозионную стойкость, алюминиевые сплавы могут быть плакированными (покрытыми тонкой пленкой чистого алюминия при изготовлении полуфабриката).

Структура алюминиевых сплавов состоит из кристаллов алюминия, упрочненных легирующими элементами (легирующие элементы входят в твердый раствор с алюминием и упрочняют его). Особенно большое упрочнение сплава получается, если количество легирующего компонента больше максимально растворимого при обычной температуре, тогда компоненты выделяются в виде упрочняющих включений. Ввиду относительно малой прочности включений и прослоек между зернами под действием нагрузки происходят более плавные деформации, и, в отличие от малоуглеродистой стали, площадки текучести в сплавах не получается.

На рис. 1 приведены диаграммы работы некоторых алюминиевых сплавов на растяжение (там же для сравнения дана кривая для стали 3). Наиболее существенные отличия в работе алюминиевых сплавов и стали заключаются в меньшем угле наклона первоначальной прямолинейной части диаграммы алюминиевых сплавов, характеризующем модули упругости материалов (2,1∙10 4 кН/см 2 для сталей и 0,71∙10 4 кН/см 2 для алюминиевых сплавов), в отсутствии площадки текучести у алюминиевых сплавов, а также в меньшем относительном удлинении термически обработанных сплавов.

1-технический алюминий АД1М; 2- сплав 1915Т; 3- сталь 3

Механические свойства алюминиевых сплавов зависят не только от химического состава, но и от условий их обработки. Основное отличие работы алюминиевых сплавов от работы стали заключается в том, что они более деформативны, т. е. имеют меньшую жесткость. У алюминиевых сплавов модуль упругости при растяжении Е=0,7∙10 4 кН/см 2 , а модуль упругости при сдвиге G=0,27∙10 4 кН/см 2 что почти в 3 раза меньше, чем у стали; поэтому при равных напряжениях прогибы алюминиевых конструкций в 3 раза больше. Коэффициент Пуассона m=0,3. На диаграмме растяжения алюминиевых сплавов нет площадки текучести. За предел текучести условно принимается напряжение s при котором относительная остаточная деформация достигает e=0,2 %. При температурах свыше 100 °С наблюдается некоторое снижение прочностных характеристик, а начиная примерно с 200 °С появляется ползучесть. Коэффициент температурного расширения алюминия =0.000023, что в 2 раза больше чем у стали. При пониженных температурах все механические показатели алюминиевых сплавов улучшаются. Ударная вязкость сплавов при нормальной температуре ниже чем у стали (около 3,0 кг∙м/см 2 ), и почти не снижается при отрицательных температурах.

Изменение механических свойств алюминиевых сплавов при старении происходит более интенсивно, чем у стали, и увеличение пределов текучести и прочности значительно выше. Увеличение прочности алюминиевых сплавов при старении учитывают при назначении их расчетных сопротивлений. Расчетные формулы для алюминиевых конструкций при различных силовых воздействиях имеют такой же вид, как и для стальных конструкций. Значения различных коэффициентов принимают в зависимости от марок сплавов по нормам проектирования алюминиевых конструкций СНиП II-24-74.

К достоинствам алюминиевых сплавов можно отнести: относительно высокую прочность при малой плотности самого материала; высокую технологичность при обработке прессованием, прокаткой или ковкой, позволяющую изготовлять изделия сложной формы; высокую стойкость против коррозии, высокие механические характеристики при отрицательных температурах; отсутствие искрообразования при ударных воздействиях.

Недостатки алюминиевых сплавов:относительно небольшой модуль упругости; высокий коэффициент температурного расширения; относительная сложность выполнения соединений; дефицитность и пока ещё высокая стоимость; малая огнестойкость.

Профили из алюминиевых сплавов для алюминиевых конструкций получают прокаткой, прессованием или гнутьем. Прокатывают только плоские профили: листы полосы, ленты. Прессованные профили могут быть самого различного очертания, поперечное сечение их должно вписываться в круг диаметром матрицы размером 320 мм (имеются отдельные прессы с диаметром матрицы 530мм). Эти профили изготавливают на специальных прессах. Цилиндрическая, нагретая примерно до 400°С заготовка из алюминиевого сплава продавливается через стальную матрицу с отверстием по форме сечения профиля. Матрица удерживается держателем. Прессоваться могут как сплошные так и пустотелые (трубчатые) профили.

