Алюминий и его сплавы: виды, свойства, производство

Алюминий — это металл с характерным серебристо-белым оттенком, отличающийся крайне малой плотностью — около 2700 кг/м³ и выдающимися показателями теплопроводности и электропроводности. Температура его плавления варьируется от 660 до 667°С в зависимости от степени очистки. В состоянии полного отжига алюминий характеризуется низкой прочностью (σ_в составляет 80…100 МПа) и сравнительно мягкой структурой (НВ = 20…40), при этом демонстрирует высокую пластичность, достигающую 35…40%.

Этот металл легко поддается пластической деформации, а его отдельные сплавы хорошо свариваются. Устойчивость алюминия к воздействию атмосферной влаги и пресной воды объясняется самопроизвольным образованием на его поверхности плотной оксидной пленки, препятствующей проникновению кислорода и защищающей металл от дальнейшего окисления.

История получения алюминия начинается относительно недавно. Впервые этот металл был выделен в чистом виде в 1825 году датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом. Однако в течение десятилетий алюминий оставался редким и дорогим — его стоимость в XIX веке превышала цену золота, и его использовали для украшения дворцов и королевских тронов.

Ситуация кардинально изменилась после разработки эффективного метода электролитического восстановления в 1886 году независимо двумя учеными — Полем Эру из Франции и Чарльзом Холлом из США. Именно этот метод стал основой промышленного производства и широко используется до сих пор. Появление дешевого алюминия стимулировало создание новых сплавов и технологий его переработки, что дало мощный импульс развитию авиации, электротехники и строительной индустрии.

Основным сырьем для получения алюминия являются бокситы и нефелины. Типовой химический состав бокситов выражается через формулу Na₂(K₂)O · Al₂O₃ · 2SiO₂, и включает 30…70% глинозема Al₂O₃, 2…20% диоксида кремния SiO₂, 2…50% оксида железа Fe₂O₃ и 0,1…10% TiO₂.

Производственный цикл получения алюминия охватывает два ключевых этапа:

1. извлечение глинозема Al₂O₃ из бокситового сырья;
2. осуществление электролиза раствора глинозема в расплавленном криолите (Na₃AlF₆), в результате чего выделяется металлический алюминий.

В электролизных ваннах применяется смесь криолита и глинозема (8…10%), с добавлением фторидов AlF₃ и NaF. Получаемый алюминий в расплавленном состоянии оседает на дно и называется алюминием-сырцом. Он содержит целый ряд примесей: металлические (Si, Cu, Zn, Fe), неметаллические (C, Al₂O₃ и др.), а также газы, такие как O₂, CO и H₂. Для очистки его обрабатывают хлором — в процессе образуется AlCl₃, который захватывает включения и выносит их в шлаковую зону.

Согласно ГОСТ 11069–2001, первичный алюминий подразделяется на:

1. особо чистый (марка А999);
2. высокой чистоты (четыре марки);
3. технической чистоты (восемь марок с примесями от 0,15 до 1%).

Обозначение марок отражает процентное содержание алюминия. Так, например, А8 содержит 99,8% основного металла, тогда как А99 — уже 99,99%.

1. Деформируемые алюминиевые сплавы

Класс деформируемых алюминиевых сплавов предназначен для производства таких полуфабрикатов, как листовой прокат, проволока, фасонные профили, штамповочные и кованые заготовки. Эти сплавы содержат от двух до нескольких легирующих элементов, каждый из которых введён в концентрации 0,2…4%.

Они подразделяются на два больших класса: те, чьи свойства не изменяются при термической обработке, и сплавы, термически упрочняемые. В маркировке таких сплавов присутствуют буквенные индексы, отражающие вид механико-термического воздействия.

Термически неупрочняемые варианты (см. табл. 1) — это в основном сплавы на основе алюминия с марганцем, а также алюминия с магнием и добавлением марганца. Они демонстрируют устойчивость к коррозии, отличную свариваемость и хорошую пластичность при умеренной прочности.

Таблица 1. Сплавы деформируемые, не упрочняемые термически

Вторую категорию составляют термически упрочняемые сплавы (табл. 2), которые достигают необходимых прочностных характеристик только после соответствующей термообработки.

Таблица 2. Сплавы деформируемые, термически упрочняемые

Наибольшее распространение получили дуралюмины — сплавы алюминия с медью, магнием и марганцем, иногда с добавлением цинка. Их маркируют литерой «Д» и порядковым номером. Для достижения нужных свойств эти сплавы подвергаются закалке и старению (естественному или искусственному).

Процесс закалки проводится при 500°С с последующим охлаждением в воде. Естественное старение протекает при комнатной температуре в течение 5…7 суток, в то время как искусственное — при 150…180°С и занимает 2…4 часа. Варианты с естественным старением обладают лучшими показателями пластичности и устойчивости к коррозии.

Для эффективной закалки необходимо строго контролировать температуру (погрешность не должна превышать ±5°С), поскольку перегрев отрицательно влияет на структуру. Из-за недостаточной коррозионной стойкости дуралюмины подвергаются плакированию — покрытию чистым алюминием.

Выпускаются дуралюмины в виде профилей, труб, листов и прутков, и находят применение преимущественно в аэрокосмической и строительной индустриях.

