Алюминий: получение, свойства, применение, сплавы

                                       Автономная некоммерческая организация

Высшего профессионального образования

Центросоюза Российской Федерации

«Российский университет кооперации                                                                        Волгоградский кооперативный институт (филиал)

 

 

Кафедра естественнонаучных дисциплин, математики и информатики

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Химия»

на тему «Алюминий: получение, свойства, применение, сплавы»

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

студентка 2 курса

группы  Тб-21-Д

Степанова С.Р.

 

Проверил:

Прокшиц В.Н.

 

 

Волгоград 2013

Содержание

1. Введение
2. Получение алюминия
3. Свойства алюминия
4. Применение алюминия
5. Сплавы алюминия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Алюми́ний — элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элемент главной подгруппы III группы), третьего периода, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Получение алюминия

Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. По сравнению  с другими металлами восстановление алюминия из руды более сложно в  связи с его высокой реакционной  способностью и с высокой температурой плавления большинства его руд (таких, как бокситы). Прямое восстановление углеродом применяться не может, потому что восстановительная способность  алюминия выше, чем у углерода. Возможно непрямое восстановление с получением промежуточного продукта Al4C3, который  подвергается разложению при 1900—2000 °С с образованием алюминия. Этот способ находится в разработке, но представляется более выгодным, чем процесс Холла—Эру, так как требует меньших энергозатрат и приводит к образованию меньшего количества CO2[2].

Современный метод получения, процесс Холла—Эру был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.

Для производства 1000 кг чернового  алюминия требуется 1920 кг глинозёма, 65 кг криолита, 35 кг фторида алюминия, 600 кг анодной массы и 17 тыс. кВт·ч электроэнергии постоянного тока.

Лабораторный способ получения  алюминия предложил Фридрих Вёлер в 1827 году, он основывается на восстановлении металлическим калием (реакция протекает при нагревании без доступа воздуха):

AlCl₃+3K = 3KCl + Al

Свойства алюминия

Физические свойства:

Чистый алюминий – серебристо-белый  лёгкий металл с температурой плавления 660⁰С. Пластичен, легко вытягивается в проволоку и раскатывается в листы и фольгу. Является хорошим проводником электричества и тепла (после серебра и меди). Сплавы алюминия с различными металлами обладают высокой прочностью и лёгкостью.

Химические свойства:

Алюминий обладает высокой химической активностью. Он легко окисляется кислородом воздуха, покрываясь прочной защитной пленкой оксида алюминия AL₂O₃, которая препятствует дальнейшему окислению и взаимодействию с другими веществами, что обусловливает его высокую коррозийную стойкость.

4AL + 3O₂ = 2AL₂O₃

Если плёнку оксида алюминия разрушить, то алюминий активно взаимодействует  с водой при обычной температуре:

2AL + 6H₂O = 2AL(OH)₃ + 3H₂

1. Лишённый окисной плёнки алюминий легко растворяется в:

• щелочах с образованием алюминатов

2AL + 2NaOH + 2H₂O = 2NaALO₂ + 3H₂

• разбавленных кислотах с выделением водорода

2AL + 6HCL = 2ALCL₃ + 3H₂

2AL + 3H₂SO₄ = AL(SO₄)₃ + 3H₂

• сильно разбавленная и концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий, поэтому для хранения и перевозки азотной кислоты используются алюминиевые ёмкости. Но при нагревании алюминий растворяется в азотной кислоте:

AL + 6HNO_{3 (конц)} = AL(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O

2. Алюминий взаимодействует с:

• галогенами

2AL + 3Br₂ = 2ALBr₃

• при высоких температурах с другими неметаллами (серой, азотом, углеродом)

2AL + 3S = AL₂S₃ (сульфид алюминия)

2AL + N₂ = 2ALN (нитрид алюминия)

4AL + 3C = AL₄C₃ (карбид алюминия)

Реакции протекают с выделением большого количества тепла.

