Алюминий и его сплавы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Южно-Уральский государственный университет

Политехнический институт

Реферат

На тему: «Алюминий и его сплавы»

По дисциплине «Материаловедение»

Выполнил:

Ширшова В.А.

Проверил:

Ильичев В.Л.

Челябинск 2020

Аннотация

Алюминий- серебристо-белый металл, 13-й элемент периодической таблицы Менделеева. Невероятно, но факт: алюминий - самый распространенный металл на Земле, на него приходится более 8% всей массы земной коры, и это третий по распространенности химический элемент на нашей планете после кислорода и кремния.

История:

Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути.

Нахождение алюминия:

При этом алюминий не встречается в природе в чистом виде из-за своей высокой химической активности. Вот почему мы узнали о нем относительно недавно. Формально алюминий был получен лишь в 1824 году, и прошло еще полвека, прежде чем началось его промышленное производство.

Чаще всего в природе алюминий встречается в составе квасцов. Это минералы, объединяющие в себе две соли серной кислоты: одну на основе щелочного металла (лития, натрия, калия, рубидия или цезия), а другую - на основе металла третьей группы таблицы Менделеева, преимущественно алюминия.

Несмотря на то, что алюминий самый распространенный металл на нашей планете, в чистом виде на Земле его не встретить. Из-за высокой химической активности атомы алюминия легко образуют соединения с другими веществами. При этом «крылатый металл» нельзя получить плавлением руды в печи, как это происходит, например, с железом. Процесс получения алюминия значительно сложнее и основан на использовании электричества огромной мощности. Поэтому алюминиевые заводы всегда строятся рядом с крупными источниками электроэнергии - чаще всего гидроэлектростанциями, не загрязняющими окружающую среду.

Физические свойства:

Микроструктура алюминия на протравленной поверхности слитка, чистотой 99,9998 %, размер видимого сектора около 55 Ч 37 мм.

Металл серебристо-белого цвета, лёгкий, плотность -- 2,7 г/смі, температура плавления у технического алюминия -- 658 °C, у алюминия высокой чистоты -- 660 °C, удельная теплота плавления -- 390 кДж/кг, температура кипения -- 2500 °C, удельная теплота испарения -- 10,53 МДж/кг, временное сопротивление литого алюминия -- 10…12 кг/ммІ, деформируемого -- 18…25 кг/ммІ, сплавов -- 38…42 кг/ммІ.

Твёрдость по Бринеллю -- 24…32 кгс/ммІ, высокая пластичность: у технического -- 35 %, у чистого -- 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу. Модуль Юнга -- 70 ГПа.

Алюминий обладает высокой электропроводностью (0,0265 мкОм·м) и теплопроводностью (1,24Ч10?3 Вт/(м·К)), 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью. Слабый парамагнетик. Температурный коэффициент линейного расширения 24,58Ч10?6 К?1 (20…200 °C). алюминий металл боксит электролиз

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

Получение алюминия:

Добыча бокситов

Производство металла делится на три основных этапа: добыча бокситов - алюминийсодержащей руды, их переработка в глинозем - оксид алюминия, и, наконец, получение чистого металла с использованием процесса электролиза - распада оксида алюминия на составные части под воздействием электрического тока. Из 4-5 тонн бокситов получается 2 тонны глинозема, из которого производят 1 тонну алюминия.

В мире существуют несколько видов алюминиевых руд, но основным сырьем для производства этого металла являются именно бокситы. Это горная порода, состоящая, в основном, из оксида алюминия с примесью других минералов. Боксит считается качественным, если он содержит более 50% оксида алюминия.

Производство алюминия

Итак, мы добыли боксит, получили из него глинозем, запаслись криолитом. Все готово для последней стадии - электролизу алюминия. Электролизный цех является сердцем алюминиевого завода и не похож на цеха других металлургических предприятий, производящих, например, чугун или сталь. Он состоит из нескольких прямоугольных корпусов, протяженность которых зачастую превышает 1 км. Внутри рядами установлены сотни электролизных ванн, последовательно подключенных массивными проводами к электричеству. Постоянное напряжение на электродах каждой ванны находится в диапазоне всего 4-6 вольт, в то время как сила тока составляет 300 кА, 400 кА и более. Именно электрический ток является здесь главной производственной силой - людей в этом цехе крайне мало, все процессы механизированы.

Для запуска двигателя автомобильный аккумулятор должен обеспечить электрический ток в 300-350 А в течение 30 секунд. То есть в 1000 раз меньше, чем нужно одному электролизеру для постоянной работы.

