Алюминий и его сплавы: характеристика, свойства, применение

Предостережение

Алюминий не заложен изначально в биологические организмы. Но человек получает его микродозы ежедневно – с пищей.

Им богаты горох, пшеница, рис, овсяный «геркулес». Доказана польза алюминия как стимулятора регенерации, развития тканей, работы ЖКТ, ферментов.

По стандартам РФ, в литре питьевой воды не должно быть более 0,2 мг алюминия.

Алюминиевой посудой пользоваться можно, но ограниченно. Безопасны готовка, подогрев, хранение продуктов с нейтральными характеристиками. Приготовление кислых блюд (щи, томат, компот) опасно. Алюминий поступит в еду, создавая избыточную дозу при попадании в организм, плюс «железный» привкус.

Растворяется ли алюминий в воде?

Растворимость в воде зависит от природы растворителя. Давайте объясним это подробно.

Растворимость алюминия в чистой воде очень мала. Al может растворяться в воде в диапазоне рН 5.5-5.0. Концентрация растворенного алюминия изменяется в зависимости от значения рН воды.

Почему и как растворимость алюминия в воде очень мала?

Растворимость алюминия в воде очень низкая из-за образования оксида алюминия ( Al₂O₃). К₂O₃ создает слой поверх свежеприготовленного необработанного алюминия. Это не растворяется в воде. Поэтому металлический алюминий не может контактировать с водой и не растворяется в воде.

Как был открыт алюминий

Алюминий – это легкий металл, относящийся к парамагнетикам. В чистом виде его можно встретить лишь в жерлах вулканов, но в ничтожно малом количестве. А между тем элемент значительно широко распространен в земной коре, но только в виде различных соединений.

И среди металлов он занимает лидирующее положение, поскольку его концентрация приближается к 8 % от общей массы элементов. Больше его на Земле только кислорода и кремния. А если сравнить залежи с золотом, то количество последнего всего пять миллионных долей от одного процента (0,000005 %).

Алюминий можно встретить буквально везде. Есть он в тканях животных и растений. Также подтверждено присутствие и в воде. В ней он в основном находится в виде соединения – фторида алюминия. И если в морской воде его концентрация достигает лишь 0,01 мг/л, то в некоторых пресных водоемах количество доходит даже до 10 мг/л.

Но для серьезной разработки этого недостаточно. Поэтому основная добыча алюминия приходится на получение его из бокситов, алунитов и нефелинов. А также из базальтов, гранита и даже глины. И в основном в них он содержится в виде алюмосиликата. А в России самые богатые залежи находятся в районе Урала и Сибири.

Рудник боксит Тимана в РоссииИсточник news.myseldon.com

Первые упоминания о применении алюминия пришли к нам из древности. Люди натолкнулись на вещество, которое имело отличные связывающие свойства. Его назвали квасцами и стали использовать при дублении кожи.

Именно латинское название квасцов (alumen) и послужило для обозначения современного алюминия. А в те времена так именовали горькую соль. Ведь состояло вещество из алюмокалия. И впервые разобрать квасцы на составляющие попытался Парацельс в 16 столетии. Он отделил от вещества «квасцовую землю». Так был получен оксид алюминия.

Но названия у элемента в то время не было. А появилось оно только в 18 веке, когда эксперименты Парацельса стал повторять немецкий химик Маргграф. Свойства металла заинтересовали научный мир своей уникальностью. И с этого момента не прекращались попытки получить алюминий в чистом виде.

Готовый к отправке на производство алюминийИсточник berezovskiy.pulscen.ru

Кроме немецких ученых в борьбу вступили также английские и датские физики. И среди последних отличился Ганс Эрстед. Лабораторным путем он смог из хлорида алюминия выделить чистый металл. Восстановление проводилось амальгамой калия при нагревании.

Впоследствии немецкий химик Вёлер улучшил способ. А в 1854 году французский ученый Сент-Клер Девиль, заменив калий на более безопасный натрий, смог добиться более стабильных результатов. И уже через два года предоставил ученому сообществу первый алюминиевый слиток, полученный полупромышленным способом.