3. Для алюминия характерны реакции алюминотермии – восстановление металлов из их оксидов алюминием.

Алюминотермия используется для получения редких металлов, образующих прочную связь с кислородом: ниобия Nb, тантала Ta, молибдена Mo, вольфрама W и др.

2AL + 3WO₃ = 3W + AL₂O₃

Смесь мелкого порошка AL и магнитного железняка Fe₃O₄ называется термитом, при поджоге которого выделяется большое количество тепла, и температура смеси повышается до 3500⁰С. Этот процесс используется при термитной сварке.

8AL + 3Fe₃O₄ = 9Fe + 4AL₂O₃

Применение алюминия

Алюминия 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, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки. Первые же три свойства сделали алюминий основным сырьем в авиационной и авиакосмической промышленности (в последнее время медленно вытесняется композитными материалами, в первую очередь, углеволокном).

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

Электропроводность алюминия всего  в 1,7 раза меньше, чем у меди, при  этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Меньшую электропроводность алюминия (37 1/ом) по сравнению с медью (63 1/ом) компенсируют увеличением сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является наличие прочной оксидной плёнки, затрудняющей пайку.

Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.

Алюминий и его сплавы сохраняют  прочность при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике.

Высокий коэффициент отражения  в сочетании с дешевизной и  лёгкостью напыления делает алюминий идеальным материалом для изготовления зеркал.

В производстве строительных материалов как газообразующий агент.

Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин, нефтяным платформам, теплообменной аппаратуре, а также заменяют цинкование.

Сульфид алюминия используется для  производства сероводорода.

Идут исследования по разработке пенистого  алюминия как особо прочного и  лёгкого материала.

Сплавы алюминия

Алюминий совместно с легирующими  элементами образует различные системы, содержащие от двух до пяти компонентов. Системы обладают различными механическими, коррозионными, технологическими свойствами, различными структурами и каждая система состоит из нескольких сплавов. Ниже представлены системы алюминия, входящие в них сплавы, их химический состав, свариваемость и свойства.

Система алюминий - магний (Al - Mg)

Система Al-Mg (магналий) является одной из самых перспективных при разработке свариваемых сплавов. Сплавы этой системы (Mg < 10%) относятся к группе термически не упрочняемых, высокие свойства их достигаются вследствие увеличения концентрации магния в пересыщенном твердом растворе.

Магналиевым сплавам свойственны высокие пластичность, коррозионная стойкость при средних значениях прочности и текучести, пониженная чувствительность к концентраторам напряжений.

Одним из основных преимуществ данной группы являются высокие значения прочностных  характеристик по сравнению со свойствами термически упрочняемых алюминиевых  сплавов в отожженном состоянии. При сварке магналиевых сплавов сварные соединения становятся почти равнопрочными основному металлу.

Структура сплавов Al-Mg представляет собой - твердый раствор с включением интерметаллической - фазы (Mg5Al8), количество и размер которой зависят от содержания магния. Сплавы с относительно малыми добавками магния (до 3,5%) характеризуются довольно крупно зернистой микроструктурой. Дальнейшее повышение магния (до 7,5%) измельчает микрозерна, структура становится однородной и мелкозернистой. С повышением магния количество b - фазы возрастает, размер ее при этом уменьшается.

Горячеломкость. Введение в алюминий 0,5-0,7% Mg резко повышает склонность сплава к трещинообразованию (~65%). В дальнейшем характеристика снижается и стабилизируется на уровне 30% при 6-7% Mg.

Механические свойства. С увеличением  содержания магния возрастают прочность  и текучесть, относительное удлинение  меняется слабо. Такое изменение  свойств связано с увеличением пересыщенности твердого раствора по мере повышения концентрации магния.

