Технология производства алюминия. 2
ВВЕДЕНИЕ
Алюминий – серебристо-белый металл плотностью 2,7 г/см3, отличается достаточной химической стойкостью, низкой прочностью (ơв = 100 МПа) и твердостью (НВ 20...40), высокой пластичностью (δ =35%), легко прокатывается в листы. Температура плавления 658,7°С, кипения 2327ºС. Для алюминия и его сплавов характерны высокие электро- и теплопроводность.
На воздухе алюминий быстро образует тонкую прочную пленку окиси, которая защищает его от дальнейшей коррозии. Алюминий – самый распространенный и поэтому один из наиболее доступных и относительно дешевых металлов. Промышленный алюминий подразделяют на алюминий особой чистоты (А999), высокой чистоты (А995, А99, А97, А95) и технической чистоты (А85, А8, А7, А6, А5, А0). Последний получают электролизом. Для производства алюминия более высоких марок требуется его дополнительное рафинирование. Алюминий высокой чистоты, применяемый для лабораторных целей, содержит 99,99% Al, для технических – 99,50% Al.
Алюминий хорошо сваривается, но плохо обрабатывается резанием. Из него вырабатывают тонкую фольгу. Технический алюминий применяют в электротехнике в качестве проводникового материала. Высокая коррозионная стойкость обусловила применение алюминия для бытовой посуды, упаковки, транспортировки и хранения молочных продуктов, пива, конфет и др. Все шире используют алюминий для производства консервных банок, они дешевле и легче жестяных на основе олова. Тончайший слой алюминия, нанесенный на ткань, задерживает тепловые лучи, пропуская лишь световые. Из такой ткани изготовляют палатки, защитные костюмы и комбинезоны.
В качестве
конструкционных материалов широко
применяют сплавы на основе алюминия,
которые по способу получения
заготовок и изделий
ПРИМЕНЕНИЕ СПЛАВОВ
АЛЮМИНИЕВЫХ ЛИТЕЙНЫХ
В СФЕРЕ ПРОИЗВОДСТВА
ИЛИ ПОТРЕБЛЕНИЯ.
Технический
алюминий (АД и АД1) ввиду низкой прочности
применяют для изготовления элементов
конструкции и деталей, не несущих
нагрузки, когда требуются высокая
пластичность, хорошая свариваемость,
сопротивление коррозии и высокие теплопроводность
и электрическая проводимость. Так из
технического алюминия изготовляют различные
трубопроводы, палубные надстройки морских
и речных судов, кабели, электропровода,
шины, конденсаторы, корпуса часов, фольгу,
витражи, перегородки в комнатах, двери,
рамы, посуду, цистерны для молока и др.
Алюминий
высокой чистоты
Сплавы
алюминия, обладая хорошей технологичностью
во всех стадиях передела, малой плотностью,
высокой коррозионной стойкостью, при
достаточной прочности, пластичности
и вязкости нашли широкое применение в
авиации, судостроении, автостроении,
строительстве и других отраслях народного
хозяйства.
Сплавы Al – Si. Эти сплавы, получившие название силумины, близки по составу к эвтектическому сплаву, и потому отличаются высокими литейными свойствами, а отливки – большой плотностью. Наиболее распространен сплав, содержащий 10-13% Si (АЛ2), обладающий высокой коррозионной стойкостью.
Средненагруженные детали из слава АЛ4 подвергают только искусственному старению, а крупные нагруженные детали (корпуса компрессоров, картеры и блоки цилиндров двигателей и т.д.) – закалке и искусственному старению.
Силумины
применяют для отливки
Сплавы
Al – Cu. Литейные свойства сплавов низкие
(большая усадка, склонность к образованию
горячих трещин и т.д.). Сплав АЛ7 используют
для отливки небольших деталей простой
формы, например, арматура, кронштейн и
т.д. Сплав склонен к хрупкому разрушению
вследствие выделения по границам зерен
грубых частиц CuAl2
и Al7Cu2Fe, поэтому его применяют
в закаленном состоянии, когда эти соединения
переведены в твердый раствор.
Сплавы
Al – Mg. Сплавы алюминия с магнием имеют
низкие литейные свойства, так как не содержат
эвтектики. Сплавы АЛ8 и АЛ27 предназначены
для отливок, работающих во влажной атмосфере.