В те временя электролиз требовал значительных финансовых затрат. Поэтому не удивительно, что алюминий был дороже золота. Последнее все же присутствовало в аналитических весах, которые были подарены Дмитрию Менделееву от имени британского ученого мира. За его выдающиеся заслуги.

Чашки измерительного прибора были сделаны из алюминия, что по тем временам считалось чуть ли непозволительной роскошью. Выполнить прибор полностью из такого дорогого металла не смогли позволить себе даже столь богатые колонизаторы. Поэтому алюминий частично заменили на золото.

Весы из алюминия, подаренные Менделееву британскими ученымиИсточник dom.sibmama.ru

С начала двадцатого столетия цены на электроэнергию стабилизировались. Поэтому алюминий начали добывать в промышленных масштабах. Именно этот период ознаменовался открытием большинства инновационных технологий, где начали применять алюминий.

Физические свойства[править]

https://youtube.com/watch?v=l7E9MAyJuCo%3F

Физические свойства алюминия

Алюминий — серебристо-белый легкий металл, хороший проводник тепла и электричества, пластичен, легко поддается механической обработке.

Кристаллическая структура и атомный радиусправить

Алюминий имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку (пространственная группа Fm3m). Ближайшее расстояние между двумя атомами составляет 2,863Å. Период кристаллической решетки алюминия a = 4,0414 Å при комнатной температуре. Кристаллическая решетка стабильна при температурах от 4К и до температуры плавления 933К. Параметр решетки очень слабо меняется от наличия примесей.

Атомный радиус алюминия определяется как половина расстояния между ближайшими атомами-соседями в кристаллической структуре и равен 1,43Å. В кристаллической структуре алюминия металлическая связь.

Плотностьправить

Теоретическая плотность алюминия рассчитана по параметрам его кристаллической решетки составляет 2,69872 г / см³. Экспериментальные данные плотности для поликристаллического алюминия 99,996 % чистоты составляют 2,6989 (20 °C) г / см, а для монокристаллов — на 0,34 % выше.

Так, плотность расплавленного алюминия чистотой 99,996 % на 6,6 % меньше, чем у твердого металла, и при температуре 973 К составляет 2357 кг / м³ и почти линейно снижается до 2304 кг / м³ при температуре 1173 К.

Термическое расширениеправить

Коэффициент термического расширения α отожженного алюминия чистотой 99,99 % при температуре 293 К составляет 23 · 10−6 и практически линейно возрастает до 37,3 · 10−6 К−1 при температуре 900 К.

Теплопроводность
Теплопроводность полностью отожженного алюминия в твердом состоянии снижается с ростом температуры от 2,37 (298 К) до 2,08 Вт · см−1 · К−1 (933,5 К) и при температурах выше 100 К она малочувствительна к чистоте металла.

При нагревании алюминия и переходе его из твердого состояния в жидкое у него резко уменьшается теплопроводность: с 2,08 до 0,907 Вт · см−1 · К−1, а дальше с ростом температуры она увеличивается и при температуре 1000 ° C составляет уже 1, 01 Вт · см−1 · К−1.

Электропроводностьправить

Удельное сопротивление алюминия высокой чистоты (99,99 %) при температуре 20 °C составляет 2,6548 · 10−8. Проводимость алюминия сильно зависит от его чистоты, причем влияние различных примесей зависит не только от концентрации этой примеси, но и от того она находится в твердом растворе или вне его. Наиболее сильно повышают сопротивление алюминия примеси хрома, лития, марганца, магния, титана и ванадия. Удельное сопротивление ρ (мкОм · м) отожженной алюминиевой проволоки в зависимости от содержания примесей (%) можно приблизительно определить по следующей формуле:

ρ = 0,0264 + 0,007Si + 0,0007Fe + 0,04 (Ti + V + Cr + Mn)

При температуре 1,175 ± 0,001 К алюминий переходит в сверхпроводящее состояние.

Удельное сопротивление алюминия при переходе из твердого состояния в жидкое скачком возрастает с 11 до 24 мкОм · см.