Коррозионная стойкость. Сплавы Al-Mg отличаются высокой коррозионной стойкостью (общей, под напряжением и при других видах коррозийного разрушения). Следует отметить их высокую сопротивляемость коррозионному разрушению в морской воде. Сплавы Al-Mg также хорошо устойчивы к воздействию азотной кислоты HNO3, разбавленной серной кислоты H2SO4, ортофосфорной кислоты H3PO4, а также в средах, содержащих SO2. Высокая стойкость магналиевых сплавов объясняется образованием на поверхности плохо растворимой оксидной пленки.

К недостаткам сплавов Al-Mg с высоким содержанием магния относится их чувствительность к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением при не благоприятных условиях термической обработки.

Системы алюминий - медь (Al - Cu)

Особую роль в промышленности играют термически упрочняемые сплавы системы  Al-Cu (дуралюмин). Наряду со сравнительно высокими значениями прочностных характеристик эти сплавы обладают хорошей пластичностью, в том числе высокой технологической пластичностью.

  Системе Al-Cu присуща хорошая работоспособность при низких температурах. С понижением температуры одновременно растут прочностные характеристики и пластичность. Сплавы хорошо свариваются в сочетании с высокой работоспособностью сварных соединений при низких температурах.

По сравнению со сплавами других систем сплавы Al-Cu мало чувствительны к концентраторам напряжения. Вместе с тем данные сплавы успешно работают в интервале температур до +2500⁰ С.

К недостаткам сплавов Al-Cu следует отнести их низкую общую коррозионную стойкость. Хотя после термической обработки они имеют удовлетворительную коррозионную стойкость под напряжением. В связи с этим требуется надежная защита конструкции от климатических воздействий и воздействий агрессивной среды. В настоящее время разработана и с успехом применяется система коррозионной защиты. Для защиты листового дуралюминия от коррозии его поверхность плакируют чистым алюминием.

Система алюминий-кремний (Al - Si)

Кремний вводят в алюминиевые сплавы в виде специальной добавки или  он присутствует как примесь.

Присадка кремния в алюминий позволила создать группу литейных бинарных сплавов типа силумин (эвтектического состава), которым присущи хорошие  литейные свойства: высокая жидкотекучесть и герметичность при повышенной коррозионной стойкости.

Горячеломкость. Малолегированные сплавы Al-Si (1-2% Si) при сварке обладают высокой сопротивляемостью к образованию кристаллизационных трещин. С увеличением содержания кремния (от 0,4 до 2%) значение коэффициента трещинообразования достигает 2-3%.

Механические свойства. Из-за отсутствия упрочняющих фаз сплавы Al-Si инертны к термической обработке.

Введение кремния в алюминий до 2,0% повышает его прочностные характеристики и снижает его пластичность.

Коррозионная стойкость. Сплавы Al-Si и их сварные соединения имеют высокую коррозионную стойкость. Кремний не ухудшает коррозионную стойкость алюминия и его сплавов. По коррозионной стойкости занимают промежуточное положение между дуралюминами и магналиями.

С повышением содержания кремния в  сплавах до 2% при испытании сварных  образцов отмечена их высокая коррозионная стойкость.

Система алюминий-цинк (Al - Zn)

Двойные сплавы Al-Zn при малых добавках Zn (<10%) в промышленности не применяются. Совместное введение в алюминий цинка, меди, магния позволило создать группу высоко прочных конструкционных сплавов, нашедших широкое применение в различных отраслях народного хозяйства.

На системе Al-Zn А.А. Бочвар и З.А. Свидерская открыли явление сверх пластичности, что дало возможность разработать ряд сверх пластичных сплавов AL-Zn.

Горячеломкость. Цинк ухудшает свариваемость  алюминия и его сплавов. Увеличение содержания цинка в алюминии приводит к значительному росту горячеломкости сплавов. С введением цинка в алюминий повышается вязкость расплава. Это отрицательно влияет на способность жидкой фазы залечивать трещины в кристаллизации металла.