Добавление к сплавам Al-Mg до 1,5% Si (сплавы
АЛ13 и АЛ22) улучшает литейные свойства
в результате образования тройной эвтектики.
Сплавы применяют в судостроении и авиации,
для изготовления различных деталей самолетов,
вагонов, автомобилей.
Жаропрочные
сплавы. Наибольшее применение получил
сплав АЛ1, из которого изготовляют поршни,
головки цилиндров и другие детали, работающие
при температуре 275-300ºС. Для крупногабаритных
деталей, работающих при 300-350ºС, применяют
сплав АЛ21. Отливки сложной формы из сплава
подвергают отжигу при 300ºС.
Титановые сплавы. Помимо высокой прочности, титановые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах; они получили широкое применение при изготовлении деталей реактивных авиационных двигателей, обшивки сверхзвуковых самолетов, их используют в судостроении, криогенной технике.
КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ
ПРИЗНАКИ СПЛАВОВ
АЛЮМИНИЕВЫХ ЛИТЕЙНЫХ.
Алюминиевые литейные сплавы делятся на пять групп:
I – сплавы на основе системы алюминий – кремний – магний;
II – сплавы на основе системы алюминий – кремний –медь;
III – сплавы на основе системы алюминий – медь;
IV – сплавы на основе системы алюминий – магний;
V – сплавы
на основе системы алюминий – прочие компоненты.
Сплавы на основе системы алюминий – кремний – магний. Сплавы системы Al-Si известны под общим названием силумины.
Силумины характеризуются хорошими литейными свойствами и герметичностью, средней прочностью и достаточной коррозионной стойкостью. Они применяются для изготовления сложных отливок.
Для измельчения зерна и, следовательно, улучшения механических свойств силумины модифицируют обычно натрием в количестве 0,05-0,08% от массы сплава. Модификатор вводят в расплав в виде смеси галоидных солей натрия и калия. В силумины вводят также модифицирующие добавки иттрия, стронция, циркония, бора, титана и др.
Простые силумины, содержащие только алюминий и кремний (марка АК12), относятся к термически неупрочняемым. Введение в силумины магния делает их термически упрочняемыми – они подвергаются закалке и искусственному старению.
Силумины, содержащие кроме алюминия и кремния другие компоненты, называются специальными.
Простой силумин марки АК12 благодаря эвтектической структуре имеет отличные литейные свойства (наиболее высокую жидкотекучесть среди всех алюминиевых сплавов) при невысоких механических свойствах. Из сплава получают плотные герметичные отливки сложной формы, не испытывающие в процессе эксплуатации значительных нагрузок.
Кроме сплава марки АК12 в промышленности широко применяют силумины марок АК9 и АК7ч. Введение в эти сплавы магния делает их термически упрочняемыми, а пониженное содержание кремния (по сравнению со сплавом марки АК12) снижает хрупкость.
Превосходя простой силумин по механическим свойствам, сплавы марок АК9 и Ак7ч уступают ему по технологичности. Из-за повышенной склонности к газонасыщению и образованию пористости для получения отливок из сплава марки АК9ч рекомендуется применять кристаллизацию под давлением.
Сплавы марок АК9пч и АК7пч отличаются от основных модификаций АК9ч и АК7ч добавками титана и меньшим содержанием примесей, что улучшает их механические свойства (прочность и пластичность) и коррозионную стойкость. Наоборот, сплавы марок АК9 Ак7 отличаются от сплавов марок АК9ч и Ак7ч повышенным содержанием примесей. Их не рекомендуется применять для деталей, работающих в условиях повышенных вибрационных нагрузок, из-за пониженной пластичности.
Наиболее прочным из силуминов является сплав марки АК8л, в котором увеличено содержание магния и введены добавки титана и бериллия. Сплав обладает высокой герметичностью и применяется для литья корпусных деталей, работающих под высоким внутренним давлением жидкостей и газов.
Детали
из сплавов на основе системы Al-Si
могут длительно работать при температурах
не более 150-200ºС.
Сплавы на основе системы алюминий – кремний – медь. Сплавы на основе системы Al-Si-Cu уступают сплавам группы I по литейным свойствам, герметичности и коррозионной стойкости, но превосходят их по жаропрочности и обрабатываемости резанием.