Плавление и кристаллизацияправить

Температура плавления алюминия очень чувствительна к чистоте металла и для высокочистого алюминия (99,996 %) составляет 933,4 К (660,3 °C), а температура начала кристаллизации алюминия по Шкале температур Кельвина (1968 г.) считается равной 660,37 °C и используется на протяжении десятков лет для калибровки термопар. Повышение внешнего давления увеличивает температуру плавления алюминия, и она достигает 700 °C при давлении около 100 МПа.

Температура кипения алюминия составляет примерно 2452 ° C, скрытая теплота плавления чистого алюминия — 397 Дж · ч−1, а скрытая теплота испарения 9462 Дж · ч−1.

Удельная теплоемкость С_р алюминия при 0 °C составляет 0,90 Дж · ч−1 · К−1, с увеличением температуры вони растет и определяется уравнением:

Ср = С0 + bT,

где С — теплоемкость при температуре 0 °C; b = 2,96 · 10−3; T — температура (в К).

Поверхностное натяжениеправить

Поверхностное натяжение σ имеет максимальное значение при температуре плавления и с ростом температуры он снижается:

σ = 868 — 0,152 (t — tп),

где σ — поверхностное натяжение, Н / м; t — температура, ° C; t_п — температура плавления алюминия, °C.

Вязкостьправить

Вязкость алюминия при температуре плавления составляет 0,012 Па · с и увеличивается при наличии даже небольшого содержания твердых включений, например, оксида алюминия и нерастворимых примесей. С ростом температуры вязкость снижается. Легирующие добавки Ti, Fe, Cu увеличивают, а Si и Mg снижают вязкость сплава.

Месторождения бокситов

Запасы бокситов в мире ограничены. На всем земном шаре всего семь районов с его богатыми залежами. Это Гвинея в Африке, Бразилия, Венесуэла и Суринам в Южной Америке, Ямайка в Карибском регионе, Австралия, Индия, Китай, Греция и Турция в Средиземноморье и Россия.

В странах, где есть богатые месторождения бокситов, может быть развито и производство алюминия. Россия добывает бокситы на Урале, в Алтайском и Красноярском краях, в одном из районов Ленинградской области, нефелин — на Кольском полуострове.

Самые богатые месторождения принадлежат именно российской объединенной компании UC RUSAL. За ней идут гиганты Rio Tinto (Англия-Австралия), объединившийся с канадской Alcan и CVRD. На четвертом месте находится компания Chalco из Китая, затем американо-австралийская корпорация Alcoa, которые являются и крупными производителями алюминия.

Как производят крылатый металл

Производство металла можно разделить на две стадии.

• Первая — добыча бокситов, их дробление и отделение кремния при помощи пара.
• Вторая стадия: глинозем смешивают с расплавленным криолитом и воздействуют на смесь электротоком. В процессе реакции жидкий алюминий оседает на дне ванны.

Образовавшийся металл отливают в слитки; далее он отправляется потребителям или на производство сплавов и высокочистого алюминия.

Метод энергозатратный, «кушает» много электричества.

Бывает технический и сверхчистый

Полученный алюминий называется техническим или нелегированным. В нем содержание чистого металла не менее 99%. Его потребляет электронная промышленность, он необходим в производстве теплообменных и нагревательных устройств, осветительного оборудования.

Часть этого металла отправляется на дополнительную очистку, «рафинирование». В результате имеем металл высокой чистоты, с содержанием алюминия не менее 99,995%.

Его употребляют в электронике, в производстве полупроводников. Кабельное производство, химическое машиностроение сейчас не обойдется без сверхчистого алюминия.

Интересно: до открытия промышленного способа получения алюминия он был редкостью и стоил дороже золота. Нашего великого химика, Д.И. Менделеева, британцы почтили подарком. Это были аналитические весы (вещь, незаменимая для химика), у которых чашечки изготовили из золота и алюминия.

Металл для крыльев

Без такого металла, как алюминий, невозможно покорение неба. Крыльев людям не дано, а летать хочется человеку с давних времен. Не напрасно миф об Икаре живет с античных времен. Попытки взлететь предпринимались неоднократно.

Но прорыв случился в 1903 году, когда романтики неба и замечательные механики братья Райт подняли в воздух самолетик. Этот самолет открыл путь в небо.