Механические свойства. Цинк является одним из основных легирующих элементов  алюминиевых сплавов (как медь, магний). Сплавы Al-Zn относятся к группе термически упрочняемых. Эффект термической обработки (закалка + естественное старение) - невелик (12-15 МПа). Увеличение цинка в сплаве до 6% повышает с 80 до 130 МПа, при этом пластичность основного металла и сварного соединения значительно падает (со 180 до 110).

Коррозионная стойкость. Цинк оказывает  отрицательное влияние на коррозионную стойкость сплава. С повышением содержания цинка коррозионная стойкость алюминия ухудшается.

Система алюминий - магний - кремний (Al - Mg - Si).

Сплавы системы Al-Mg-Si применяются в промышленности давно. Особенно широко они используются в строительстве. Отличительная особенность сплавов Al-Mg-Si - высокая технологичность, коррозионная стойкость и удовлетворительная свариваемость при средней прочности (после закалки и искусственного старения). Благодаря высокой пластичности сплавов в горячем состоянии из них изготовляют сложные по конфигурации тонкостенные полые прессованные полуфабрикаты.

Структура. Структура сварных соединений, выполненных из сплавов, содержащих 2,0% Si и различное количество магния (от 0,4% до 1,4%) представляет собой твердый раствор Mg2Si+Si.

Литой металл шва при всех содержания магния имеет очень мелкозернистую структуру, тонкое разветвленное дендритное строение. В структуре сплавов  данной подгруппы имеются кристаллы  избыточного кремния, особенно, это  четко проявляется в структуре  сплава с 0,4% Mg и 2,0% Si.

С увеличением содержания магния в  сплаве ветки дендрита становятся мельче. Наибольшее измельчение наблюдается  при 1% Mg. Увеличение Mg до 1,4% не уменьшает размера зерна, а увеличивает количество фазы Mg2Si.

Структура зоны сплавления изменяется аналогично структуре основного  металла при содержании 2% Si. Наиболее тонкая структура столбчатых кристаллов (дендритов) наблюдается при содержании в сплаве 1% Mg. Более крупное зерно отмечается у сплава с 0,4% Mg. В структуре зоны термического влияния сварного соединения (как и в случае литой структуры этого сплава) видны выделения свободного кремния. Наибольший избыток свободного кремния у малолегированного магнием сплава. Количество фазы Mg2Si увеличивается с увеличением в сплавах магния.

Горячеломкость. При исследовании бинарных сплавов Al-Si и Al-Mg установлено, что введение кремния в алюминий положительно влияет на сопротивляемость его к образованию кристаллизационных трещин. Тогда как содержание магния до 2% в системе Al-Mg повышает склонность к горячеломкости сплава. Эта закономерность сохраняется полностью в тройной системе Al-Mg-Si. Область с повышенным содержанием кремния ( + Si + Mg2Si) имеет невысокие значения коэффициента трещинообразования (К < 20%).

Повышенную склонность к образованию  трещин имеют сплавы, находящиеся  в области + Mg2Si. Критическая область  с максимальными значениями коэффициента трещинообразования (К ~ 60%) вытянута вдоль  квазибинарного разреза.

Механические свойства. Сплавы Al-Mg-Si относятся к группе термически упрочняемых. Эффект искусственного старения колеблется от 60 до 100 Мпа. В зависимости от химического состава сплава изменяется от 100 до 360 Мпа (после искусственного старения).

Коэффициент разупрочнения основного металла при сварке зависит от содержания кремния в сплаве. Если при < 0,2% Si и < 0,4% Mg коэффициент разупрочнения составляет 0,8 -0.9%, то при дальнейшем повышении кремния (> 04%) при любом содержании магния  = 0,5 -0,6%.

Угол загиба изменяется от 160 (у  бинарных сплавов Al-Si и Al-Mg) до 30-60 у сплавов за квазибинарным разрезом в трехфазной области Mg2Si-Si.