Сплавы марок АК5М и АК5Мч имеют среднюю прочность при комнатной и повышенных температурах. Они являются наиболее жаропрочными среди специальных силуминов. Применяются без модифицирования для изготовления мало- средненагруженных деталей, работающих при температурах 250-275ºС.
Сплав марки АК8М с более высоким содержанием кремния при литье в песчаные формы нужно модифицировать. Сплав имеет среднюю прочность и жаропрочность и применяется для изготовления деталей агрегатов и приборов, работающих при температуре не выше 150°С.
Сплавы марок АК5М2, АК5М7, АК6М2, АК5М4 имеют широкие пределы по химическому составу и, как следствие этого, нестабильность механических и литейных свойств. Применяются для малонагруженных деталей.
Сплав
марки АК5М7 не рекомендуется к
использованию в новых
Сплавы на основе системы алюминий – медь. Основное достоинство сплавов на основе системы A-Cu – повышенная прочность и жаропрочность. Они хорошо обрабатываются резанием. Существенные недостатки сплавов данной группы – пониженные литейные свойства, герметичность и коррозионная стойкость.
Детали из сплавов на основе системы Al-Cu следует анодировать и защищать лакокрасочными покрытиями. Сплав марки АМ5, содержащий кроме алюминия и меди еще марганец и титан, обладает повышенной прочностью и особенно жаропрочностью. Он хорошо сваривается и обрабатывается резанием. Применяется для нагруженных деталей, работающих при температурах до300°С.
Еще более высокую жаропрочность имеет сплав марки АМ4,5Кд, дополнительно легированный кадмием. По прочности и жаропрочности он превосходит другие литейные алюминиевые сплавы. Сплав предназначен для изготовления ответственных деталей, длительно работающих при температурах до 350°С.
Сплавы
марок АМ5 и АМ4,5Кд упрочняются
закалкой и искусственным старением.
Сплавы на основе системы алюминий – магний. Сплавы на основе системы Al-Mg (магналин) обладают малой плотностью, высокой прочностью и пластичностью, удовлетворительной свариваемостью, хорошей обрабатываемостью резанием и высокой коррозионной стойкостью в атмосферных и морских условиях, в агрессивных средах на основе азотной кислоты. Однако они имеют ряд существенных недостатков: низкие литейные свойства; повышенную чувствительность к естественному старению, что ведет к значительной потере пластичности; низкую теплопроводность (по показателям жаропрочности сплавы занимают одно из последних мест среди алюминиевых сплавов). Рабочие температуры сплавов не должны превышать 100°С.
При общей
высокой коррозионной стойкости
сплав марки АМг10 подвержен коррозии
под напряжением и
Сплавы средней прочности, содержащие 4,5-8% Mg (марки АМг5К, АМг6л, АМг6лч, АМг5Мц, АМг7), применяются в литом состоянии без термической обработки. Сплавы марок АМг6л и АМг6лч могут применяться и в закаленном состоянии, хотя эффект от закалки незначителен. Введение в сплавы марок АМг5К и Амг7 кремния улучшает их жидкотекучесть. Неупрочняемые сплавы применяются для изготовления малонагруженных и средненагруженных деталей. Сплавы марок АМг10, АМ10ч и АМг5К не рекомендуются к использованию в новых конструкциях.
Сплавы, содержащие 9,3-13% Mg, применяются в закаленном состоянии (марки АМг11, АМг10, АМг10ч). Уменьшая содержание вредных примесей железа и кремния в сплавах марки АМг10 и особенно марки АМг10ч, а также вводя добавки титана и цикория, повышают исходную пластичность сплавов и уменьшают их чувствительность к естественному старению. Кроме того, цикорий и титан, модифицируя структуру, повышают прочность сплава. Бериллий уменьшает окисляемость сплавов в жидком состоянии.
Термически
упрочняемые сплавы применяются
для нагруженных деталей и
элементов конструкций в судостроении,
авиастроении, транспортном машиностроении,
строительстве и т.д.
Сплавы на основе системы алюминий – прочие компоненты. В эту группу входят жаропрочные сплавы на основе сложных систем.