Взаимодействие алюминия со сложными веществами

с водой

Как уже было сказано выше, стойкая и прочная оксидная пленка из Al₂O₃ не дает алюминию окисляться на воздухе. Эта же защитная оксидная пленка делает алюминий инертным и по отношению к воде. При снятии защитной оксидной пленки с поверхности такими методами, как обработка водными растворами щелочи, хлорида аммония или солей ртути (амальгирование), алюминий начинает энергично реагировать с водой с образованием гидроксида алюминия и газообразного водорода:

с оксидами металлов

После поджигания смеси алюминия с оксидами менее активных металлов (правее алюминия в ряду активности) начинается крайне бурная сильно-экзотермическая реакция. Так, в случае взаимодействия алюминия с оксидом железа (III) развивается температура 2500-3000оС. В результате этой реакции образуется высокочистое расплавленное железо:

2AI + Fe₂O₃ = 2Fe + Аl₂О₃

Данный метод получения металлов из их оксидов путем восстановления алюминием называется алюмотермией или алюминотермией.

с кислотами-неокислителями

Взаимодействие алюминия с кислотами-неокислителями, т.е. практически всеми кислотами, кроме концентрированной серной и азотной кислот, приводит к образованию соли алюминия соответствующей кислоты и газообразного водорода:

2Аl + 6Н+ = 2Аl3+ + 3H₂;

-концентрированной серной кислотой

Взаимодействие алюминия с концентрированной серной кислотой в обычных условиях, а также низких температурах не происходит вследствие эффекта, называемого пассивацией. При нагревании реакция возможна и приводит к образованию сульфата алюминия, воды и сероводорода, который образуется в результате восстановления серы, входящей в состав серной кислоты:

Такое глубокое восстановление серы со степени окисления +6 (в H₂SO₄) до степени окисления -2 (в H₂S) происходит благодаря очень высокой восстановительной способности алюминия.

— концентрированной азотной кислотой

Концентрированная азотная кислота в обычных условиях также пассивирует алюминий, что делает возможным ее хранение в алюминиевых емкостях. Так же, как и в случае с концентрированной серной, взаимодействие алюминия с концентрированной азотной кислотой становится возможным при сильном нагревании, при этом преимущественно параллельно протекают реакции:

— разбавленной азотной кислотой

Взаимодействие алюминия с разбавленной по сравнению с концентрированной азотной кислотой приводит к продуктам более глубокого восстановления азота. Вместо NO в зависимости от степени разбавления могут образовываться N₂O и NH₄NO₃:

8Al + 30HNO_{3(оч. разб)} = 8Al(NO₃)₃ + 3NH₄NO₃ + 9H₂O

со щелочами

Алюминий реагирует как с водными растворами щелочей:

так и с чистыми щелочами при сплавлении:

В обоих случаях реакция начинается с растворения защитной пленки оксида алюминия:

Аl₂О₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]

Аl₂О₃ + 2NaOH = 2NaAlO₂ + Н₂О

В случае водного раствора алюминий, очищенный от защитной оксидной пленки, начинает реагировать с водой по уравнению:

Образующийся гидроксид алюминия, будучи амфотерным, реагирует с водным раствором гидроксида натрия с образованием растворимого тетрагидроксоалюмината натрия:

Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]

История[править]

Статуя Антерос на площади Пиккадилли в Лондоне, изготовленная в 1893 и является одной из первых статуй, отлитых из алюминия

Название алюминий происходит от слова alumen (квасцы), которое в свою очередь произошло за Исидором (VII в. до н. э.), в связи с применением этого вещества в качестве протравы для краски: «Alumen vocatur a lumin e, quod lumen coloribus praestat tingendis».Плиний описывает квасцы и их соединения и находит память о них еще в трудах Геродота (V в. до н. э.) под названием σττπτηρία. Однако в то время квасцы не отличали от соединений с аналогичным действием, например железного купороса. В чистом виде квасцы были получены, очевидно, алхимиками. Земля, которая была в основе квасцов, то есть оксид алюминия, была впервые получена в 1754 году Маргграф, и позже получила название глинозем.

