Алуминий, свойства, сплави, производство - Инженерен наръчник
Алуминият е химичен елемент от група III на периодичната система на Менделеев (атомен номер 13, атомна маса 26,98154). В повечето съединения алуминият е тривалентен, но при високи температури може също да прояви степен на окисление +1. От съединенията на този метал най-важен е оксидът на Al2O3.
Алуминий - сребристо-бял метал, лек (плътност 2,7 g/cm 3 ), пластичен, добър проводник на електричество и топлина, точка на топене 660 °C. Лесно се изтегля на тел и се разточва на тънки листове. Алуминият е химически активен (на въздух е покрит със защитен оксиден филм - алуминиев оксид.) Надеждно защитава метала от по-нататъшно окисление. Но ако алуминиевият прах или алуминиевото фолио се нагреят силно, металът гори с ослепителен пламък, превръщайки се в алуминиев оксид.
- Алуминият се разтваря дори в разредена солна и сярна киселина, особено при нагряване. Но в силно разредена и концентрирана студена азотна киселина алуминият не се разтваря. Когато водните разтвори на алкали действат върху алуминий, оксидният слой се разтваря и се образуват алуминати - соли, съдържащи алуминий в състава на аниона:
- Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4] .
В чист вид алуминият е получен за първи път от датския физик Х. Ерстед през 1825 г., въпреки че е най-често срещаният метал в природата. Производството на алуминий се извършва чрез електролиза на алуминиев оксид Al2O3 в стопилка от криолит NaAlF4 при температура 950 °C. Алуминият се използва в авиацията, строителството, главно под формата на алуминиеви сплави с други метали, електротехниката (заместител на медта при производството на кабели и др.), хранително-вкусовата промишленост (фолио), металургията (добавка към сплави), алуминотермия и др.
Плътност на алуминия, специфично тегло и други характеристики.
- Плътност - 2.7*10 3 kg/m 3 ;
- Специфично тегло - 2.7 g/cm 3 ;
- Специфична топлина при 20°C - 0.21cal/deg;
- Точка на топене - 658.7°C;
- Специфичен топлинен капацитет на топене - 76,8 cal/deg;
- Точка на кипене - 2000°C;
- Относителна промяна на обема при топене (ΔV/V) - 6,6%;
- Коефициент на линейно разширение (при около 20°C): - 22,9 *10 6 (1/deg);
- Коефициент на топлопроводимост на алуминия - 180 kcal/m*h*deg;
Модули на еластичност на алуминий и коефициент на Поасон
| Име на материала | Модул на Юнг, kg/mm 2 | Модул на срязване, kg/mm 2 | Коефициент на Поасон |
| Алуминиев бронз, отливка | 10500 | 4200 | - |
| Изтеглена алуминиева тел | 7000 | - | - |
| Валцован алуминий | 6900 | 2600-2700 | 0,32-0,36 |
Отражение на светлината от алуминий
Числата, дадени в таблицата, показват какъв процент светлина, падаща перпендикулярно на повърхността, се отразява от нея.
| Име на вълните | Дължина на вълната | Отражение на светлината, % |
| ултравиолетов | 1880 2000 2510 3050 3570 | 25 31 53 64 70 |
| Видими | 5000 6000 7000 | - - - |
| инфрачервена | 8000 10000 50000 100000 | - 74 94 97 |
АЛУМИНИЕВ ОКСИД Al2O3
Алуминиевият оксид Al2O3, наричан също алуминиев оксид, се среща естествено в кристална форма, образувайки минерала корунд. Корундът има много висока твърдост. Неговите прозрачни кристали, оцветени в червено или синьо, са скъпоценни камъни - рубин и сапфир. В момента рубините се получават изкуствено чрез сливане с алуминиев оксид в електрическа пещ. Те се използват не толкова за бижута, колкото за технически цели, например за производство на части за прецизни инструменти, камъни в часовници и др. Рубинените кристали, съдържащи малък примес Cr2O3, се използват като квантови генератори - лазери, които създават насочен лъч монохроматично лъчение.
Като абразивни материали се използват корундът и неговата финозърнеста разновидност, съдържаща голямо количество примеси - шмиргел.
ПРОИЗВОДСТВО НА АЛУМИНИЙ
Основната суровина заПроизводството на алуминий са боксити, съдържащи 32-60% алуминиев оксид Al2O3. Най-важните алуминиеви руди също включват алунит и нефелин. България разполага със значителни запаси от алуминиеви руди. В допълнение към бокситите, големи находища на които се намират в Урал и Башкирия, нефелинът, добит на полуостров Кола, е богат източник на алуминий. Много алуминий се намира и в находищата на Сибир.