Широкое применение в технике получил самозакаливающийся сплав на основе системы Al-Zn-Mg марки АЦ4Мг. Он сочетает высокую прочность и коррозионную стойкость с удовлетворительными литейными свойствами и хорошей свариваемостью. Недостаток сплава марки АЦ4Мг – склонность к коррозии под напряжением. Сплав можно применять без специальной закалки в литом и естественно или искусственно состаренном состоянии. Из него можно изготавливать объемные детали с применением сварки.
Цинковый
силумин АК7Ц9 имеет хорошие литейные
свойства и способность
сплав
марки АК21М2,5Н2,5 содержит 20-22% кремния.
Он имеет хорошие литейные свойства,
высокую твердость и
Кодирование алюминиевых
литейных сплавов в
соответствии с «Товарной
номенклатурой внешнеэкономической
деятельности»
Раздел XV – Недрагоценные металлы и изделия из них.
Группа 76 – Алюминий и изделия из него.
Позиция 7601 – Алюминий необработанный.
Субпозиция
7601.20 – Сплавы алюминиевые.
Кодирование алюминиевых
литейных сплавов в
соответствии с «Общегосударственным
классификатором Республики
Беларусь»
Секция D – Продукция перерабатывающей промышленности.
Подсекция DJ –Основные металлы и готовые металлические изделия.
Раздел 27 – Основные металлы.
Класс 27.42 – Алюминий и полуфабрикаты из алюминия.
Категория 27.42.1 – Алюминий необработанный; глинозем.
Подкатегория 27.42.11 – Алюминий необработанный.
Подвид 27.42.11.500 – Сплавы алюминиевые необработанные.
ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ СВОЙСТВА
СПЛАВОВ АЛЮМИНИЕВЫХ
ЛИТЕЙНЫХ.
Для алюминиевых сплавов характерна малая плотность (до 2,85 г/см3) при удельной прочности (ơв/γ), которая для некоторых марок близка к прочности высокопрочных сталей. Из сплавов на основе алюминия получили распространение сплавы с медью, марганцем, кремнием. Для повышения прочности, коррозионной стойкости, жаропрочности алюминиевых сплавов используют литий, никель, титан, бериллий/
Алюминиевые литейные сплавы содержат чаще всего кремний, медь и магний.
Силумины жидкотекучи, имеют малую усадку, их состав близок к эвтектическому (марки АЛ2, АЛ9, АЛ4). Упрочнение их достигается модифицированием, состоящим в добавке к расплавленному силумину модификаторов – натрия или смеси фтористых солей натрия и калия. Небольшая (0,01%) присадка натрия резко меняет структуру силумина: зерна становятся мелкими, а излом бархатистым на вид. Немодифицированный силумин имеет грубозернистую структуру и худшие механические свойства. Механические свойства модифицированного силумина характеризуются следующими данными: 50-70 НВ, ơв = 150-200 МПа, δ = 2-5%. Добавки магния до 0,6% и марганца до0,03% еще более упрочняют сплав.
Литейные сплавы алюминия с медью содержат 4-11% Cu и состоят из твердого раствора α-меди в алюминии и алюминида CuAl2. Фаза α пластична и по механическим свойствам сходна с алюминием; фаза CuAl2 твердая и хрупкая (сплав АЛ7). После термической обработки эти сплавы имеют высокие механические свойства; недостатком их является большая литейная усадка, поэтому применяют их для изготовления небольших деталей.
Сплавы алюминия с магнием для литья содержат 4,5-11% Mg. Эти сплавы прочие, коррозионно-стойкие (например, сплав АЛ8).
Упрочнение отливок из алюминиевых сплавов производят закалкой и старением; внутренние напряжения в отливках из этих сплавов снимают отжигом.
Алюминиевые сплавы, обрабатываемые давлением, подразделяются на Неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой. Сплавы с марганцем и магнием относятся к неупрочняемым. Высокая пластичность после отжига (δ до 30%, ψ до 70%) и невысокая прочность (ơв = 110 МПа) определяют их применение для деталей, подвергаемых глубокой вытяжке, не несущих больших напряжений; эти сплавы стойки к коррозии.