Хэмфри Дэви в 1808 году определил существование металла основы квасцов, и назвал его алюмиум, а позже алюминум. В течение 1808—1810 годов он пытался электролитически выделить этот металл из глинозема, однако это ему не удалось.

Впервые получить металлический алюминий удалось датскому физику Гансу Кристиану Эрстеду в 1825 году, термическим восстановлением безводного хлорида алюминия амальгамой калия.

Этот способ был усовершенствован Фридрихом Велером, который вместо амальгамы применил чистый калий в 1827 году. Веллеру также принадлежит первое примерно точное описание свойств металла.

В 1854 году Анри Сент-Клер Девиль усовершенствовал метод Веллера и наладил промышленное производство алюминия. Девиль в процессе получения алюминия заменил калий дешевым натрием, а также хлорид алюминия смесью AlCl₃ с NaCl, за счет чего компоненты смеси находились в расплавленном состоянии. Опыты на заводе Жавеля завершились успешно и 18 июля 1855 года были получены первые слитки металла массой 6-8 кг, которые были показаны на Всемирной выставке в Париже. В то время алюминий был настолько дорогим, что на выставке он был выставлен рядом с сокровищами из государственной казны, а император Наполеон III использовал посуду из алюминия на государственных приемах.

В 1865 году русский ученый Николай Бекетов применил реакцию взаимодействия между криолитом и магнием для получения алюминия. Его способ мало чем отличался от способа Девилля, но был проще. В немецком городе Гмелингеми в 1885 году был построен завод, который работал по методу Бекетова, где за пять лет было получено 58 т алюминия — более 1/4 всего мирового производства алюминия в течение 1854—1890 годов.

Добыча алюминия химическим способом не могла обеспечить промышленность дешевым металлом, поэтому исследователям пришлось искать другие способы производства алюминия.

Еще в 1854 году Бунзену удалось получить алюминий электролитическим путем, а именно электролизом двойного хлорида натрия и алюминия.

В 1886 году Пауль Эру в Франции и Чарльз Гол в США почти одновременно, независимо друг от друга предложили добывать алюминий электролизом глинозема, расплавлением в криолите, чем начали современный способ получения алюминия. Мировое производство алюминия быстро росло и в 1893 году превысило 1 тыс. тонн в год.

В России первые 8 кг алюминия были получены 27 марта 1929 года в Ленинграде на заводе «Красный избиратель». В 1932 г. вступил в строй первый в СССР Волховский алюминиевый завод, а на следующий год — Днепровский в Запорожье (первый алюминиевый завод на Украине).

Строение атома

Алюминий – это 13 элемент периодической таблицы. Он находится в третьем периоде, III группе, главной подгруппе.

Свойства и применение алюминия связаны с его электронным строением. Атом алюминия имеет положительно заряженное ядро (+13) и 13 отрицательно заряженных электронов, располагающихся на трёх энергетических уровнях. Электронная конфигурация атома – 1s22s22p63s23p1.

На внешнем энергетическом уровне находится три электрона, которые определяют постоянную валентность III. В реакциях с веществами алюминий переходит в возбуждённое состояние и способен отдавать все три электрона, образуя ковалентные связи. Как и другие активные металлы, алюминий является мощным восстановителем.

Рис. 1. Строение атома алюминия.

Алюминий – амфотерный металл, образующий амфотерные оксиды и гидроксиды. В зависимости от условий соединения проявляют кислотные или основные свойства.

Рафинирование алюминия

Чтобы получить более высокие степени чистоты алюминия применяют специальные технологии. Чистоту 99,99 % достигают путем зональной плавки или обработки жидкого алюминия методом Хупса (Hoopes).

Метод очистки Хупса

Метод Хупса – это трехслойный электролитический процесс, в котором применяют расплавленную соль с плотностью более высокой, чем у жидкого алюминия (рисунок 5). Комбинацией этих двух методов очистки можно достигать чистоты алюминия 99,999 %.

Рисунок 5 – Печь для рафинирования алюминия по методу Хупса

Нижний слой служит в качестве анода. Он состоит из рафинированного (очищенного) алюминиевого сплава с медью. Медь вводится для того, чтобы увеличить плотность нижнего слоя. Средний слой – это расплавленный электролит. Его плотность ниже, чем плотность анодного сплава и выше, чем плотность уже очищенного алюминия, который “плавает” сверху электролита.

