Алюминий — самый распространенный металл в мире и третий по распространенности элемент, составляющий 8% земной коры. Благодаря своей универсальности алюминий является самым широко используемым металлом после стали.
Производство алюминия
Алюминий получают из минерала боксита. Боксит перерабатывают в оксид алюминия (глинозем) по Байеровскому процессу. Затем глинозем преобразуют в металлический алюминий с помощью электролитических ячеек и процесса Холла-Эру.
Годовой спрос на алюминий
Мировой спрос на алюминий составляет около 29 миллионов тонн в год. Примерно 22 миллиона тонн приходится на новый алюминий, а 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 электроэнергии. В то же время для переплавки и переработки одной тонны алюминия требуется всего 5% от этого объема. Различий в качестве между первичными и переработанными алюминиевыми сплавами нет.
Применение алюминия
ЧистыйалюминийАлюминий — мягкий, пластичный, коррозионностойкий металл с высокой электропроводностью. Он широко используется для изготовления фольговых и проводящих кабелей, но для обеспечения более высокой прочности, необходимой для других применений, требуется легирование другими элементами. Алюминий — один из самых легких конструкционных металлов, обладающий соотношением прочности к весу, превосходящим сталь.
Благодаря сочетанию различных преимуществ, таких как прочность, легкость, коррозионная стойкость, возможность вторичной переработки и формуемость, алюминий находит все более широкое применение. Ассортимент продукции варьируется от конструкционных материалов до тонких упаковочных пленок.
Обозначения сплавов
Алюминий чаще всего сплавляют с медью, цинком, магнием, кремнием, марганцем и литием. Также добавляют небольшие количества хрома, титана, циркония, свинца, висмута и никеля, а железо неизменно присутствует в небольших количествах.
Существует более 300 деформируемых сплавов, 50 из которых широко используются. Обычно они обозначаются четырехзначной системой, которая возникла в США и в настоящее время общепринята. В таблице 1 описана система обозначений для деформируемых сплавов. Литые сплавы имеют аналогичные обозначения и используют пятизначную систему.
Таблица 1.Обозначения для деформируемых алюминиевых сплавов.
| Легирующий элемент | Кованый |
|---|---|
| Нет (более 99% алюминия) | 1XXX |
| Медь | 2XXX |
| Марганец | 3XXX |
| Кремний | 4XXX |
| Магний | 5XXX |
| Магний + Кремний | 6XXX |
| Цинк | 7XXX |
| Литий | 8XXX |
Для нелегированных деформируемых алюминиевых сплавов, обозначенных 1XXX, последние две цифры обозначают чистоту металла. Они эквивалентны последним двум цифрам после десятичной точки, когда чистота алюминия выражается с точностью до 0,01 процента. Вторая цифра указывает на изменения пределов 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 отдельные 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, указывает на исходный сплав, а целые числа от 1 до 9 указывают на последовательные модификации сплава.
Физические свойства алюминия
Плотность алюминия
Плотность алюминия составляет примерно одну треть от плотности стали или меди, что делает его одним из самых легких металлов, доступных на рынке. Благодаря высокому соотношению прочности к весу, он является важным конструкционным материалом, позволяющим увеличить полезную нагрузку или сэкономить топливо, особенно в транспортной отрасли.
Прочность алюминия
Чистый алюминий не обладает высокой прочностью на растяжение. Однако добавление легирующих элементов, таких как марганец, кремний, медь и магний, может повысить прочностные свойства алюминия и позволить получить сплав со свойствами, подходящими для конкретных применений.
АлюминийХорошо подходит для холодных условий. Его преимущество перед сталью заключается в том, что его прочность на растяжение увеличивается с понижением температуры, сохраняя при этом свою ударную вязкость. Сталь же, напротив, становится хрупкой при низких температурах.
Коррозионная стойкость алюминия
При воздействии воздуха на поверхности алюминия практически мгновенно образуется слой оксида алюминия. Этот слой обладает превосходной коррозионной стойкостью. Он достаточно 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 охлаждения, так и для нагрева, например, в теплообменниках. В сочетании с его нетоксичностью это свойство позволяет широко использовать алюминий в кухонной утвари и принадлежностях.
Электропроводность алюминия
Наряду с медью, алюминий обладает достаточно высокой электропроводностью для использования в качестве проводника электричества. Хотя проводимость широко используемого проводящего сплава (1350) составляет всего около 62% от проводимости отожженной меди, он весит лишь треть от нее и, следовательно, может проводить вдвое больше электричества по сравнению с медью того же веса.