Читайте так же:
Как почистить баллон с монтажной пеной

Гнутые профили изготавливают путём гибки тонких листов или лент на роликогибочных станах или гибочных прессах.

Основы расчета металлических конструкций. Расчетная схема, опорные за-крепления элементов. Предельные состояния. Группы предельных состоя-ний. Расчет конструкций по допускаемым напряжениям и сопоставление его с расчетом по предельным состояниям.

Цель и назначение расчета конструкций проверка прочности, устойчивости и жесткости предварительно намеченной конструктивной схемы сооружения, позволяющая уточнить размеры и обеспечить надежность сооружения при наименьших затратах металла. Расчёт сооружений и их конструктивных элементов производится на основе методов сопротивления материалов и строительной механики. Основной целью этих методов является определение внутренних усилий, которые возникают в конструкциях под действием приложенных нагрузок.

Расчет начинают с составления расчетной схемы сооружения, временно отвлекаясь от действительной формы сечения элементов. Опорные закрепления элементов наделяют, при этом некоторыми теоретическими свойствами (шарнирные опоры, опоры с упругими и жесткими защемлениями и т. п.). Определив по принятой расчетной схеме усилия в элементах, производят подбор сечений, проверяют несущую способность и конструируют закрепления так, чтобы удовлетворить поставленным задачам. Иногда бывают необходимы более точные методы определения напряжений с учетом развития пластических деформаций. Однако математическая сложность этих методов вынуждает часто применять в формулах ряд коэффициентов, значения которых приводятся в таблицах. Согласно СНиП II-23-81*, строительные конструкции рассчитывают на силовые другие воздействия по предельным состояниям.

За предельное состояние принимается такое состояние конструкции, при котором она перестает удовлетворять предъявленным к ней эксплуатационным требованиям, т.е. либо теряет способность сопротивляться внешним воздействиям, либо получает недопустимую деформацию или местное повреждение.

Группы предельных состояний

Первая группа – по исчерпанию несущей способности (прочности, устойчивости или выносливости).

Вторая группа – по пригодности к нормальной эксплуатации в соответствии с заданными технологическими или бытовыми условиями.

Ко второй группе предельных состояний относятся состояния затрудняющие нормальную эксплуатацию или снижающие долговечность в следствии появления недопустимых перемещений колебаний и др. Расчет конструкций по предельным состояниям направлен на предотвращение наступления любого из предельных состояний при возведении сооружения в течение всего срока службы. Граничное условие первой группы предельных состояний:

где — наибольшее расчетное усилие в элементе конструкций от суммы расчетных нагрузок наиболее не выгодной комбинации;

— предельное усилие, которое может воспринять рассчитываемый элемент(зависит от материала и размеров элемента).

Граничное условие второй группы предельных состояний :

где f – деформация или перемещение конструкции (зависит от нагрузок, материала и системы конструкций);

fu – предельных деформация или перемещение (зависит от значения конструкции и устанавливается СНиП).

9. Нагрузки, действующие на сооружение. Виды нагрузок. Нормативные и расчетные нагрузки.

В процессе эксплуатации конструкция подвергается воздействию различных нагрузок (собственная масса, технологические нагрузки), а также атмосферном воздействии и др.

Нагрузки,отвечающие условиям нормальной эксплуатации, называются нормативными Fn. Нормативные нагрузки устанавливаются СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия».

В процессе работы конструкции возможны некоторые превышения нормативных нагрузок из за случайных отступлений от условий нормальной эксплуатации.

Наибольшая возможная нагрузка, которая может случайно появиться за время существования конструкции, называется расчетной F. Целостность конструкции должна быть обеспечена на всем протяжении ее работы, поэтому расчет конструкции по несущей способности производиться на расчетные нагрузки. Расчетную нагрузку определяют как произведение нормативной нагрузки на коэффициент надежности по нагрузке.

Коэффициенты надежности по нагрузкам для различных нагрузок изучают статическими методами, они приведены в СНиП.

В зависимости от продолжительности воздействия на конструкцию нагрузки делят на постоянные и временные. Временные нагрузки подразделяют на длительные, кратковременные и особые.

Постоянными нагрузками называют такие, которые действуют на конструкцию постоянно: собственная масса строительных конструкций, давления грунта, воздействие предварительного напряжения конструкций и т. п.

Длительными нагрузками называют такие, которые воздействуют на конструкцию продолжительное время (но могут и отсутствовать): масса технологического оборудования, давление жидкостей и газов в резервуарах и трубопроводов масса складируемых грузов и.т.д.