Очистка алюминия происходит за счет растворения примесей на аноде в результате электрохимических реакций.

Очистка алюминия зонной плавкой

Принцип зонной плавки заключается в повторяемых проходах зоны плавления вдоль алюминиевого слитка. Примеси, которые снижают точку плавления алюминия, скапливаются в зоне плавления и постепенно перемещаются к концу слитка. К таким примесям относятся, например, олово, бериллий, кальций, железо, кобальт, никель, магний, медь, кремний, цинк. Примеси, которые повышают точку плавления, концентрируются в начале слитка. К таким примесям относятся, например, хром, титан, молибден, ванадий. Марганец не изменяет температуру плавления и поэтому не двигается под воздействием зоны плавления. Зонной плавкой достигают чистоты алюминия 99,9999 % .

Важнейшие свойства

Алюминий предлагает широкий спектр свойств, которые легко находят ему применение во многих конкретных технических проектах. Это обеспечивается широким выбором сплавов, их состояний и технологии изготовления. Свойства алюминия и его сплавов, которые дают им широкое применение включают следующие:

Алюминий и его сплавы являются легкими, их плотность составляет только одну треть от плотности стали.
Алюминий и алюминиевые сплавы доступны в широком интервале величин прочности – от пластичного и мягкого  технически чистого алюминия до высокопрочных сплавов с пределом прочности на растяжение до 690 МПа.
Алюминиевые сплавы имеют высокую удельную прочность, то есть прочность на единицу массы.
Алюминий сохраняет свою прочность при низких температурах и часто применяется в криогенных условиях.
Алюминий имеет высокое сопротивление коррозии в большинстве условий эксплуатации. При этом, в отличие от стали, он не образует продуктов коррозии, которые портят внешний вид изделий и конструкций
Алюминий является хорошим проводником тепла и электричества.
Алюминий обладает высокой отражательной способностью.
Алюминий является немагнитным. Это свойство является важным в электротехнической и электронной промышленности.
Алюминий не является самовоспламеняющимся

Это важно при работе с воспламеняющимися или взрывчатыми материалами.
Алюминий является нетоксичным. В большом количестве он применяется в качестве контейнеров для продуктов и напитков.
Алюминий имеет привлекательный внешний вид в своем естественном виде

Его естественная поверхность может быть обработана до матовой, блестящей или зеркальной. Легко поддается  нанесению защитно-декоративных покрытий, например, анодированию или порошковой окраске.
 Алюминий легко и многократно подвергается вторичной переработке, то есть переплавке и изготовлению новой готовой продукции. Это дает большие экономические и экологические выгоды.
Алюминий легко обрабатывается. Алюминий можно формовать и обрабатывать всеми известными методами обработки металлов, а также способами их соединения.  

Применение

Файл:Aluminum Metal.jpg

Кусок алюминия и американская монетка.

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al₂O₃, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевая фольга в пищевой промышленности и для упаковки.

Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).

Электропроводность алюминия сравнима с медью, при этом алюминий дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Правда, у алюминия как электротехнического материала есть неприятное свойство — из-за прочной оксидной плёнки его тяжело паять.

• Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.
• В производстве строительных материалов как газообразующий агент.
• Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин, теплообменной аппаратуре, а также заменяют цинкование.
• Сульфид алюминия используется для производства сероводорода.
• Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.

В качестве восстановителя

• Как компонент термита, смесей для алюмотермии
• Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов.

Сплавы на основе алюминия

В качестве конструкционного материала обычно используют не чистый алюминий, а разные сплавы на его основе.

• Алюминиево-магниевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошо свариваются; из них делают, например, корпуса быстроходных судов.
• Алюминиево-марганцевые сплавы во многом аналогичны алюминиево-магниевым.
• Алюминиево-медные сплавы (в частности, дюралюминий) можно подвергать термообработке, что намного повышает их прочность. К сожалению, термообработанные материалы нельзя сваривать, поэтому детали самолётов до сих пор соединяют заклёпками.
• Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов.
• Комплексные сплавы на основе алюминия: авиаль.
• Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 Кельвина.

Алюминий как добавка в другие сплавы

Алюминий является важным компонентом многих сплавов. Например, в алюминиевых бронзах основные компоненты — медь и алюминий. В магниевых сплавах в качестве добавки чаще всего используется алюминий. Для изготовления спиралей в электронагревательных приборов используют (наряду с другими сплавами) фехраль (Fe, Cr, Al).

Ювелирные изделия

Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Мода на них сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

Алюминий и его соединения в ракетной технике

Алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твердых ракетных топливах. Следующие соединения алюминия представляют наибольший практический интерес как ракетное горючее:

• Алюминий: горючее в ракетных топливах. Применяется в виде порошка и суспензий в углеводородах и др.
• Гидрид алюминия.
• Боранат алюминия.
• Триметилалюминий.
• Триэтилалюминий.
• Трипропилалюминий.

Теоретические характеристики топлив, образованных гидридом алюминия с различными окислителями.

Окислитель	Удельная тяга(Р1,сек)	Температура сгорания °С	Плотность топлива г/см3	Прирост скорости, ΔVид,25, м/сек	Весовое содерж.горючего %
Фтор	348,4 сек	5009°С	1,504	5328 м/сек	25%
Тетрафторгидразин	327,4 сек	4758°С	1,193	4434 м/сек	19%
ClF3	287,7 сек	4402°С	1,764	4762 м/сек	20%
ClF5	303,7 сек	4604°С	1,691	4922 м/сек	20%
Перхлорилфторид	293,7 сек	3788°С	1,589	4617 м/сек	47%
Окись фтора	326,5 сек	4067°С	1,511	5004 м/сек	38,5%
Кислород	310,8 сек	4028°С	1,312	4428 м/сек	56%
Перекись водорода	318,4 сек	3561°С	1,466	4806 м/сек	52%
N2O4	300,5 сек	3906°С	1,467	4537 м/сек	47%
Азотная кислота	301,3 сек	3720°С	1,496	4595 м/сек	49%

Алюминий на наших кухнях

Наряду с глобальными новостройками в нашей жизни еще немало мест, где алюминий занимает одну из ведущих ролей. И самую маленькую, но не менее важную площадь занимают наши кухни. Но если внимательно присмотреться, то серебристый металл захватил там, чуть ли не господствующее положение.

В нашем мире всегда полным-полно крайностей. Одни стремятся окружить себя только предметами роскоши. Другие стараются экономить везде, где это только можно. Так и на наших кухнях можно увидеть либо дорогую сталь с позолотой, либо дешевый пластик. И в основном это касается корпусов бытовой техники. Начиная от кофеварки и заканчивая холодильником.

Но в мире еще достаточно и людей, которые придерживаются золотой середины. И как не банально это звучит, они выбирают аппаратуру, заключенную в алюминиевый корпус. Ведь это самое разумное решение, которое может предложить производитель. Оно решает сразу несколько проблем.

Алюминиевый корпус кофемашиныИсточник tiu.ru

В плане надежности и прочности конструкции, алюминий может легко поспорить со сталью. Отсюда и высокая безопасность при эксплуатации, поскольку материал не ржавеет и не горит. А высокая его пластичность позволяет штамповать различные формы, которые легко впишутся в любой дизайн кухни. От современного до ретро или кантри.

Кстати. Очень модный хай-тек вообще невозможен без серебристых сооружений. А все из-за великолепного блеска алюминия. Но бывает, что даже матовая поверхность смотрится намного выигрышнее. Правда, это все дело вкуса.

А на втором месте после техники находится кухонная посуда. Но приоритеты могут быть другими. А чтобы развеять возражения скептиков, следует указать на один факт. Современная посуда из алюминия, это далеко не то, к чему привык бывший советский обыватель. Времена, когда на кухнях ели из матовых алюминиевых мисок, ковыряясь в них серыми (а не серебристыми) ложками или вилками, давно прошли.

Алюминиевые сплавы

Чем легируют алюминий

Чистый алюминий имеет очень низкую прочность и его применение как конструкционного материала весьма ограничено.

Когда в алюминий добавляют другие элементы — легирующие элементы — он повышает свою прочность благодаря различным упрочняющим механизмам.

Алюминий, в принципе,  возможно легировать большинством металлических элементов. Однако только некоторые из них имеют достаточную растворимость в твердом состоянии, чтобы быть основными легирующими элементами.

Наиболее важными легирующими элементами алюминия являются:

• медь;
• марганец;
• магний;
• кремний и
• цинк.

Вместе с тем, значительное число других элементов оказывают заметный эффект на улучшение свойств алюминиевых сплавов. Их добавляют в небольших количествах. Эти элементы включают хром, тот же марганец и цирконий, которые применяют в основном для контроля зеренной структуры.

Максимальная растворимость легирующих элементов в алюминии обычно, но не всегда,  достигается при эвтектической температуре.  Растворимость легирующих элементов в твердом алюминии снижается со снижением температуры. Это изменение растворимости в твердом алюминии является основой для упрочнения алюминиевых сплавов за счет механизма старения.

Откуда железо в алюминии

Все промышленные сплавы содержат примерно от 0,1 до 0,4 % железа (по массе). Обычно железо в алюминиевом сплаве считается примесью. Его содержание зависит от исходной руды и технологии электролиза при его выплавке. Иногда железо добавляют намеренно для придания материалу особых свойств, например, до 1 % в сплавах для изготовления алюминиевой фольги.

Для чего добавки в алюминии

В комбинации с одним или более основными легирующими элементами часто применяют дополнительные элементы:

• висмут,
• бор,
• хром,
• свинец,
• титан и
• цирконий.

Эти элементы обычно применяют в малых количествах, как правило, до 0,1 %. Однако в некоторых алюминиевых сплавах содержание бора, свинца и хрома может достигать 0,5 %. Благодаря этим малым добавкам сплавы получают необходимые свойства для конкретных условий, такие как, хорошая текучесть при литье, высокое качество механической обработки, теплостойкость, коррозионная стойкость, высокая прочность.

Категории алюминиевых сплавов

Удобно разделять алюминиевые сплавы на две основных категории:

• литейные сплавы и
• деформируемые сплавы.

В каждой из этих категорий дальнейшее разделение основано главном механизме, который отвечает за формирование их свойств – термически упрочняемые сплавы и термически неупрочняемые сплавы. Сплавы последней группы получают свои конечные свойства в результате деформационной обработки – нагартовки. Поэтому иногда их называют более позитивно — деформационно упрочняемые или даже «нагартовываемые».

О сплавах 6060, 6063, АД31

«Рулят» в мировом производстве алюминиевых профилей сплавы серии 6ххх — алюминиевые сплавы легированные магнием и кремнием — каждым по около одного процента. Европейский стандарт EN 573-3 насчитывает их около 30 штук. Из этих тридцати сплавов наиболее широко применяются алюминиевые сплавы:

• и
• , а также
• 6005А,
• и
• 6082.

Из этих пяти сплавов в мире изготавливается более 90 % всех прессованных алюминиевых профилей.

Рисунок 7 – Популярные алюминиевые сплав серии 6ххх

Зарубежные алюминиевые сплавы

В настоящее время общепризнанной является система обозначений алюминиевых сплавов, которая была введена  Американской Алюминиевой Ассоциацией (AA). Этой системы придерживаются и международные стандарты ISO, и европейские стандарты EN.

Каждый деформируемый сплав обозначается сочетанием четырех цифр, например, 2024. Первая цифра обозначает серию сплавов. Каждая из семи серий сплавов имеет один или два основных легирующих элементов. Например, в случае сплава 2024 из серии 2ххх – это медь.

Обозначения литейных сплавов также состоит из четырех цифр, однако между третьей и четвертой цифрами стоит точка, например,  380.0.

В России и других странах СНГ наряду с международной системой обозначений широко применяется и традиционная система буквенно-цифровая обозначений алюминиевых сплавов, например, АД31.

(Очень подробно и понятно об алюминиевых сплавах: Aluminum and Aluminum Alloys / ed. J.R. Davis – ASM International, 1993)