Алюминий — самый распространённый металл в мире и третий по распространённости элемент, составляющий 8% земной коры. Благодаря своей универсальности алюминий является самым распространённым металлом после стали.

Производство алюминия

Алюминий получают из минерала боксита. Боксит перерабатывается в оксид алюминия (глинозем) по процессу Байера. Затем глинозем перерабатывается в металлический алюминий с помощью электролизеров и процесса Холла-Эру.

Годовой спрос на алюминий

Мировой спрос на алюминий составляет около 29 миллионов тонн в год. Около 22 миллионов тонн приходится на новый алюминий и 7 миллионов тонн на переработанный алюминиевый лом. Использование переработанного алюминия экономически и экологически выгодно. Для производства 1 тонны нового алюминия требуется 14 000 кВт·ч. Для переплавки и переработки одной тонны алюминия требуется всего 5% этого количества. Качество первичных и переработанных алюминиевых сплавов одинаково.

Применение алюминия

ЧистыйалюминийМягкий, пластичный, коррозионностойкий и обладает высокой электропроводностью. Он широко используется для производства фольги и токопроводящих кабелей, но для обеспечения более высокой прочности, необходимой для других применений, требуется легирование другими элементами. Алюминий — один из самых лёгких конструкционных металлов, превосходящий сталь по соотношению прочности к массе.

Благодаря сочетанию таких преимуществ, как прочность, лёгкость, коррозионная стойкость, пригодность к переработке и формуемость, алюминий находит всё более широкое применение. Спектр его применения простирается от конструкционных материалов до тонкой упаковочной плёнки.

Обозначения сплавов

Алюминий чаще всего сплавляют с медью, цинком, магнием, кремнием, марганцем и литием. Также в сплав добавляют небольшие количества хрома, титана, циркония, свинца, висмута и никеля, а железо всегда присутствует в небольших количествах.

Существует более 300 видов деформируемых сплавов, 50 из которых широко используются. Обычно они обозначаются четырёхзначной системой, разработанной в США и в настоящее время общепринятой. В таблице 1 описана система для деформируемых сплавов. Литейные сплавы имеют схожие обозначения и используют пятизначную систему.

Таблица 1.Обозначения деформируемых алюминиевых сплавов.

Для нелегированных деформируемых алюминиевых сплавов, обозначенных кодом 1XXX, последние две цифры обозначают чистоту металла. Они эквивалентны последним двум цифрам после запятой, если чистота алюминия округлена до 0,01%. Вторая цифра указывает на изменение предельных значений содержания примесей. Если вторая цифра равна нулю, это означает, что нелегированный алюминий имеет естественные пределы содержания примесей, а цифры от 1 до 9 указывают на индивидуальные примеси или легирующие элементы.

Для групп от 2XXX до 8XXX последние две цифры обозначают различные алюминиевые сплавы в группе. Вторая цифра указывает на модификации сплава. Вторая цифра, равная нулю, обозначает исходный сплав, а целые числа от 1 до 9 — последовательные модификации сплава.

Физические свойства алюминия

Плотность алюминия

Плотность алюминия составляет примерно треть плотности стали или меди, что делает его одним из самых лёгких коммерчески доступных металлов. Благодаря высокому соотношению прочности к массе он становится важным конструкционным материалом, позволяющим увеличить полезную нагрузку и снизить расход топлива, особенно в транспортной отрасли.

Прочность алюминия

Чистый алюминий не обладает высокой прочностью на разрыв. Однако добавление легирующих элементов, таких как марганец, кремний, медь и магний, может повысить прочностные характеристики алюминия и создать сплав со свойствами, соответствующими конкретным условиям применения.

АлюминийХорошо подходит для эксплуатации в условиях низких температур. Его преимущество перед сталью заключается в том, что его прочность на разрыв увеличивается с понижением температуры, при этом сохраняется прочность. Сталь же, напротив, становится хрупкой при низких температурах.