2. Литейные алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы, применяемые в литейном производстве, в своем составе содержат те же основные легирующие элементы, что и деформируемые сплавы, однако их концентрация в литейных составах существенно выше — по отдельным компонентам может достигать 9–13%. Эти сплавы специально предназначены для получения отливок сложной формы.

Маркировка таких сплавов осуществляется буквенным обозначением «АЛ», к которому добавляется цифра, указывающая порядковый номер конкретной марки.

Всего выпускается 35 разновидностей литейных алюминиевых сплавов, классифицируемых на группы по химическому составу. Например, к группе алюминиево-кремниевых сплавов относятся АЛ2, АЛ4 и АЛ9, а к алюминиево-магниевым — АЛ8, АЛ13, АЛ22 и другие.

Наиболее известные из них — сплавы на базе алюминия и кремния, называемые силуминами. Они отличаются высокой текучестью в расплавленном состоянии, что облегчает их формование, небольшой усадкой при кристаллизации, достаточной прочностью и удовлетворительной пластичностью. В то же время алюминиевые сплавы, легированные магнием, характеризуются повышенной удельной прочностью, хорошей обрабатываемостью резанием и выраженной устойчивостью к коррозионным процессам.

Структура литейных алюминиевых сплавов более грубая по сравнению с деформируемыми сплавами, так как формируется при других условиях охлаждения. Это влияет на режимы термической обработки, которым их подвергают. При закалке силумины нагревают до 520–540°С с длительной выдержкой в интервале от 5 до 10 часов для растворения частиц в твердом растворе. Процесс искусственного старения осуществляется при 150–180°С в течение 10–20 часов. При содержании более 5% кремния в составе сплава применяется модифицирование с использованием натрия, что позволяет измельчить зернистую структуру. Добавление соли натрия в количестве 1–3% от массы сплава в соотношении ²/3NaF + ¹/3NaCl способствует снижению температуры кристаллизации.

Технологические характеристики алюминиевых сплавов во многом определяются не только составом, но и методом формования отливок. Влияние способа охлаждения отливки на ее прочность весьма существенно: чем быстрее происходит теплоотвод, тем выше прочностные характеристики изделия. Так, например, при литье в металлические формы (кокиль) механические свойства выше, чем при формовании в песчаные литейные формы. Это подтверждается данными таблицы 3.

Таблица 3. Алюминиевые литейные сплавы

Обозначения, применяемые в столбце «Способы литья», имеют следующий смысл: З — формование в песчано-глинистую смесь, В — методика по выплавляемым моделям, К — использование кокильных форм, Д — формование под высоким давлением. Если за обозначением метода следует литера «М», это означает, что сплав при литье модифицируется специальными добавками.

Таким образом, литейные алюминиевые сплавы представляют собой обширную и разнообразную группу материалов, обладающих высокими литейными и эксплуатационными характеристиками, которые можно дополнительно регулировать за счет выбора способа литья и параметров термообработки.

Заключение

Интересные факты о алюминии:

• Алюминий — третий по распространенности элемент в земной коре после кислорода и кремния, однако в чистом виде в природе не встречается.

• В 1884 году вершина монумента Вашингтона в США была покрыта 2,8-килограммовым слитком алюминия — на тот момент это был металл престижнее серебра.

• Окисная пленка на поверхности алюминия толщиной всего в несколько микрон делает его чрезвычайно устойчивым к коррозии в большинстве природных условий.

• Производство алюминия требует больших затрат электроэнергии — на выпуск одного килограмма металла уходит около 15 кВт·ч, поэтому заводы часто строят рядом с ГЭС.

• В авиации широко используются дуралюмины — сплавы алюминия с медью, обладающие высокой прочностью при малом весе.

Производство алюминия представляет собой высокотехнологичный процесс, включающий в себя как химические, так и физико-химические стадии, требующие точного соблюдения режимов и высоких энергозатрат. Значительное внимание уделяется и разработке алюминиевых сплавов, которые обеспечивают необходимый баланс между прочностью, коррозионной стойкостью, технологичностью и стоимостью. Деформируемые и литейные сплавы алюминия позволяют удовлетворять самые разнообразные требования — от легких конструкций в авиации до деталей массового применения в строительстве и машиностроении.

• Об авторе
• Недавние публикации

Александр Лавриненко

Ведущий инженер-технолог и эксперт по производственной оптимизации в НПФ 'Современные технологии производства'

Александр Лавриненко — инженер-технолог с более чем 25-летним опытом в машиностроении, энергетике, строительстве и автоматизации производства. Получил степень магистра в области металлургии в МГТУ, специализируясь на современных методах обработки металлов и аддитивных технологиях. Работал над проектами по внедрению комплексных решений для диагностики и оптимизации работы металлорежущих станков.
Регулярно публикую материалы о передовых методах резки, наплавки и покрытий, а также освещаю новинки в сфере литейного производства и композиционных материалов — включая технологии формования и сварку.

Александр Лавриненко недавно публиковал (посмотреть все)

• Червячные передачи: устройство, сборка и контроль - 28.06.2025
• Зубчатые передачи: виды, устройство, сборка и контроль - 28.06.2025
• Цепные передачи: устройство, сборка и регулирование - 28.06.2025