Властивості алюмінію та області застосування в промисловості та побуті

Федеральне агентство з освіти РФ

Державний технологічний університет

"Московський інститут сталі і сплавів"

Російська олімпіада школярів

"Інноваційні технології і матеріалознавство"

II-й етап: Науково-творчий конкурс

Напрямок (профіль):

"Матеріалознавство та технології нових матеріалів"

РЕФЕРАТ

на тему:

"Властивості алюмінію та області застосування в промисловості та побуті"

Роботу виконав:

Зайцев Віктор Владиславович

Москва, 2009  

Зміст

1. Введення

1.1 Загальне визначення алюмінію

1.2 Історія отримання алюмінію

2. Класифікація алюмінію за ступенем чистоти і його механічні властивості

3. Основні легуючі елементи в алюмінієвих сплавах і їх функції

4. Застосування алюмінію і його сплавів у промисловості та побуті

4.1 Авіація

4.2 Суднобудування

4.3 Залізничний транспорт

4.4 Автомобільний транспорт

4.5 Будівництво

4.6 Нафтова та хімічна промисловість

4.7 Алюмінева посуд

5. Висновок

5.1. Алюміній - матеріал майбутнього

6. Список використаної літератури  
 

1. Введення  

У своєму рефераті на тему "Властивості алюмінію та області застосування в промисловості і побуті" я хотів би вказати на особливість цього металу і його перевага перед іншими. Весь мій текст є доказом того, що алюміній метал майбутнього і без нього буде важким наше подальший розвиток.  

1.1 Загальне визначення алюмінію  

Алюміній (лат. Aluminium, від alumen - галун) - хімічний елемент III гр. періодичної системи, атомний номер 13, атомна маса 26,98154. Сріблясто-білий метал, легкий, пластичний, з високою електропровідністю, tпл = 660 ° С. Хімічно активний (на повітрі покривається захисною оксидною плівкою). За поширеністю в природі займає 3-е місце серед елементів та 1-е серед металів (8,8% від маси земної кори). По електропровідності алюміній - на 4-му місці, поступаючись лише сріблу (воно на першому місці), міді і золота, що при дешевизні алюмінію має величезне практичне значення. Алюмінію вдвічі більше, ніж заліза, і в 350 разів більше, ніж міді, цинку, хрому, олова та свинцю разом узятих. Його щільність дорівнює всього 2,7 * 10 ³ кг / м ^3. Алюміній має грати гранецентрированного куба, стійкий при температурах від - 269 ° С до точки плавлення (660 ° С). Теплопровідність складає при 24 ° С 2,37 Вт × см ^-1 × К ^-1. Електроопір алюмінію високої чистоти (99,99%) при 20 ° С становить 2,6548 × 10 ^-8 Ом × м, або 65% електроопору міжнародного еталона з обпаленого міді. Відбивна здатність полірованої поверхні становить більше 90%.  
 

1.2 Історія отримання алюмінію  

Документально зафіксоване відкриття алюмінію відбулося в 1825. Вперше цей метал отримав данський фізик Ганс Християн Ерстед, коли виділив його при дії амальгами калія на безводний хлорид алюмінію (отриманий при пропусканні хлору через розжарену суміш оксиду алюмінію з вугіллям). Відігнавши ртуть, Ерстед отримав алюміній, правда, забруднений домішками. У 1827 німецький хімік Фрідріх Велер отримав алюміній у вигляді порошку відновленням гексафторалюміната калієм. Сучасний спосіб отримання алюмінію був відкритий в 1886 молодим американським дослідником Чарльзом Мартіном Холом. (З 1855 до 1890 було отримано лише 200 тонн алюмінію, а за наступне десятиліття за методом Холла в усьому світі отримали вже 28000т. Цього металу) Алюміній чистотою понад 99,99% вперше був отриманий електролізом в 1920р. У 1925 р. в роботі Едвардса опубліковані деякі відомості про фізичні і механічні властивості такого алюмінію. У 1938р. Тейлор, Уїллей, Сміт і Едвардс опублікували статтю, в якій наведено деякі властивості алюмінію чистотою 99,996%, отриманого у Франції також електроліз. Перше видання монографії про властивості алюмінію вийшло у світ в 1967р. Ще недавно вважалося, що алюміній як вельми активний метал не може зустрічатися в природі у вільному стані, проте в 1978р. в породах Сибірської платформи був виявлений самородний алюміній - у вигляді ниткоподібних кристалів завдовжки всього 0,5 мм (при товщині ниток кілька мікрометрів). У місячному грунті, доставленому на Землю з районів морів Криз і Достатку, також вдалося виявити самородний алюміній. Припускають, що металевий алюміній може утворитися конденсацією з газу. При сильному підвищенні температури галогеніди алюмінію розкладаються, переходячи в стан з нижчої валентністю металу, наприклад, AlCl. Коли при зниженні температури і відсутності кисню таке з'єднання конденсується, у твердій фазі відбувається реакція диспропорціонування: частина атомів алюмінію окислюється і переходить в звичне тривалентне стан, а частина - відновлюється. Відновитися ж одновалентних алюміній може тільки до металу: 3AlCl> 2Al + AlCl _3. На користь цього припущення говорить і ниткоподібна форма кристалів самородного алюмінію. Зазвичай кристали такої будови утворюються внаслідок швидкого зростання з газової фази. Ймовірно, мікроскопічні самородки алюмінію в місячному грунті утворилися аналогічним способом.  
 

