Процесс получения алюминия. Свойства технического алюминия и области его применения

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие, соответствует требованиям государственного образовательного стандарта, рабочим учебным планам и программам курса «Цветные сплавы» по направлению «Материаловедение и технологии материалов» профиль подготовки 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» и 29.03.04 «Технология художественной обработки материалов»

Цель курса «Цветные сплавы» - получение знаний по выбору материалов для различных деталей и конструкций, применяемых в промышленности.

Судостроение является одной из наиболее перспективных областей применения цветных сплавов.

Цветные сплавы в судостроении используют для изготовления корпусов судов и надстроек, подшипников скольжения, арматуры и трубопроводов, работающих в контакте с морской водой и в атмосфере пара, гребных винтов и подшипников гребных валов, для изготовления сопловых и рабочих лопаток газотурбинных судовых двигателей и целого ряда других деталей судовых машин и механизмов. Широкое применение получили удельно-легкие высокопрочные титановые и алюминиевые сплавы, использование которых позволяет значительно улучшить тактико-технические данные судов.  

Основными задачами курса являются изучение ос­новных типов современных цветных материалов различной природы и назначения за­данного химического и фазового состава и структуры с различными свойства­ми; рассмотрение особенностей формирования структуры металлов и сплавов на их основе; установление взаимосвязи между структурой и свойствами спла­вов, определяющих их особенности и области применения.

В учебном пособии рассмотрены алюминиевые, титановые, магниевые, медные, никелевые сплавы; сплавы на основе тугоплавких, легкоплавких и благородных металлов; изложены теоретические и технологические основы производства цветных металлов, знания о физических, химических, механических, технологических и эксплуатационных свойствах цветных металлов и их сплавов; о технологических методах получения заготовок из цветных сплавов, основы их термической обработки и поверхностного упрочнения, их структурные особенности и основные характеристики, современная классификация и маркировка и области применения.

Изложенные знания о взаимосвязи между составом, структурой и свойствами современных конструкционных цветных сплавов позволят будущему специалисту на основании анализа эксплуатационных требований обосновать рациональный выбор материалов для заданных конструкций, применяемых в кораблестроении; выбору методов получения заготовки, и совершенствование технологических процессов их обработки, обеспечить надежность конструкций, снизить себестоимость и повысить производительность труда.

Следует отметить, что цветные сплавы имеют более высокую стоимость, чем черные металлы. Поэтому необходимо помнить, что необоснованное применение цветных сплавов приводит к значительному удорожанию конструкций.

Алюминий и его сплавы

Процесс получения алюминия. Свойства технического алюминия и области его применения

Исходным сырьем для получения алюминия служит боксит. Боксит наполовину или больше состоит из окиси алюминия (глинозема), связанной с водой. Кроме того, он содержит примеси, главным образом кремнезем, а также окислы железа и титана.

На глиноземном заводе из боксита сначала химическим путем выделяют примеси, а затем в больших печах для обжига удаляют воду. Обожженный глинозем в виде сухого белого порошка (почти чистой окиси алюминия Al₂O₃) поступает в дальнейшую переработку на алюминиевый завод. Здесь его вместе с криолитом (Na₃AlF₆) нагревают до 900-1000º C и расплавленную смесь подвергают электролизу. В результате электролиза выделяется металлический алюминий. Чтобы получить тонну алюминия, требуется затратить 13000-14000 кВт·ч электроэнергии, стоимость которой составляет значительную долю себестоимости алюминия. Первичный алюминий, получаемый в электролизерах, имеет чистоту 99,3-99,9%. Основными примесями в нем является кремний и железо, в меньших количествах содержатся также титан, медь и цинк. Путем повторного электролиза в расплаве получают алюминий высокой чистоты (99,99% и выше).

Алюминий – металл серебристо-белого цвета. Температура плавления - 660ºС. Он кристаллизуется в структуре гранецентрированного куба (ГЦК) и не имеем полиморфных превращений.

Наиболее важной особенностью алюминия является низкий удельный вес (плотность) – 2,7 г / см³ (против 7,8г/см³ для железа и 8,94г/см³ для меди), поэтому он относится к так называемым лёгким металлам (металлам с плотностью менее 5г / см³).

Чистый алюминий обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью (уступает лишь серебру, золоту и меди). Примеси ухудшают все эти свойства.

Замечательная особенность алюминия состоит в том, что на воздухе его поверхность быстро покрывается тонкой, но очень плотной, прочной и твердой пленкой окиси, чем и объясняется его высокая коррозионная стойкость. Эту оксидную пленку можно еще усилить химическими и электролитическими методами. Однако в щелочах алюминий корродирует с большой скоростью, а в морской воде, кроме этого, подвержен коррозионному растрескиванию.

Алюминий легко обрабатывается давлением, сваривается всеми видами сварки, но плохо обрабатывается резанием. Из других свойств алюминия следует отметить его высокую отражательную способность, в связи с чем, он используется для прожекторов, рефлекторов и т.п.

Технический алюминий изготавливают в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов и маркируют АД0 и АД1. Прочностные свойства прокатанного и отожженного до мягкого состояния алюминия характеризуются следующими величинами: предел текучести 20-30 Н/мм ², предел прочности на разрыв 70-100 Н/мм ², твердость по Бринеллю 150-250 Н/мм ², удлинение при разрыве 30-50% и сужение 80-95%.

Технический алюминий (АД и АД 1) ввиду низкой прочности применяют для изготовления элементов конструкции и деталей, не несущих нагрузки, когда требуется высокая пластичность, хорошая свариваемость, сопротивление коррозии, высокая теплопроводность и высокая электрическая проводимость. Из технического алюминия изготавливают различные трубопроводы, палубные надстройки морских и речных судов, перегородки, двери, рамы, посуду, цистерны и т.д. Алюминий высокой чистоты предназначается для фольги, токопроводящих и кабельных изделий (кабели, электропровода, шины, конденсаторы). Более широко используют сплавы алюминия.

 

Алюминиевые сплавы

Чистый алюминий, как указывалось выше, имеет весьма незначительную прочность, однако сплавы на его основе вполне конкурентоспособны - деформируемые сплавы при 20°С имеют значение σ_в>700 МПа, литейные - σ_в>550 МПа. Прочность алюминия, можно значительно повысить путем легирования различными элементами, важнейшими из которых являются кремний, медь, магний, цинк и марганец. Для легирования алюминия используют также железо, титан, хром. Реже используют – свинец, бор, кадмий, висмут, цирконий.

1.2.1. В лияние основных примесей на структуру и свойства алюминиевых сплавов

Основные примеси, присутствующие во всех алюминиевых сплавах, - железо, кремний и марганец, как правило, ухудшают механические и коррози­онные свойства.

Железо - практически нерастворимый в алюминии элемент. Оно образует с алюминием эвтектику (А1+А13Fе) при 655 °С, которая, выделяясь в структуре алюминия в виде игл, снижает его пластические свойства. Железо также уменьшает коррозионную стойкость алюминия, но в то же время увеличивает его прочность.

Кремний не образует соединений с алюминием. Растворяясь в алюминии, кремний несколько упрочняет его, незначительно снижая пластические свойства. Как и железо, кремний приводит к образованию эвтектики с алюминием. Если эвтек­тика с железом (655 °С) близка к температуре плавления А1 (660 °С), то эвтек­тика с кремнием почти на 100 °С ниже (577 °С), что приводит к эффекту красноломкости алюминия. Таким образом, кремний является причиной горячих поверхностных трещин на слитках чистого А1, полученных полунепрерывным методом литья. Увеличение концентрации кремния ухудшает технологичность алюминия при горячей прокатке и сварке.

Марганец в количестве 0,05 % служит причиной появления аномально крупного зерна в отожженных листах А1, что связано с очень малой диффузией Мп в А1. В результате неоднородность, вызванная внутрикристаллитной лик­вациейМп, сохраняется в процессе обработки. Для ее устранения необходимо применять гомогенизацию.

 

1.2.2. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства алюминиевых сплавов

 

В качестве основных легирующих элемен тов во всех алюминиевых спла­вах используется всего пять элементов - 4 металла (Мg, Сu, Zn, Li) и полупро­водник Si. Введение их в больших количествах оказывается возможным пото­му, что они обладают значительной растворимостью в алюминии в твердом со­стоянии.

 Первая и главная функция легирующих элементов - повышение прочно­сти алюминия. Упрочнение достигается за счет образования твердого раство­ра и, во многих системах, путем дисперсионного твердения.

Главным фактором твердорастворного упрочнения является размерный (отношение разницы атомных радиусов алюминия (R_А) и легирующего элемента к атомному радиусу алюминия). Относительная разница атомных радиусов алюминия (R_А) и легирующего элемента (Rлег.) максимальна в случае легирования магнием (11,7 %) и медью (10,5 %). Именно эти добавки обеспечивают максимальное твердорастворное упрочнение (∆σ_в=30-40 МПа %).

Растворимость в твердом состоянии при образовании твердого раствора на основе алюминия для всех элементов ограничена, не растворившиеся части­цы образуют в структуре сплава интерметаллические соединения или присутствуют в виде чистых элементов (например, Si, Вi, Сd, РЬ, Sп). К избыточным фазам, образованным основными легирующими элементами и алюминием и наиболее часто встречаемым в структуре слитков, относятся интерметаллидные фазы Мg₂Si СuА1₂, А1₂СuМg, АlзMg₃Zn₃ и др. Образующийся твердый раствор и наличие упрочняющих фаз (количество, ве­личина, форма, распределение) определяют физические, химические и технологические свойства сплавов.

Магний повышает коррозионную стойкость алюминия, слабо снижает пи пластичность и в результате обеспечивает такой комплекс свойств магналиев (сплавов базовой системы А1-Мg), благодаря которому они являются самыми широко используемыми среди алюминиевых сплавов. Магналии являются маложаропрочными и термически неупрочняемыми.

Медь существенно снижает коррозионную стойкость алюминия и любых его сплавов. Но сплавы, легированные медью, упрочняются в результате термической обработки и являются основой жаропрочных сплавов.

Цинк н е представляет большого практического интереса как единственный легирующий элемент. Но если цинк вводится наряду с другими добавками, особенно с магнием и медью, то он оказывает существенное влияние на свойства сплавов. Термически упрочняемые сплавы систем А1-Zn-Мg и А1-Zn-Мg-Сu (высокопрочные сплавы) обладают самой высокой прочностью среди всех алю­миниевых сплавов.

 Кремний способен обеспечить хорошую технологичность при литье, что постигается за счет образования в силуминах (сплавах А1-Si) значительного ко­личества эвтектической составляющей. Силумины являются наиболее широко распространенными литейными сплавами на алюминиевой основе. Двойные силумины термически не упрочняются. Введение в них магния и меди делает их восприимчивыми к за­калке и старению, поэтому на практике используются в основном многокомпо­нентные силумины на базе систем А1-Zn-Мg и А1-Zn-Мg-Сu.

Литий в качестве основного легирующего элемента все чаще начинает использоваться в последние годы, несмотря на дефицитность и слишком высо­кую химическую активность. Преимущества, которые обеспечивает введение лития, - это заметное повышение модуля упругости и удельной прочности.

Помимо основных легирующих элементов абсолютное большинство промышленных алюминиевых сплавов содержит малые добавки.

 Малыми добавками называют легирующие компоненты, содержание которых в промышленных алюминиевых сплавах менее 1 % (десятые - сотые доли %). В качестве таких малых добавок особенно часто используют переход­ные металлы: Мn, Тi, Zг, Сг, V, Ni, Fе, а также Ве, Сd, В. Sс и др. Эти добавки вводят в количестве десятых долей процента, а влияние их многостороннее и существенное (соизмеримо с влиянием основных легирующих элементов). Многие из них - хорошие модификаторы зерна (Sс, Ti, Zг) при кристаллизации, особенно вместе с бором. Практически все добавки способствуют измельчению зерна при рекристаллизации.Добавки в некоторых случаях влияют и на литейные сплавы. Наибольшую жаропрочность литейным сплавам придают добавки Мn, Zг и Сr. Вторичные выделения этих добавок могут обеспечить заметный рост характеристик жаро­прочности (на 30-50 %).