Кратковременными нагрузками называют нагрузки, действующие непродолжительное время: снег, ветер, подвижные краны, нагрузки возникающие при перевозке и монтаже, ремонтах и испытаниях конструкций, температурные климатические воздействия и т.д.

Особые нагрузки – это нагрузки, которые могут появиться в исключительных случаях: сейсмические воздействия, аварийные нарушения технологического процесса, резкие просадки грунтов. На конструкцию или сооружение может воздействовать одновременно несколько нагрузок. Чем большее число временных нагрузок воздействует на конструкцию, тем меньше вероятность совпадения их наибольших значений, а конструкция, рассчитанная на простую суммарную комбинацию всех нагрузок, будет иметь излишний запас прочности. Поэтому конструкции рассчитывают на расчетные сочетания нагрузок. СНиП 2.01.07 – 85 установлены два расчетных сочетания нагрузок:

Читайте так же:
Аккумуляторные высоторезы для обрезки деревьев

o Основные сочетания, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок;

o Особые сочетания, состоящие из постоянных, длительных, кратковременных и одной из особых нагрузок.

Если в основноесочетание входят две (или более) кратковременные нагрузки, то расчетные значения этих кратковременных нагрузок умножают на коэффициент сочетания nc=0,9 (если в сочетании нагрузок участвует только одна кратковременная нагрузка, значение ее суммируют с постоянной и длительными нагрузками без снижения, т. е. nc=1)

При составлении особых сочетаний нагрузок расчетные значения суммарных кратковременных нагрузок умножают на коэффициент сочетания при этом особая нагрузка должна приниматься без снижения, т. е. nc=1.

Где применяется листовой алюминий и каковы его свойства

Где применяется листовой алюминий и каковы его свойстваФото: pixabay.com

Алюминиевые листы сегодня востребованы в очень многих отраслях строительства и промышленности.

Изготавливается он из так называемого первичного или пищевого алюминия или из различных сплавов. Лист алюминия имеет определенную толщину, она находится в диапазоне от 0.3 миллиметров до 10,5 миллиметров. Листы с большей толщиной относятся к алюминиевым плитам.
Алюминий листовой выпускается не только в чистом виде. Часто требуется такой алюминий, который бы мог противостоять коррозии, механическим повреждениям. Алюминиевый лист должен быть легким, прочным, пластичным, приспособленным для быстрого легкого монтажа.

В связи с этими требованиями очень популярен алюминий легированный. Главными легирующими добавками в чистый алюминий являются магний и марганец. Эти элементы способны придать чистому алюминию нужные свойства, например, антикоррозионные качества и неподверженность ударным нагрузкам. Легированный алюминий обычно используют в агрессивных химических средах, в негативных климатических условиях.

Легированный алюминиевый лист с небольшой плотностью отлично применяется в системах водо– и теплоснабжения в качестве изоляции. Он имеет маленький вес, пластичен, удобен в эксплуатации.

Алюминиевый лист 5083 – это материал, ставший прекрасной альтернативой обычным листам из алюминия. Это сплав алюминия и магния, последнего в нем не более 4,5 процентов. Он производится в четком соответствии с европейскими нормативами качества, хотя в России несколько неточно обозначается АМг4.5. Такая маркировка представляет собой аналог ГОСТа 4784-97. Сплав 5083 обладает высочайшей устойчивостью к коррозии, очень эластичен и отлично подлежит сварке.

Огромной востребованностью пользуется рифленый алюминиевый лист . Он являет собой алюминиевую пластину, с нанесенной на ее поверхность текстурой. Толщина этих пластин может разниться. Данный материал также состоит из разных сплавов, обладающих очень высокими антикоррозионными свойствами.

Помимо этого, рифленые листы алюминия прекрасно выдерживают любые атмосферные осадки, они крайне долго служат, не теряют свои эксплуатационные характеристики, легки и прочны, но при этом достаточно тонки. К тому же рифленые листы смотрятся привлекательно, не нарушают эстетики конструкции, а стоимость их, как правило, невысока.

Выпускается три типа рифленого алюминиевого листа, различающихся рисунком. Это «Квинтет», Дуэт» и «Алмаз». Различие их заключается в расположении ромбов сетчатого покрытия. Наибольшую любовь потребителей завоевал рисунок рифленой поверхности «Квинтет».