2. Класифікація алюмінію за ступенем чистоти і його механічні властивості  

У наступні роки завдяки порівняльній простоті отримання і привабливим властивостям опубліковано багато робіт про властивості алюмінію. Чистий алюміній знайшов широке застосування в основному в електроніці - від електролітичних конденсаторів до вершини електронної інженерії - мікропроцесорів; в Кріоелектроніка, кріомагнетіке. Більш новими способами отримання чистого алюмінію є метод зонної очищення, кристалізація з амальгам (сплавів алюмінію із ртуттю) і виділення з лужних розчинів. Ступінь чистоти алюмінію контролюється величиною електроопору при низьких температурах. В даний час використовується наступна класифікація алюмінію за ступенем чистоти:

Механічні властивості алюмінію при кімнатній температурі:

3. Основні легуючі елементи в алюмінієвих сплавах і їх функції  

Чистий алюміній - досить м'який метал - майже втричі м'якше міді, тому навіть порівняно товсті алюмінієві пластинки та стрижні легко зігнути, але коли алюміній утворює сплави (їх відомо величезна безліч), його твердість може зрости в десятки разів. Найбільш широко застосовуються:

Берилій додається для зменшення окислення при підвищених температурах. Невеликі добавки берилію (0,01 - 0,05%) застосовують в алюмінієвих ливарних сплавах для поліпшення плинності у виробництві деталей двигунів внутрішнього згоряння (поршнів і головок циліндрів).

Бор вводять для підвищення електропровідності і як рафінуючі добавку. Бор вводиться в алюмінієві сплави, що використовуються в атомній енергетиці (крім деталей реакторів), т.к він поглинає нейтрони, перешкоджаючи поширенню радіації. Бор вводиться в середньому в кількості 0,095 - 0,1%.

Вісмут. Метали з низькою температурою плавлення, такі як вісмут, свинець, олово, кадмій вводять в алюмінієві сплави для поліпшення оброблюваності різанням. Ці елементи утворюють м'які легкоплавкі фази, які сприяють ламкості стружки і змазування різця.

Галій додається в кількості 0,01 - 0,1% в сплави, з яких далі виготовляються витрачаються аноди.

Залізо. У малих кількостях (»0,04%) вводиться при виробництві проводів для збільшення міцності і покращує характеристики повзучості. Так само залізо зменшує прилипання до стінок форм при литті в кокіль.

Індій. Добавка 0,05 - 0,2% упрочняют сплави алюмінію при старінні, особливо при низькому вмісті міді. Індієві добавки використовуються в алюмінієво-кадмієвих підшипникових сплавах.

Приблизно 0,3% кадмію вводять для підвищення міцності і поліпшення корозійних властивостей сплавів.

Кальцій надає пластичність. При вмісті кальцію 5% сплав має ефектом надпластичності.

Кремній є найбільш використовуваної добавкою в ливарних сплавах. У кількості 0,5 - 4% зменшує схильність до утворення тріщин. Поєднання кремнію з магнієм роблять можливим термоущільнення сплаву.

Магній. Добавка магнію значно підвищує міцність без зниження пластичності, підвищує зварюваність і збільшує корозійну стійкість сплаву.

Мідь зміцнює сплави, максимальне зміцнення досягається при вмісті міді 4 - 6%. Сплави з міддю використовуються у виробництві поршнів двигунів внутрішнього згоряння, високоякісних литих деталей літальних апаратів.

Олово покращує обробку різанням.

Титан. Основне завдання титану в сплавах - подрібнення зерна у виливках і злитках, що дуже підвищує міцність і рівномірність властивостей у всьому обсязі.