Алуминият се получава от алуминиев оксид Al2O3 чрез електролитен метод. Алуминиевият оксид, използван за това, трябва да бъде достатъчно чист, тъй като примесите се отстраняват от разтопения алуминий много трудно. Пречистен Al2O3 се получава чрез обработка на естествен боксит.
Основният изходен материал за производството на алуминий е алуминиевият оксид. Той не провежда електричество и има много висока точка на топене (около 2050 °C), така че изисква твърде много енергия.
Необходимо е да се намали точката на топене на алуминиевия оксид най-малко до 1000 oC. Този метод е открит паралелно от французина П. Еру и американеца С. Хол. Те откриха, че двуалуминиевият оксид се разтваря добре в разтопен криолит, минерал със състав AlF3.3NaF. Тази стопилка се подлага на електролиза при температура само около 950 ° C при производството на алуминий. Запасите от криолит в природата са незначителни, затова е създаден синтетичен криолит, което значително намалява разходите за производство на алуминий.
Разтопена смес от криолит Na3 [AlF6] и алуминиев оксид се подлага на хидролиза. Смес, съдържаща около 10 тегловни процента Al2O3, се топи при 960°C и има електропроводимост, плътност и вискозитет, които са най-благоприятни за процеса. За допълнително подобряване на тези характеристики в състава на сместа се въвеждат добавки AlF3, CaF2 и MgF2. Благодарение на това,електролизата е възможна при 950 °C.
Електролизерът за топене на алуминий е железен корпус, облицован с огнеупорни тухли отвътре. Дъното му (отдолу), сглобено от блокове пресовани въглища, служи като катод. Анодите (един или повече) са разположени отгоре: това са алуминиеви рамки, пълни с въглищни брикети. В съвременните заводи електролизерите се инсталират последователно; всяка серия се състои от 150 или повече клетки.
По време на електролиза на катода се отделя алуминий, а на анода се отделя кислород. Алуминият, който има по-висока плътност от първоначалната стопилка, се събира на дъното на електролизера, откъдето периодично се освобождава. Тъй като металът се освобождава, към стопилката се добавят нови порции алуминиев оксид. Кислородът, освободен по време на електролиза, взаимодейства с въглерода на анода, който изгаря, образувайки CO и CO2.
Първият завод за алуминий в България е построен през 1932 г. във Волхов.
АЛУМИНИЕВИ СПЛАВИ
Сплави, които повишават якостта и други свойства на алуминия, се получават чрез въвеждане на легиращи добавки в него, като мед, силиций, магнезий, цинк, манган.
Дуралуминий (дуралуминий, дуралуминий, от името на немския град, където е започнало промишленото производство на сплавта). Алуминиева сплав (основа) с мед (Cu: 2,2-5,2%), магнезий (Mg: 0,2-2,7%), манган (Mn: 0,2-1%). Подлага се на втвърдяване и стареене, често плакиран с алуминий. Това е конструктивен материал за авиационното и транспортното машиностроене.
Силумин - леки ляти алуминиеви сплави (основа) със силиций (Si: 4-13%), понякога до 23% и някои други елементи: Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Те произвеждат части със сложна конфигурация, главно в автомобилната и самолетната промишленост.
Магналии - алуминиеви сплави (основа)с магнезий (Mg: 1-13%) и други елементи, притежаващи висока устойчивост на корозия, добра заваряемост, висока пластичност. Изработват профилни отливки (леярски магнали), листове, тел, нитове и др. (деформируема магналия).
Основните предимства на всички алуминиеви сплави са тяхната ниска плътност (2,5-2,8 g/cm3), висока якост (на единица тегло), задоволителна устойчивост на атмосферна корозия, сравнителна евтиност и лекота на производство и обработка.
По отношение на широчината на приложение алуминиевите сплави се нареждат на второ място след стоманата и чугуна.
Алуминият е една от най-разпространените добавки в сплави на базата на мед, магнезий, титан, никел, цинк и желязо.
Алуминият се използва и заалуминизиране (алуминизиране) - насищане на повърхността на стоманени или чугунени продукти с алуминий, за да се предпази основният материал от окисляване при силно нагряване, т.е. повишават топлоустойчивостта (до 1100 °C) и устойчивостта на атмосферна корозия.