Применяют рифленый алюминий при устройстве пандусов, ступенек, полов, настилов и прочее. Например, их можно увидеть на подножках автобусов, автомобилей, в фабричных и заводских цехах, в общественных зданиях и магазинах. Такие листы не только не скользят, но и являются пожаробезопасными, поэтому популярны при отделке полов у каминов, котлов, печей.

Алюминий, свойства, сплавы, производство

Алюминий — химический элемент III группы периодической системы Менделеева (атомный номер 13, атомная масса 26,98154). В большинстве соединений алюминий трехвалентен, но при высоких температурах он способен проявлять и степень окисления +1. Из соединений этого металла самое важное — оксид Al2O3.

Алюминий — серебристый-белый металл, легкий (плотность 2,7 г/см 3 ) , пластичный, хороший проводник электричества и тепла, температура плавления 660 °C. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминий химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой — оксидом алюминия.) надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в оксид алюминия.

  • Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и серной кислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной и концентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты — соли, содержащие алюминий в составе аниона:
    • Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4] .
    • 2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2
    • Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4].
    • 2Al + 2NaOH +6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2.

    В чистом виде алюминий впервые был получен датским физиком Х. Эрстедом в 1825 году, хотя и является самым распространенным металлом в природе. Производство алюминия осуществляется электролизом глинозема Al2O3 в расплаве криолита NaAlF4 при температуре 950 °C. Алюминий применяется в авиации, строительстве, преимущественно в виде сплавов алюминия с другими металлами, электротехнике (заменитель меди при изготовлении кабелей и т.д.), пищевой промышленности (фольга), металлургии (легирующая добавка), алюмотермии и т.д.

    Плотность алюминия, удельный вес и другие характеристики.

    • Плотность — 2,7*10 3 кг/м 3 ;
    • Удельный вес — 2,7 г/cм 3 ;
    • Удельная теплоемкость при 20°C — 0,21 кал/град;
    • Температура плавления — 658,7°C ;
    • Удельная теплоемкость плавления — 76,8 кал/град;
    • Температура кипения — 2000°C ;
    • Относительное изменение объема при плавлении (ΔV/V) — 6,6%;
    • Коэффициент линейного расширения (при температуре около 20°C) : — 22,9 *10 6 (1/град);
    • Коэффициент теплопроводности алюминия — 180 ккал/м*час*град;

    Модули упругости алюминия и коэффициент Пуассона

    Наименование материалаМодуль Юнга, кГ/мм 2Модуль сдвига, кГ/мм 2Коэффициент Пуассона
    Алюминиевая бронза, литье105004200
    Алюминиевая проволока тянутая7000
    Алюминий катаный69002600-27000,32-0,36

    Отражение света алюминием

    Числа, приведенные в таблице, показывают, какая доля света в %, падающего перпендикулярно к поверхности, отражается от нее.

    Наименование волнДлина волныОтражение света, %
    Ультрафиолетовые1880
    2000
    2510
    3050
    3570
    25
    31
    53
    64
    70
    Видимые5000
    6000
    7000


    Инфакрасные8000
    10000
    50000
    100000

    74
    94
    97

    ОКСИД АЛЮМИНИЯ Al2O3

    Оксид алюминия Al2O3, называемый также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. Корунд обладает очень высокой твердостью. Его прозрачные кристаллы, окрашенные в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни — рубин и сапфир. В настоящее время рубины получают искусственно, сплавляя с глиноземом в электрической печи. Они используются не столько для украшений, сколько для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr2O3, применяют а качестве квантовых генераторов — лазеров, создающих направленный пучек монохроматического излучения.

    Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большое количество примесей — наждак, применяются как абразивные материалы.

    ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ

    Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al2O3 . К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. Россия располагает значительными запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, большие месторождения которых находятся на Урале и в Башкирии, богатым источником алюминия является нефелин, добываемый на Кольском полуострове. Много алюминия находится и в месторождениях Сибири.

    Алюминий получают из оксида алюминия Al2O3 электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al2O3 получают переработкой природного боксита.

    Основное исходное вещество для производства алюминия — оксид алюминия. Он не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050 °C), поэтому требуется слишком много энергии.

    Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 oC. Такой способ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Они обнаружили, что глинозем хорошо растворяется в раплавленном криолите — минерале состава AlF3 .3NaF. Этот расплав и подвергают элктролизу при температуре всего около 950 °C на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природе незначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенно удешевило производство алюминия.

    Гидролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na3 [AlF6 ] и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 весовых процентов Al2O3 , плавится при 960 °C и обладает электропроводностью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF3, CaF2 и MgF2. Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при 950 °C.

    Эликтролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичем. Его дно (под), собранное из блоков спресованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это — алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. На современных заводах электролизеры устанавливаются сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.

    При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде — кислород. Алюминий , обладающий большей плотностью , чем исходный расплав, собирается на дне эликтролизера, откуда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO2.

    Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове.

    СПЛАВЫ АЛЮМИНИЯ

    Сплавы, повышающие прочность и другие свойства алюминия, получают введением в него легирующих добавок, таких, как медь, кремний, магний, цинк, марганец.

    Дуралюмин (дюраль, дюралюминий, от названия немецкого города, где было начато промышленное производство сплава). Сплав алюминия (основа) с медью (Cu: 2,2-5,2%), магнием (Mg: 0,2-2,7%) марганцем(Mn: 0,2-1%). Подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. Является конструкционным материалом дла авиационного и транспортного машиностроения.

    Силумин — легкие литейные сплавы алюминия (основа) с кремнием (Si: 4-13%), иногда до 23% и некоторыми другими элементами: Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Изготавливают детали сложной конфигурации, главным образом в авто- и авиастроении.

    Магналии — сплавы алюминия (основа) с магнием (Mg: 1-13%) и другими элементами, обладающие высокой коррозийной стойкостью, хорошей свариаемостью, высокой пластичностью. Изготавливают фасонные отливки (литейные магналии), листы, проволоку, заклепки и т.д. (деформируемые магналии).

    Основные достоинства всех сплавов алюминия состоит в их малой плотностью (2,5-2,8 г/см3), высокая прочность (в расчете на единицу веса), удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии, сравнительная дешевизна и простота получения и обработка.

    Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды, спорттоваров, мебели, рекламе и других отраслях промышленности.

    По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

    Алюминий — одна из наиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана, никеля, цинка, железа.

    Алюминий применяется и для алитирования (алюминирования) — насыщения поверхности стальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильном нагревании, т.е. повышения жароупорности (до 1100 °C) и сопротивления атмосферной коррозии.

    Алюминий, свойства, сплавы, производство

    Алюминий — химический элемент III группы периодической системы Менделеева (атомный номер 13, атомная масса 26,98154). В большинстве соединений алюминий трехвалентен, но при высоких температурах он способен проявлять и степень окисления +1. Из соединений этого металла самое важное — оксид Al2O3.

    Алюминий — серебристый-белый металл, легкий (плотность 2,7 г/см 3 ) , пластичный, хороший проводник электричества и тепла, температура плавления 660 °C. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминий химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой — оксидом алюминия.) надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в оксид алюминия. Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и серной кислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной и концентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты — соли, содержащие алюминий в составе аниона:

    Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействуют с водой, вытесняя из нее водород:

    Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:

    Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи имеет следующий вид:

    Алюминий активно взаимодействует и с галогенами. Гидроксид алюминия Al(OH)3 — белое, полупрозрачное, студенистое вещество.

    В земной коре содержится 8,8% алюминия. Это третий по распространенности в природе элемент после кислорода и кремния и первый — среди металлов. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд. Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и другие). Важнейший минерал алюминия — боксит содержит 28-60% глинозема — оксида алюминия Al2O3.

    В чистом виде алюминий впервые был получен датским физиком Х. Эрстедом в 1825 году, хотя и является самым распространенным металлом в природе.

    Производство алюминия осуществляется электролизом глинозема Al2O3 в расплаве криолита NaAlF4 при температуре 950 °C.

    Алюминий применяется в авиации, строительстве, преимущественно в виде сплавов алюминия с другими металлами, электротехнике (заменитель меди при изготовлении кабелей и т.д.), пищевой промышленности (фольга), металлургии (легирующая добавка), алюмотермии и т.д.

    Плотность алюминия, удельный вес и другие характеристики.

