Описание алюминия: характеристики, применение и свойства

Алюминий стал активно использоваться в быту и промышленном производстве на рубеже XIX – XX веков. Фактически он стал более дешевой альтернативой меди, немного уступая ей по некоторым параметрам. Жизнь современного человека невозможно представить без изделий из этого легкого металла.

Что представляет собой алюминий

Чаще всех встречающийся в земной коре металл – это алюминий. Распространение его столь велико, что уступает он только кислороду и кремнию. Алюминий – это материал с небольшой массой и плотностью (2.7 кг/м3 в чисто виде), что позволяет отнести его к категории легких металлов. Для алюминия характерна низкая температура плавления, он хорошо проводит ток и тепло.

В чистом виде этот металл имеет предел прочности в 90 МПа, но при термообработке или соединении с медью это показатель возрастает до 700 Мпа.

Знак алюминия Al (Aluminium), в периодической таблице ему присвоен номер 13. Цвет алюминия изначально белый, но при взаимодействии с воздухом на поверхности металла быстро возникает тонкая оксидная пленка. Именно эта пленка защищает материал от дальнейшего окисления, существенно повышая его устойчивость к коррозии.

Чистый (до 99,99%) элемент предназначается только для лабораторных целей. Для промышленного производства предназначен технически чистый металл. Уменьшить пластичность алюминия, и повысить прочность несложно путем внесения в расплав кремния и железа. Структура элемента представляет собой простые ячейки, имеющие по четыре атома в составе.

Характеристики и свойства

Известный всем гибкий и легкий металл белого цвета с серебристым оттенком обладает целым рядом полезных технических свойств:

• тепло и электропроводность;
• холодостойкость;
• ковкость и пластичность;
• устойчивость к коррозии.

Податливый металл легко поддается любой обработке (штамповке, ковке, волочению, прокату, полировке). Материал хорошо обрабатывается давлением, а удалить наклеп и восстановить пластичность деталей из алюминия позволяет отжиг при температурном режиме в пределах 350 градусов.

Температура плавления напрямую связана с чистотой металла. Для сверхчистого элемента этот показатель составляет 660,3 градуса, наличие 0,5% примесей повышает температуру плавления до 657 градусов. При наличии 1% примесей алюминий начнет плавиться при 643 градусах.

Химическая активность элемента делает алюминий в природе доступным в качестве компонента разных минералов. Эта же особенность влечет за собой образование поверхностной защитной пленки, практически исключающей коррозийные изменения.

Эксплуатационные свойства алюминия, его низкая стоимость и простота обработки относят материал к категории наиболее востребованных элементов. Скорректировать некоторые параметры металла помогают различные компоненты в сплавах.

Виды сплавов алюминия

Для производства конструкционных элементов применяют деформируемые сплавы алюминия. Алюминий в машиностроении представлен отдельным классом литейных сплавов.

В зависимости от применяемых методов термической и механической обработки сплав с алюминием может быть:

• закаленным;
• нагартованным;
• отожженным;
• состаренным (естественным или искусственным путем).

Отдельная классификация основана на типе легирующих компонентов, входящих в состав различных соединений.

• Дюралюминий представляет собой соединение алюминия и меди, достаточно прочный, но не устойчивый к коррозии материал. Повысить текучесть сплава помогает добавка магния, железо и кремний в качестве дополнительных компонентов повышают жаростойкость сплава.
• Алюминиево-магниевые сплавы характеризуются устойчивостью к коррозионным изменениям, высокой вибростойкостью, хорошей свариваемостью. Чаще всего они предназначены для фасонного литья. В перечень дополнительных компонентов входят кремний, марганец, титан.
• Силумин представляет собой соединение алюминия и кремния. Сплав отличается отменными литейными свойствами, что позволяет применять его для производства корпусов для механизмов и разного оборудования.
• Соединения алюминия с марганцем пластичны, хорошо свариваются, не поддаются коррозии.
• Авиаль представляет собой соединение алюминия, кремния и магния. Пластичность и малый вес позволяют использовать материал в авиастроении. Кроме того, соединение применяют для изготовления корпусов современных смартфонов.

Отдельно необходимо отметить соединения, где алюминий выступает в качестве добавки. Самым простым примером послужит кухонная посуда, до недавнего времени имевшаяся в обиходе граждан нашей страны.

Особенности производства

В зависимости от чистоты алюминий делят на две категории:

• высокой чистоты (99,95%);
• технический алюминий (99,8%).

Металлургическая промышленность производит металл технической категории, который при необходимости подвергают процессу дополнительной очистки.

Внешний вид первичного алюминия

Технологический процесс производства можно разделить на несколько технологических этапов:

• добыча сырья (бокситов);
• изготовление глинозема;
• процесс производственного электролиза;
• отливка первичного металла;
• производство сплавов или дополнительная очистка;
• переработка вторичного сырья.

В состав бокситной руды входит от 45 до 48% глинозема, кремнезем, соединения титана и железа. Природное сырьё направляют на обогатительные фабрики. Технология очистки глинозема основана на методике К. Байера. Руда загружается в автоклавы, нагревается с едким натром, затем подвергается охлаждению. Твердый осадок отделяют, осаждают и прокаливают гидроокись.

Конечный продукт представляет собой чистый глинозем (оксид алюминия). Его подвергают анализу на чистоту и калибровку, затем превращают в алюминий. Особенности материала исключают использование традиционных для других металлов методов восстановления.

В современной металлургии используют метод Холла-Эру, изобретенный в конце XIX века. Проводится тестирование технологии частичного восстановления для получения металлического алюминия. Методика предполагает выделение карбида алюминия, который разлагается при 1950 градусах. Предварительные вычисления показывают высокий уровень рентабельности данной технологии. Нефелины попутно используют для производства кальцинированной соды, удобрений, поташа, цемента.

Сферы применения

Существует множество направлений хозяйственной деятельности, где используется и применяется алюминий:

• В промышленном производстве это в первую очередь конструкционный материал. Из него изготавливают трубы, проволоку, листовой прокат, кабельную продукцию, детали для автомобилей, радиаторы отопления. Чистый металл предназначен для выпуска оборудования для химической отрасли, облаток конденсаторов.
• Алюминий востребован в электротехнике, холодильных системах, нефтедобывающей отрасли. В металлургии он служит базовым компонентом для разных сплавов, применяется в качестве восстановителя и раскислителя.
• Алюминий в быту применяется для пищевых целей (упаковка продуктов питания, фольга для запекания). Из него изготавливают столовые приборы, емкости для хранения, посуду (армейские котелки и фляги).