К упрочняемым сплавам относится дюралюмин (Д1, Д16). Основными компонентами, упрочняющими дюралюмин после термической обработки, являются медь, магний и марганец. При нагреве до температуры 500-520°С дюралюмин из двухфазного превращается в однофазный по мере растворения в α-фазе (сложном твердом растворе магния и меди в алюминии) алюминида CuAl2 . При последующей закалке образуется пересыщенный твердый раствор α. С течением времени в таком растворе даже при комнатной температуре происходит концентрация атомов меди внутри кристаллической решетки в определенных зонах раствора – «дисках» диаметром около 5 мм. Такие «диски» с повышенном массовым содержанием меди располагаются более или менее равномерно в пределах каждого кристалла; в результате твердый раствор становится неоднородным. Это явление называют естественным старением. Оно сопровождается повышением твердости и прочности дюралюмина при некотором понижении его пластичности. Старение можно ускорить путем подогрева сплава – искусственное старение. Наибольшую прочность сплава имеют в состоянии неоднородного твердого раствора, поэтому после закалки их подвергают выдержке при комнатной температуре в течение 5-7 сут или при температуре 150°С (искусственное старение) в течение нескольких часов. При искусственном старении важно ограничить его до начала образования CuAl2 так как выделение этой фазы сопровождается понижением прочности.
В результате закалки и старения механические свойства дюралюмина повышаются до показателей среднеуглеродистой стали (до 120 НВ, ơв= 420÷470 МПа; δ= 15÷17%). Дюралюмин обрабатывают давлением в горячем (440-480°С) и в холодном состояниях. Обработку в холодном состоянии рекомендуется делать до старения. Дюралюмин широко применяют в промышленности, особенно в авиационной и ракетной.
Спеченные алюминиевые порошки (САП) получают методами порошковой металлургии. САП состоит из алюминия и оксида алюминия. Оксид алюминия не растворяется в алюминии, равномерно распределен в алюминиевой матрице, тормозит движение ее дислокаций, в результате чего предотвращается ползучесть, уменьшается пластичность и повышается прочность сплавов. В различных марках САП Al2О3 содержится от 6 до 22%, что определяет предел прочности от 300 до 460 МПа и относительное удлинение от 8 до 1,5%. По жаропрочности САП превосходит все алюминиевые сплавы, его используют для изготовления деталей, работающих при температурах до 500°С, когда требуется также высокая прочность и коррозионная стойкость. САП хорошо обрабатывается давлением, резанием и удовлетворительно сваривается.
Сплавы на основе магния. Из сплавов на основе магния получили распространение его сплавы с марганцем, алюминием и цинком. Для повышения механических свойств магниевых сплавов добавляют цирконий, церий, неодим, торий и др. Магниевые сплавы упрочняют закалкой и дисперсным твердением. При закалке соединения AL2Mg3 и MgZn переходят в раствор, а при старении происходит распад пересыщенного твердого раствора.
Механические свойства некоторых магниевых сплавов, обрабатываемых давлением, после термической обработки характеризуются пределом прочности ơв = 270÷350 МПа и относительным удлинением δ = 6÷14%.
Для магниевых сплавов характерна низкая сопротивляемость коррозии, поэтому готовые изделия защищают от коррозии оксидированием и последующим покрытием специальными лаками, красками, эпоксидными пленками.
Главным преимуществом их является высокая удельная прочность. Сплавы магния применяют для изготовления различных деталей самолетов, вагонов, автомобилей, решающее значение при этом имеет малая плотность сплавов (1,75-1,8г/см3).
Приведем
примеры использования
Титановые сплавы. Титан имеет две аллотропические модификации: Tiα, существующую до 882°С, с гексагональной решеткой, и Tiβ – dsit 882°C, с решеткой объемно-центрированного куба.
Титан стоек в агрессивных средах (серной и соляной кислотах, их солях), поэтому он используется в химическом машиностроении, электронике, ядерной и других областях техники. В авиа- и ракетостроении чистый титан не применяется из-за его невысокой жаропрочности.
Для легирования титановых сплавов используют алюминий, олово, которые повышают температуру полиморфного превращения титана и называются α-стабилизаторами, а также марганец, хром, ванадий, железо, которые понижают температуру полиморфного превращения и являются β-стабилизаторами.