Алюміній - один з найпоширеніших і дешевих металів. Без нього важко уявити собі сучасне життя. Недарма алюміній називають металом 20 століття. Він добре піддається обробці: куванні, штампування, прокату, волочіння, пресування. Чистий алюміній - досить м'який метал; з нього роблять електричні дроти, деталі конструкцій, фольгу для харчових продуктів, кухонне начиння і "срібну" фарбу. Цей красивий і легкий метал широко використовують у будівництві та авіаційній техніці. Алюміній дуже добре відбиває світло. Тому його використовують для виготовлення дзеркал - методом напилення металу у вакуумі.

У авіа - і машинобудуванні, при виготовленні будівельних конструкцій, використовують значно більш тверді сплави алюмінію, так як вони володіють високими характеристиками міцності. Один з найвідоміших - сплав алюмінію з міддю і магнієм (дуралюмин, або просто "дюраль"; назва походить від німецького міста Дюрена). Дуралюмина володіють хорошим поєднанням міцності і пластичності, але мають при цьому не високу корозійну стійкість Типовим представником дуралюмина є сплав Д16 містить 4,3% Сu.1.5% Mg.0.6% Mn. Цей сплав після гарту набуває особливої ​​твердість і стає приблизно в 7 разів міцніше чистого алюмінію. У той же час він майже втричі легше заліза. Його отримують, сплавляючи алюміній з невеликими добавками міді, магнію, марганцю, кремнію і заліза. Широко поширені силуміни - ливарні сплави алюмінію з кремнієм. Виробляються також високоміцні, кріогенні (стійкі до морозів) і жароміцні сплави. На вироби з алюмінієвих сплавів легко наносяться захисні і декоративні покриття. Порівняно дешева алюмінієва бронза (до 11% Al) має високі механічні властивості, вона стійка в морській воді і навіть у розведеної соляної кислоти. З алюмінієвої бронзи в СРСР з 1926 по 1957 карбувалися монети номіналом 1, 2, 3 і 5 копійок.  
 

4. Застосування алюмінію і його сплавів у промисловості та побуті  

4.1 Авіація  

Сучасна авіаційна техніка - це техніка для тривалої експлуатації (понад 40 000 льотних годин). Її вироби знаходяться під впливом циклічних навантажень, температури та атмосферного середовища. Через сильний аеродинамічного нагріву матеріал обшивки і окремі елементи нагріваються до дуже високої температури при надзвукових швидкостях до 153 С і при гіперзвукових - до 390 С. Останнім часом не без підстави віддають перевагу матеріалам середньої міцності при високих значеннях їх пластичності.

При виборі матеріалу однієї з найважливіших експлуатаційних характеристик для польотних конструкцій є статистична витривалість і втомна міцність. Невисокі значення втомної міцності алюмінієвих сплавів - один з основних недоліків при використанні їх у деталях, підтверджених високим динамічним навантаженням.

Матеріали, застосовувані в літакобудуванні, повинні також мати високі корозійними властивостями: при цьому контакт матеріалу з навколишнім середовищем (атмосферою) слід розглядати з урахуванням температурно-часового чинника. Надзвукова авіація, поряд із переліченими, висуває додаткові, більш жорсткі вимоги до матеріалів: працездатність при підвищених акустичних навантаженнях, повзучість і її вплив на зміну геометричних розмірів конструкції в процесі експлуатації (з урахуванням тривалості ресурсу), рівень температурних і втомних напружень, які виникають в конструкції при польоті на надзвукових швидкостях.

У Росії при виготовленні авіаційної техніки успішно використовуються зміцнюється термічною обробкою високоміцні алюмінієві сплави Al-Zn-Mg-Cu та сплави середньої і підвищеної міцності Al-Mg-Cu. Вони є конструкційним матеріалом для обшивки і внутрішнього сплавного набору елементів планера літака (фюзеляж, крило, кіль і ін.)

При виготовленні гідролітаків передбачено застосування зварюються корозійно-стійких магнолієвих сплавів (Aмг 5, АМГ 6) і сплавів Al-Zn-Mg (1915, В92, 1420). Планер легкого літака (фюзеляж, крила і хвостове оперення), як правило, виготовляються з алюмінієвого сплаву Д16.

У конструкції літаків цивільного флоту використовують переважно сплави Д16, Д19, В95, В96 в якості матеріалів для фюзеляжу, даху і кіля. Обшивка верхній поверхні крила виконується зі сплавів типу В95, добре працюють на стиск. Деталі розтягнутої зони крила і обшивка фюзеляжу, допоміжні лонжерони і неровори виготовляються з високоміцного сплаву типу Д16, В95. Сплави ці рекомендуються для силових деталей, які сприймають великі експлуатаційні навантаження. Пресовані напівфабрикати зі сплавів В95 і В96 надходять на виготовлення кіля великогабаритних літаків. Обшивка в зоні двигуна, піддається нагріванню, в основному, виготовляються із сплавів Д16, Д19.