Отражательная способность алюминия
Алюминий, от ультрафиолетового до инфракрасного излучения, является превосходным отражателем лучистой энергии. Коэффициент отражения видимого света около 80% позволяет использовать его в осветительных приборах. Те же самые свойства отражательной способности делают его...алюминийИдеально подходит в качестве теплоизоляционного материала для защиты от солнечных лучей летом и предотвращения теплопотерь зимой.
Таблица 2.Свойства алюминия.
| Свойство | Ценить |
|---|---|
| Атомный номер | 13 |
| Атомная масса (г/моль) | 26.98 |
| Валентность | 3 |
| Кристаллическая структура | ФКС |
| Температура плавления (°C) | 660.2 |
| Температура кипения (°C) | 2480 |
| Средняя удельная теплоемкость (0-100°C) (кал/г·°C) | 0,219 |
| Теплопроводность (0-100 °C) (кал/см·°C) | 0,57 |
| Коэффициент линейного расширения (0-100°C) (x10⁻⁶/°C) | 23.5 |
| Электрическое сопротивление при 20 °C (Ом·см) | 2.69 |
| Плотность (г/см³) | 2.6898 |
| Модуль упругости (ГПа) | 68.3 |
| Коэффициент Пуассона | 0,34 |
Механические свойства алюминия
Алюминий может подвергаться сильной деформации без разрушения. Это позволяет формовать алюминий с помощью прокатки, экструзии, волочения, механической обработки и других механических процессов. Также его можно отливать с высокой точностью.
Для изменения свойств алюминия можно использовать легирование, холодную обработку и термообработку.
Предел прочности на растяжение чистого алюминия составляет около 90 МПа, но для некоторых термообрабатываемых сплавов он может быть увеличен до более чем 690 МПа.
Алюминиевые стандарты
Старый стандарт BS1470 был заменен девятью стандартами EN. Стандарты EN приведены в таблице 4.
Таблица 4.Стандарты EN для алюминия
| Стандарт | Объем |
|---|---|
| EN485-1 | Технические условия проверки и поставки |
| EN485-2 | Механические свойства |
| EN485-3 | Допуски для горячекатаного материала |
| EN485-4 | Допуски для холоднокатаного материала |
| EN515 | Обозначения закалки |
| EN573-1 | Система числового обозначения сплавов |
| EN573-2 | система обозначений химических символов |
| EN573-3 | Химический состав |
| EN573-4 | Формы продуктов в различных сплавах |
Стандарты EN отличаются от старого стандарта BS1470 в следующих областях:
- Химический состав – неизменен.
- Система нумерации сплавов – без изменений.
- В настоящее время обозначения термообрабатываемых сплавов охватывают более широкий диапазон специальных состояний. Для нестандартных применений введены обозначения до четырех цифр после буквы Т (например, T6151).
- Обозначения состояний термообработки для сплавов, не поддающихся термической обработке: существующие состояния термообработки остались неизменными, но теперь они определены более подробно с точки зрения способа их создания. Мягкое (O) состояние теперь обозначается как H111, а также введено промежуточное состояние H112. Для сплава 5251 состояния термообработки теперь обозначаются как H32/H34/H36/H38 (эквивалентно H22/H24 и т. д.). Состояния H19/H22 и H24 теперь обозначаются отдельно.
- Механические свойства остаются практически неизменными. В сертификатах испытаний теперь необходимо указывать предел текучести 0,2%.
- Допустимые отклонения были ужесточены в различной степени.
Термическая обработка алюминия
К алюминиевым сплавам можно применять различные виды термической обработки:
- Гомогенизация – удаление сегрегации путем нагревания после литья.
- Отжиг – применяется после холодной обработки для размягчения упрочняющихся сплавов (1XXX, 3XXX и 5XXX).
- Упрочнение путем осаждения или старения (сплавы 2XXX, 6XXX и 7XXX).
- Термическая обработка раствором перед старением дисперсионно-упрочняемых сплавов.
- Печь для отверждения покрытий
- После термообработки к обозначениям добавляется суффикс.
- Суффикс F означает «изготовлено в оригинальном виде».
- Буква O означает «отожженные кованые изделия».
- Буква Т означает, что изделие подверглось термической обработке.
- W означает, что материал подвергся термической обработке в растворе.
- H обозначает сплавы, не подвергающиеся термической обработке, которые «холоднодеформированы» или «упрочнены деформацией».
- К сплавам, не подлежащим термической обработке, относятся сплавы групп 3XXX, 4XXX и 5XXX.
Дата публикации: 16 июня 2021 г.