Сплавы
с α-структурой термической обработкой
не упрочняются; они обладают жаропрочностью
и прочностью при низких температурах.
Определения свойств
сплавов алюминиевых
литейных.
Временное
сопротивление разрыву
– предел прочности – механическое напряжение,
выше которого происходит разрушение
материала.
Относительное
удлинение – величина, показывающая
на сколько процентов удлиняется материал.
Твердость по Бринеллю – этот метод относится к методам вдавливания. Испытание проводится следующим образом: вначале дают небольшую предварительную нагрузку для установления начального положения индентора на образце, затем прилагается основная нагрузка, образец выдерживают под ее действием, измеряется глубина внедрения, после чего основная нагрузка снимается. При определении твердости методом Бринелля измерения производят до упругого восстановления материала. Индентор вдавливают в поверхность испытуемого образца (толщиной не менее 4 мм) с регламентированным усилием. Через 30 с после приложения нагрузки измеряют глубину отпечатка. Твердость по Бринеллю НВ рассчитывается как «приложенная нагрузка», деленная на «площадь поверхности отпечатка».
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА
СПЛАВОВ АЛЮМИНИЕВЫХ
ЛИТЕЙНЫХ И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ
ОЦЕНКА.
В природе алюминий находится в виде алюминиевых руд: бокситов, нефелинов, каолинов. Важнейшей базовой рудой для мировой алюминиевой промышленности являются бокситы (гидрат глинозема Al2O3 ∙ nH2O в смеси с оксидами железа, кремния, титана и других элементов).
Получение алюминия из руд имеет два последовательно проводимых этапа: сначала производят глинозем (Al2O3), а затем из него получают алюминий.
Известные в настоящее время методы получения глинозема можно разбить на три группы: щелочные, кислотные и электротермические. Наиболее широкое применение получили елочные методы.
В одном из щелочных методов боксит, обезвоженный при 200°С, измельчают в шаровых мельницах, смешивают в определенных пропорциях с содой и спекают для получения растворимого в воде твердого алюмината натрия по реакции
Al2O3 + Na2CO3 = Al2O3Na2O + CO2
Спекшуюся массу измельчают и выщелачивают водой, алюминат натрия при этом переходит в раствор.
В других разновидностях щелочного метода глинозем, содержащийся в боксите, связывают в алюминат натрия путем непосредственной обработки руды щелочами. При этом сразу получается раствор алюмината в воде.
В других разновидностях щелочного метода глинозем, содержащийся в боксите, связывают в алюминат натрия путем непосредственной обработки руды щелочами. При этом сразу получается раствор алюмината в воде.
В общих случаях образование водного раствора алюмината натрия приводит к отделению его от нерастворимых компонентов руды, представляющих собой в основном оксиды и гидроксиды железа, кремния и титана. Отделение раствора от нерастворимого осадка, называемого красным шламом, осуществляют в отстойниках.
В полученный при 125°С и давлении 5 атмосфер раствор добавляют известь, что приводит к обескремниванию – CaSiO3 уходит в осадок, образуя белый шлам.
Полученный раствор после отделения его от белого шлама обрабатывают углекислым газом при 60-80°С, в результате чего в осадок выпадает кристаллический гидрат окиси алюминия
Al2O3Na2O + 3H2O + CO2 = 2Al(OH)3 + Na2CO3
Его промывают, просушивают и прокаливают. Прокаливание приводит к образованию глинозема
2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O
Описанный способ обеспечивает довольно полное извлечение глинозема из боксита – около 80%.
Получение металлического алюминия из глинозема заключается в его электролитическом разложении на составные части – алюминий и кислород. Электролитом в этом процессе является раствор глинозема в криолите (AlF3 ∙ 3NaF или Na3AlF6).

- Технология производства аммиака
- Технология производства армянского коньяка
- Технология производства асфальтобетона
- Технология производства баранины
- Технология производства бараночных изделий
- Технология производства бахчовых
- Технология производства битумных материалов и дорожных эмульсий
- Технология производства
- Технология производства
- Технология производства 1,2-дихлорэтана
- Технология производства 1,2-дихлорэтана
- Технология производства 1,2-дихлорэтана
- Технология производства азотных удобрений
- Технология производства алюминия