Конструкція надзвукових літаків при швидкостях польоту понад 2,2 М піддається аеродинамічному нагріванню до 120оС і значним перевантаженням. Основним матеріалом в конструкції літака даного типу є сплав АК4-1.  
 

4.2 Суднобудування  

Алюміній і сплави на його основі знаходять все більш широке застосування в суднобудуванні. З алюмінієвих сплавів виготовляють корпуси суден, палубні надбудови, комунікацію і різного роду суднове устаткування.

Основна перевага при впровадженні алюмінію і його сплавів в порівнянні зі сталлю - зниження маси судів, яка може досягати 50 ... 60%. У результаті представляється можливість підвищити вантажопідйомність судна або поліпшити його тактико-технічні характеристики (маневреність, швидкість і т.д.).

Найбільш широке застосування серед алюмінієвих сплавів для виготовлення конструкцій річкового і морського флоту знаходять магналіевие сплави АМгЗ, АМг5, АМг61, а також сплави АМц і Д16. Корпус судна підвищеної вантажопідйомності виготовляють зі сталі, тоді як надбудови та інше допоміжне обладнання з алюмінієвих сплавів. Має місце виготовлення риболовецьких баркасів зі сплаву АМг5 (обшивка).

Широке застосування в суднобудуванні США знаходять зварювані сплави серії 5ххх і 6ххх. Там, де необхідна висока міцність (500 МПа), використовуються напівфабрикати зі сплавів серії 2xxx і 7ххх.  

4.3 Залізничний транспорт  

Важкі умови експлуатації рухомого складу залізниці (тривалий термін служби і здатність витримувати ударні навантаження) висувають особливі вимоги до конструкційних матеріалів.

Основні характеристики алюмінію і його сплавів, що розкривають доцільність застосування їх у залізничному транспорті, висока питома міцність, невелика сила інерції, корозійна стійкість. Впровадження алюмінієвих сплавів при виготовленні зварних ємностей підвищує їх довговічність при перевезенні ряду продуктів хімічної та нафтохімічної промисловості.

Алюміній і його сплави використовуються при виготовленні кузова і рами вагона. Для вагону рекомендовані зварювані сплави середньої міцності марок АМг3, AMr5, АМг6 і 1915 [96-100]. Перспективними сплавами для рефрижераторних вагонів є алюмінієві сплави. Залежно від продуктів хімічної промисловості вибирається марка зварюваного матеріалу для котлів цистерни.

У США з зварюваних сплавів серії 6ххх, серії 5ххх і сплаву 7005 виготовляють рухомий склад із здобуттям оптимальних характеристик міцності і високої корозійної стійкості зварних елементів.  

4.4 Автомобільний транспорт  

Одним з основних вимог до матеріалів, що застосовуються в автомобільному транспорті, є мала маса і досить високі показники міцності. Беруться до уваги також корозійна стійкість і гарна декоративна поверхня матеріалу.

Висока питома міцність алюмінієвих сплавів збільшує вантажопідйомність і зменшує експлуатаційні витрати пересувного транспорту. Висока корозійна стійкість матеріалу продовжує терміни експлуатації, розширює асортимент перевезених товарів, включаючи рідину і гази з високою агресивної концентрацією.

При виготовленні елементів каркаса, обшивки кузова напівпричепа автофургона, рефрижератора, скотовоз і т.п. перспективним матеріалом є алюмінієві сплави АД31, 1915 (пресовані профілі) та сплави АМг2, АМг5 (лист).

Знаходять застосування алюмінієві сплави АМц, АМгЗ і 1915 при виготовленні окремих вузлів легкового автомобіля (навісні деталі, бампери, радіатори охолодження, опалювачі).

В автомобілебудуванні США широко використовуються алюмінієві сплави зварювані серії Зххх, 5ххх і 6ххх.

З пресованих напівфабрикатів сплавів 2014 і 6061 виготовляють балки, рами важких вантажних автомобілів. Конфіденційність та окремі елементи зі сплаву 5052 надходять на виготовлення кабіни. Як обшивального матеріалу кузова вантажівки використовують лист із сплавів 5052, 6061, 2024, 3003 і 5154. Стійки кузова виконуються з пресованих напівфабрикатів сплавів 6061 і 6063. Магналіевие сплави серії 5ххх (5052, .5086, 5154 і 5454) є основним матеріалом при виготовленні автоцистерн.