Коррозионная стойкость. Наибольшей коррозионной стойкостью в системе  Al-Mg-Si обладают сплавы, расположенные в области твердого раствора и на квазибинарном разрезе. Невысокая коррозионная стойкость у сплавов, находящихся в трехфазной области - Mg2Si - Si. Сопротивляемость сплавов Al - Mg - Si коррозионному разрушению во многом зависит от содержания кремния в сплаве и количества фазы Mg2Si.

Система алюминий - цинк - магний (Al - Zn - Mg)

При разработке свариваемых алюминиевых  сплавов представляет теоретический  и практический интерес система  Al - Zn - Mg.

В данной системе группа термически упрочняемых сплавов способна стариться  при комнатной и повышенных температурах. Это значит, что сварные соединения с течением некоторого времени могут повышать свои прочностные характеристики, приближаясь к свойствам основного материала (без дополнительного искусственного старения).

Некоторые сплавы этой группы, несмотря на высокую прочность после термообработки (больше, чем у дюралюминия), до последнего времени не находили применения в  промышленности, поскольку высоколегированные сплавы Al - Zn - Mg чрезвычайно склонны к коррозии под напряжением, а низколегированные не имели, существенных преимуществ по прочности по сравнению с высоколегированными не упрочняемыми термической обработкой сплавами типа магналий.

Характерный для сплавов Al - Zn - Mg вид разрушения - коррозионное растрескивание под напряжением - не уменьшил интерес к этой системе. Поиск оптимального химического состава сплавов Al - Zn - Mg продолжается.

Структура. Структура основного  материала мелкозернистая с расположением  избыточных фаз по границам зерен  твердого раствора и внутри их. Структура  сварных соединений рассматривалась  по подгруппам. В первую подгруппу  входили сплавы, содержащие 1,5% Mg (во всех сплавах) и различное содержание цинка: 1,5; 2,5 и 4,5%; во вторую подгруппу - сплавы с 5,5% Mg при изменении цинка от 1,5 до 4,5%.

Горячеломкость. Сплавы Al - Zn - Mg обладают значительной склонностью к образованию кристаллизационных трещин, коэффициент трещинообразования в исследуемой области сплавов изменяется от 20 до 80%.

Повышенной горячеломкостью обладают сплавы, у которых (Mg + Zn) > 7%. Стабильные и удовлетворительные результаты горячеломкости получены при сварке сплавов, находящихся в области - твердого раствора (при Mg и Zn не более 1,2%). Определена область с минимальными значениями коэффициента трещинообразования (К 20%) при сварке сплавов, находящихся в области + с высоким содержанием магния (3…5% при Zn не более 2%).

Механические свойства. Уменьшение содержания магния и цинка приводит к росту прочности и снижению пластичности сварных соединений. Максимальная прочность в естественно состаренном  состоянии сплавов Al - Zn - Mg достигаются при суммарном содержании магния и цинка около 9% (400 Мпа).

Пластичность сварного соединений ниже пластичности основного металла  и находится в прямой зависимости  от содержания в сплаве магния и  цинка.

Пластичность основного металла  остается неизменно высокой (~160о) у  целой серии сплавов, находящихся  в области a-твердого раствора с содержанием  Zn и Mg не более 1,5 и 3,0% соответственно.

Коррозионная стойкость. Коррозионная стойкость сплавов зависит от суммарного содержания в них Zn и Mg и отношения между ними. Влияет на коррозионную стойкость сварного соединения под напряжением содержание Zn в сплаве и последующая термическая обработка.

Литература

1. Научная разработка серии «Справочник школьника» выполнена Филологическим обществом «СЛОВО», 2001
2. Хомченко И.Г. «Общая химия», 1999
3. Лидин Р.А., Аликберова Л.Ю. «Справочник для старшеклассников и поступающих в вузы», 2002
4. Ахметов Н.С. «Неорганическая химия», 1992
5. Под ред. Воскресенского П.И. «Справочник по химии», 1978
6. Кнунянц И. Л. (гл. ред.) «Химическая энциклопедия», 1988

Сайт

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/%C0%EB%FE%EC%E8%ED%E8%E9