Коррозионная стойкость алюминия

При контакте с воздухом на поверхности алюминия практически мгновенно образуется слой оксида алюминия. Этот слой обладает превосходной коррозионной стойкостью. Он довольно устойчив к большинству кислот, но менее устойчив к щелочам.

Теплопроводность алюминия

Теплопроводность алюминия примерно в три раза выше, чем у стали. Это делает алюминий важным материалом как для систем охлаждения, так и для отопления, например, для теплообменников. В сочетании с его нетоксичностью это свойство алюминия широко используется в производстве кухонной утвари и кухонных принадлежностей.

Электропроводность алюминия

Как и медь, алюминий обладает достаточно высокой электропроводностью, что позволяет использовать его в качестве проводника. Хотя проводимость широко используемого проводящего сплава (1350) составляет всего около 62% от проводимости отожжённой меди, он весит всего втрое меньше и, следовательно, может проводить вдвое больше электричества по сравнению с медью той же массы.

Отражательная способность алюминия

Алюминий отлично отражает лучистую энергию в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного. Коэффициент отражения видимого света около 80% позволяет широко использовать его в осветительных приборах. Благодаря этим же свойствам отражательной способности…алюминийидеально подходит в качестве изоляционного материала для защиты от солнечных лучей летом и предотвращения потерь тепла зимой.

Таблица 2.Свойства алюминия.

Механические свойства алюминия

Алюминий может подвергаться значительным деформациям без разрушения. Это позволяет обрабатывать алюминий прокаткой, экструзией, волочением, механической обработкой и другими механическими методами. Его также можно отливать с высокой точностью.

Легирование, холодная обработка и термическая обработка могут использоваться для регулирования свойств алюминия.

Прочность на растяжение чистого алюминия составляет около 90 МПа, но для некоторых термообрабатываемых сплавов ее можно увеличить до более чем 690 МПа.

Стандарты алюминия

Старый стандарт BS1470 был заменён девятью стандартами EN. Стандарты EN представлены в таблице 4.

Таблица 4.Стандарты EN для алюминия

Стандарты EN отличаются от старого стандарта BS1470 в следующих областях:

• Химический состав – без изменений.
• Система нумерации сплавов – без изменений.
• Обозначения термически обработанных сплавов теперь охватывают более широкий диапазон специальных состояний. Для нестандартных применений введено до четырёх цифр после буквы «Т» (например, T6151).
• Обозначения состояний для нетермообрабатываемых сплавов – существующие состояния остались без изменений, но теперь они более полно определены с точки зрения способа их получения. Мягкий (O) уровень теперь обозначается как H111, а промежуточный уровень – H112. Для сплава 5251 состояния теперь обозначаются как H32/H34/H36/H38 (эквивалентно H22/H24 и т. д.). H19/H22 и H24 теперь обозначаются отдельно.
• Механические свойства остаются на уровне предыдущих показателей. В сертификатах испытаний теперь необходимо указывать предел текучести 0,2%.
• Допуски были ужесточены в разной степени.
  

  Термическая обработка алюминия

  К алюминиевым сплавам можно применять ряд видов термической обработки:

  • Гомогенизация – устранение ликвации путем нагревания после литья.
  • Отжиг — применяется после холодной обработки для смягчения упрочняющихся сплавов (1XXX, 3XXX и 5XXX).
  • Дисперсионное или старение (сплавы 2XXX, 6XXX и 7XXX).
  • Термическая обработка на твердый раствор перед старением дисперсионно-твердеющих сплавов.
  • Печь для отверждения покрытий
  • После термической обработки к цифрам обозначения добавляется суффикс.
  • Суффикс F означает «как сфабриковано».
  • О означает «отожженные кованые изделия».
  • T означает, что продукт подвергся «термической обработке».
  • W означает, что материал подвергся термической обработке на твердый раствор.
  • H относится к необрабатываемым термически сплавам, которые подвергаются «холодной обработке» или «деформационному упрочнению».
  • К нетермоупрочняемым сплавам относятся сплавы групп 3XXX, 4XXX и 5XXX.