    Плотность — 2,7*10 3 кг/м 3 ;
    Удельный вес — 2,7 г/cм 3 ;
    Удельная теплоемкость при 20°C — 0,21 кал/град;
    Температура плавления — 658,7°C ;
    Удельная теплоемкость плавления — 76,8 кал/град;
    Температура кипения — 2000°C ;
    Относительное изменение объема при плавлении (ΔV/V) — 6,6%;
    Коэффициент линейного расширения (при температуре около 20°C) : — 22,9 *10 6 (1/град);
    Коэффициент теплопроводности алюминия — 180 ккал/м*час*град;

    Модули упругости алюминия и коэффициент Пуассона

    Наименование материалаМодуль Юнга, кГ/мм 2Модуль сдвига, кГ/мм 2Коэффициент Пуассона
    Алюминиевая бронза, литье105004200
    Алюминиевая проволока тянутая7000
    Алюминий катаный69002600-27000,32-0,36

    Отражение света алюминием

    Числа, приведенные в таблице, показывают, какая доля света в %, падающего перпендикулярно к поверхности, отражается от нее.

    Наименование волнДлина волныОтражение света, %
    Ультрафиолетовые1880
    2000
    2510
    3050
    3570
    25
    31
    53
    64
    70
    Видимые5000
    6000
    7000


    Инфакрасные8000
    10000
    50000
    100000

    74
    94
    97

    ОКСИД АЛЮМИНИЯ Al2O3

    Оксид алюминия Al2O3, называемый также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. Корунд обладает очень высокой твердостью. Его прозрачные кристаллы, окрашенные в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни — рубин и сапфир. В настоящее время рубины получают искусственно, сплавляя с глиноземом в электрической печи. Они используются не столько для украшений, сколько для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr2O3, применяют а качестве квантовых генераторов — лазеров, создающих направленный пучек монохроматического излучения.

    Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большое количество примесей — наждак, применяются как абразивные материалы.

    ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ

    Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al2O3 . К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. Россия располагает значительными запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, большие месторождения которых находятся на Урале и в Башкирии, богатым источником алюминия является нефелин, добываемый на Кольском полуострове. Много алюминия находится и в месторождениях Сибири.

    Алюминий получают из оксида алюминия Al2O3 электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al2O3 получают переработкой природного боксита.

    Основное исходное вещество для производства алюминия — оксид алюминия. Он не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050 °C), поэтому требуется слишком много энергии.

    Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 oC. Такой способ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Они обнаружили, что глинозем хорошо растворяется в раплавленном криолите — минерале состава AlF3 .3NaF. Этот расплав и подвергают элктролизу при температуре всего около 950 °C на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природе незначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенно удешевило производство алюминия.

    Гидролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na3 [AlF6 ] и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 весовых процентов Al2O3 , плавится при 960 °C и обладает электропроводностью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF3, CaF2 и MgF2. Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при 950 °C.

    Эликтролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичем. Его дно (под), собранное из блоков спресованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это — алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. На современных заводах электролизеры устанавливаются сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.

    При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде — кислород. Алюминий , обладающий большей плотностью , чем исходный расплав, собирается на дне эликтролизера, откуда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO2.

    Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове.

    СПЛАВЫ АЛЮМИНИЯ

    Сплавы, повышающие прочность и другие свойства алюминия, получают введением в него легирующих добавок, таких, как медь, кремний, магний, цинк, марганец.

    Дуралюмин (дюраль, дюралюминий, от названия немецкого города, где было начато промышленное производство сплава). Сплав алюминия (основа) с медью (Cu: 2,2-5,2%), магнием (Mg: 0,2-2,7%) марганцем(Mn: 0,2-1%). Подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. Является конструкционным материалом дла авиационного и транспортного машиностроения.

    Силумин — легкие литейные сплавы алюминия (основа) с кремнием (Si: 4-13%), иногда до 23% и некоторыми другими элементами: Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Изготавливают детали сложной конфигурации, главным образом в авто- и авиастроении.

    Магналии — сплавы алюминия (основа) с магнием (Mg: 1-13%) и другими элементами, обладающие высокой коррозийной стойкостью, хорошей свариаемостью, высокой пластичностью. Изготавливают фасонные отливки (литейные магналии), листы, проволоку, заклепки и т.д. (деформируемые магналии).

    Основные достоинства всех сплавов алюминия состоит в их малой плотностью (2,5-2,8 г/см3), высокая прочность (в расчете на единицу веса), удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии, сравнительная дешевизна и простота получения и обработка.

    Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды, спорттоваров, мебели, рекламе и других отраслях промышленности.

    По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

    Алюминий — одна из наиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана, никеля, цинка, железа.

    Алюминий применяется и для алитирования (алюминирования) — насыщения поверхности стальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильном нагревании, т.е. повышения жароупорности (до 1100 °C) и сопротивления атмосферной коррозии.

    голоса
    Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector