Алюминий: характеристики металла, сплавы и композиты, производство

Алюминий: характеристики металла, сплавы и композиты, производство

Каким в «техническом (технологическом)» сознании человечества видится идеальный материал? Конечно же, массово доступным и относительно недорогим, прочным и лёгким, удачно сочетающимся с другими материалами. Неплохо было бы видеть материал устойчивый к нагреванию, влиянию коррозии, обладающий хорошей электрической проводимостью. Что же, как показывает история существования человечества, такой материал доступен. Это знакомый многим – алюминий, основа самых различных изделий бытового и промышленного назначения.

Общие сведения по третьему химическому элементу

Наиболее распространенным химическим элементом среди присутствующих в земной коре элементов считается алюминий. Это третий по величине химический элемент планеты Земля (количественно выигрывают только кислород и кремний). В плане применения под изготовление разного рода изделий, алюминий стоит на втором месте (первое место занимает железо).

Алюминий - популярный металл века
Популярность этого металла на современном этапе развития технологий не поддаётся измерениям. На основе алюминия производятся самые разные изделия, необходимые для комфортного существования социума

Современное общество ежедневно сталкивается с алюминием, применяет этот материал как само собой разумеющееся деяние. На основе распространённого химического элемента делается практически всё, начиная одноразовыми банками под напитки и фольгой для приготовления пищи. Металл серо-белого цвета активно используется для нужд высокотехнологичной промышленности, где изготавливаются реактивные двигатели самолётов и корпуса военных кораблей.

Что представляет собой серо-белый металл?

Рассматривая структуру алюминия, следует отметить следующие моменты:

  • мягкая,
  • лёгкая,
  • огнеупорная,
  • жаростойкая,
  • легко обрабатываемая,
  • электропроводящая.

Структуре присуща также эффективная отражательная способность относительно света и тепла. Крайне выгодное для производства преимущество – этот металл не ржавеет, плюс отмечается хорошая реакция с другими химическими веществами, в частности, с кислородом. При этом характерным явлением становится образование внешнего оксидного слоя. Традиционно эти факторы называют физическими и химическими свойствами металлов.

Алюминиевые сплавы

Элемент поддерживает возможности комбинирования с другими элементами таблицы Менделеева. В результате  изготовления комбинаций образуются алюминиевые сплавы.  Для справки: сплавом характеризуется металл, состоящий в связи с другими элементами. Сплавы создаются с целью получения нового материала, обладающего улучшенными техническими (технологическими) свойствами.

Алюминий и сплавы на основе этого металла
Сплавы алюминиевые позволяют получать продукцию, которая обладает более высокими эксплуатационными характеристиками по сравнению с чистым продуктом

Ниже представлен список металлов, традиционно используемых для изготовления алюминиевых сплавов:

  • литий,
  • бор,
  • марганец,
  • медь,
  • олово,
  • магний,
  • кремний,
  • цинк.

Допускается смесь с одним или группой металлов списка, в зависимости от требуемых параметров создаваемого сплава.

Композитный алюминий

Допустимо также комбинирование алюминия с другими материалами несколько иначе, получая в итоге композиты.  Речь идёт о гибридных материалах, созданных из двух или более материалов, сохранивших собственную индивидуальность без химического объединения, смешивания или растворения.

Так, например, для алюминия характерными являются свойства «фонового материала» (матрицы) при создании так называемого композиционного материала с металлической матрицей (КММ). Этот композиционный материал усилен частицами карбида кремния с целью достижения свойств:

  • прочности,
  • жёсткости,
  • лёгкого веса.

Такого рода материал, удачно подходит для нужд аэрокосмического, электронного, автомобилестроительного секторов промышленности, нежели просто алюминий.

Для каких целей используется металл алюминий?

Будучи в чистом виде, алюминий представляет очень мягкую материальную структуру. Если требуется создать изделие прочное, но при этом лёгкое по весу, износостойкое и способное выдерживать высокие температуры (двигатели самолётов, автомобилей и т.п.), металл смешивают с медью.

Алюминий и высокотехнологичные конструкции двигателей
Материальная структура, достигнутая посредством современных технологий обработки металлов, позволяет создавать высокотехнологичные конструкции, где преимущественно представлены алюминиевые детали

С другой стороны, к примеру, под упаковку пищевых продуктов нет нужды в особой прочности, но при этом нужен материал легко формируемый. Так вот, эти качества «формовки» несложно получить, смешивая алюминий с магнием. Современным социумом широко используется электрическая энергия, которую требуется передавать на значительные расстояния. И здесь вновь помогает серо-белый металл.

Конечно, для передачи электрической энергии допустимо использовать медь — оптимальный проводник электричества. Однако этот металл отличается большим весом и коммерческой дороговизной. Алюминий — удачный вариант замены меди, но этот металл несколько хуже проводит электричество по сравнению с медью.

Одним из решений недостаточной проводимости является изготовление силовых кабелей на основе алюминия, легированного бором. Бор проводит электрический ток практически на одном уровне с медью. Как правило, алюминиевые сплавы с бором содержат 90–99% алюминия.

Каким видится производство алюминия?

Металлу присуще свойство активной реакции с кислородом, что крайне осложняет добычу в чистом виде. Традиционно алюминий присутствует массово внутри земной коры как порода (необработанный скальный материал), называемая — боксит.

Скальное образование - боксит, где присутствует алюминий
Скальное образование – боксит, являющийся своего рода сырьевым элементом, который используется в производственном процессе алюминия с учётом изначального получения металла (не переработки)

Боксит — общее название гидратированного глинозема — вещества, обычно получаемого смесью 2/3 оксида алюминия и 1/3 молекулы воды, присутствующей в кристаллической структуре. Учитывая местонахождение боксита, определяется содержание ряда различных примесей:

  • оксида железа,
  • оксида кремния,
  • оксида титана.

Согласно проведённым исследованиям в мировом масштабе, на текущий момент в распоряжении человечества 55–75 млрд. тонн запасов бокситов. Этого количества вполне достаточно, чтобы полностью удовлетворить будущий спрос на серо-белый металл.

Однако, как превратить боксит в металл, пригодный под обработку? Для этого необходимо избавиться от примесей и воды, а также отделить атомы алюминия от атомов кислорода. Отсюда вытекает логичный вывод: изготовление технологического металла требует многоступенчатого технологического процесса.

Технологический процесс производства

Прежде всего, боксит следует добыть из структуры земной коры. Добытая основа измельчается, высушивается, очищается от примесей с целью получения остатка только оксида алюминия. Затем используется электрическая технология – электролиз с целью разделения оксида на алюминий и кислород.

После процедуры отделения, полученный чистый металл отливается в блоки (слитки). Отлитые блоки позволяют применять к ним разные виды обработки, формовать или использовать в качестве сырья для изготовления алюминиевых сплавов. Изготовление пригодного для использования металла из скальных кусков боксита является длительным, грязным, энергоёмким процессом.

Учитывая технологические сложности, предприятиям алюминиевой промышленности больше интересен процесс переработки, например, тех же алюминиевых банок из-под напитков. Таким способом быстрее, дешевле и легче получать конечный продукт, нежели перерабатывать бокситы. Процесс переработки также оказывает меньшее вредное влияние на окружающую среду, экономит значительное количество энергии.


 


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *