Глава 3 АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Назад: 2.3.2 Технология сварки и сварочные материалы.

3.1 Основы производства и свойства алюминия и его сплавов

Чистый алюминий ввиду низкой прочности (_в 100 МПа) используется в электротехнической и пищевой промышленности. В качестве конструкционных материалов в машиностроении применяются алюминиевые сплавы различного состава, которые, благодаря малой плотности, высокой удельной прочности, коррозионной стойкости и хорошей технологической обрабатываемости используются в авиа- и судостроении, строительстве, транспорте, химическом машиностроении и криогенной технике.

Алюминий является самым распространенным металлом в природе и встречается в виде руд (бокситы, нефелины, алуниты). Основными для производства алюминия являются бокситы, состоящие из гидратов окиси алюминия AlО(OH), Al(OH)₃, содержащие до 70 % глинозема Al₂O₃ с примесью кремнезема SiO₂ (0,5-1,5 %) и пустой породы. Производство алюминия состоит из двух основных процессов: получения глинозема Al₂O₃ из бокситов и получения электролизом алюминия из глинозема. [1]

В качестве электролита в электролизере используется расплав глинозема (8-10 %) и криолита Na₃AlF₆ (90 %). Схема электролизера показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1 – Схема электролизера для получения алюминия:

1 – катодная шина; 2 – под из углеродных блоков; 3 – футеровка из углеродных блоков; 4 – застывший электролит; 5 – кожух; 6 – расплавленный алюминий; 7 – расплавленный электролит; 8 – глинозем; 9 – анодная шина; 10 – кожух анода; 11 – стальной держатель

В расплавленном электролите 7 при Т = 930-950 ⁰С происходит диссоциация молекул криолита и глинозема:

Na₃AlF₆ 3Na⁺⁺ + Al; Al₂O₃ Al₃⁺⁺ + Al

На катоде 1 осаждается алюминий (Al₃⁺⁺3eAl), а на аноде образуется глинозем и кислород (2AlO₃ – 6e Al₂O₃ + 1,5O₂) Расплавленный алюминий 6, скапливающийся на поде 2 электролизера, периодически удаляется при помощи сифонов и вакуумных ковшей.

Для получения 1 т алюминия расходуется 2 т глинозема, 0,6 т угольных электродов, 0,1 т криолита и 16500-18500 кВтч электроэнергии.

В полученном алюминии содержатся примеси (Fe, Si, Al₂O₃) и для их удаления при Т = 700-750 ⁰С производят продувку алюминия газообразным хлором, который очищает его от газов и примесей. Чистота алюминия при этом составляет 99,85 %. Дальнейшее электролитическое рафинирование повышает чистоту металла до 99,99 %. После этого алюминий разливается в чушки массой 5-15 кг. Алюминиевые сплавы получают легированием и переплавкой алюминия.

Основные теплофизические и механические свойства алюминия приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1 – Основные физические и механические свойства технического алюминия

Свойство	Численное значение	Свойство	Численное значение
Температура плавления, ^0С	658-660	Теплопроводность, кал/смсград	0,5-0,54
Плотность, г/см^3	2,7	Скрытая теплота плавления, кал/г	97,6
Температура кипения, ^0С	2270-2500	Термический коэффициент линейного расширения при Т = 20-100 ^0С, 1/К	23,810^-6
Предел прочности, МПа литой отожженый деформированный	90-120 80-110 150-250	Скрытая теплота испарения, кал/г	2100-2300
		Удельная теплоемкость Дж/кгК	900
Пластичность, % отожженный нагартованный	20-28 5-7	Удельное электросопротивление, Ом×см	2,6-2,910^-6

Химическая активность алюминия и его сплавов характеризуется большим сродством к кислороду. Тугоплавкая (Т = 2050 ⁰С) и плотная ( = 3,4 г/см³) окисная пленка Al₂O₃ на поверхности защищает алюминий от дальнейшего окисления и взаимодействия с окружающей средой.

Наличие окисной пленки обеспечивает алюминию сравнительно высокую стойкость против коррозии в ряде сред (влажной атмосфере, концентрированной азотной кислоте, в органических кислотах). Однако, алюминий растворяется в щелочах, в разведенных азотной и серной кислотах. Алюминий склонен к местной точечной, межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением. Растворимость газов в алюминии ограничена, что способствует порообразованию при сварке.

В качестве полуфабрикатов из алюминиевых сплавов выпускаются листы, профили, трубы и др., отличающиеся сравнительно высокой прочностью (_в 500-700 МПа), удовлетворительной свариваемостью, обрабатываемостью режущим инструментом и легкостью деформирования. По удельной прочности s/g некоторые из алюминиевых сплавов (например, Д16) значительно превосходят чугун, низкоуглеродистую и низколегированную сталь, чистый титан и уступают лишь сталям повышенной прочности и высокопрочным сплавам титана.

В качестве основных легирующих элементов в сплавах используют магний, марганец, медь, кремний, цинк, реже, никель, титан. Легирующие элементы образуют с алюминием как ограниченные твердые растворы (Mn, Mg), так и промежуточные фазы (CuAl₂, Mg₂Si и др.).

Далее: 3.2 Классификация промышленных сплавов алюминия.