В каждой ванне происходит процесс электролиза алюминия. Емкость ванны заполняется расплавленным криолитом, который создает электролитическую (токопроводящую) среду при температуре 950°С. Роль катода выполняет дно ванны, а анода - погружаемые в криолит угольные блоки длиной около 1,5 метров и шириной 0,5 метра, со стороны они выглядят как впечатляющих размеров молот.

Каждые полчаса при помощи автоматической системы подачи глинозема в ванну загружается новая порция сырья. Под воздействием электрического тока связь между алюминием и кислородом разрывается - алюминий осаждается на дне ванны, образуя слой в 10-15 см, а кислород соединяется с углеродом, входящим в состав анодных блоков, и образует углекислый газ.

Примерно раз в 2-4 суток алюминий извлекают из ванны при помощи вакуумных ковшей. В застывшей на поверхности ванны корке электролита пробивают отверстие, в которое опускают трубу. Жидкий алюминий по ней засасывается в ковш, из которого предварительно откачан воздух. В среднем, из одной ванны откачивается около 1 тонны металла, а в один ковш вмещается около 4 тонн расплавленного алюминия. Далее этот ковш отправляется в литейное производство.

При производстве каждой тонны алюминия выделяется 280 000 м3 газов. Поэтому каждый электролизер независимо от его конструкции оснащен системой газосбора, которая улавливает выделяющиеся при электролизе газы и направляет их в систему газоочистки. Современные «сухие» системы газоочистки для улавливания вредных фтористых соединений используют ни что иное, а глинозем. Поэтому перед тем как использоваться для производства алюминия, глинозем на самом деле сначала участвует в очистке газов, которые образовались в процессе производства металла ранее. Вот такой замкнутый цикл.

Для процесса электролиза алюминия требуется огромное количество электроэнергии, поэтому важно использовать возобновляемые и не загрязняющие окружающую среду источники этой энергии. Чаще всего для этого используются гидроэлектростанции - они обладают достаточной мощностью и не имеют выбросов в атмосферу. Например, в России 95% алюминиевого мощностей обеспечены гидрогенерацией. Однако есть в места в мире, где угольная генерация пока доминирует - в частности, в Китае на нее приходится 93% производства алюминия. В результате для производства 1 тонны алюминия с использованием гидрогенерации в атмосферу выделяется чуть более 4 тонн углекислого газа, а при использовании угольной генерации - в пять раз больше - 21,6 тонны.

Сплавы на основе алюминия

Алюминиевый прокат

· Алюминиево-магниевыеAl-Mg (серия 5ххх). Сплавы системы Al-Mg характеризуются сочетанием удовлетворительной прочности, хорошей пластичности, очень хорошей свариваемости и коррозионной стойкости. Кроме того, эти сплавы отличаются высокойвибростойкостью.

· Алюминиево-марганцевыеAl-Mn (серия 3ххх). Сплавы этой системы обладают хорошей прочностью, пластичностью и технологичностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.

· Алюминиево-медныеAl-Cu (Al-Cu-Mg) (серия 2ххх). Механические свойства сплавов этой системы в термоупрочненном состоянии достигают, а иногда и превышают, механические свойства низкоуглеродистых сталей. Эти сплавы высокотехнологичны. Однако у них есть и существенный недостаток -- низкое сопротивление коррозии, что приводит к необходимости использовать защитные покрытия.

· Сплавы системы Al-Zn-Mg (Al-Zn-Mg-Cu) (серия 7ххх). Сплавы этой системы ценятся за очень высокую прочность и хорошую технологичность. Представитель системы -- сплав 7075 является самым прочным из всех алюминиевых сплавов. Эффект столь высокого упрочнения достигается благодаря высокой растворимости цинка (70 %) и магния (17,4 %) при повышенных температурах, резко уменьшающейся при охлаждении.

· Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов.

· Комплексные сплавы на основе алюминия: авиаль.

· Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 кельвина.

Применение алюминия и его сплавов:

В настоящее время алюминий и его сплавы применяют во многих областях промышленности и техники. Прежде всего алюминий и его сплавы используют авиационная и автомобильная отрасли промышленности. Широко применяется алюминий и в других отраслях промышленности: в машиностроении, электротехнической промышленности и приборостроении, промышленном и гражданском строительстве, химической промышленности, производстве предметов народного потребления.

В авиапромышленности алюминий стал главным металлом благодаря тому, что его использование позволило решить задачу уменьшения массы транспортных средств и резко увеличить эффективность их применения. Из алюминия и его сплавов изготовляют авиаконструкции, моторы, блоки, головки цилиндров, картеры, коробки передач, насосы и другие детали.

В электротехнической промышленности алюминий и его сплавы применяют для изготовления кабелей, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей переменного тока. В приборостроении он используется при производстве кино- и фотоаппаратуры, радиотелефонной аппаратуры, различных контрольно-измерительных приборов.

Широко используется еще одно полезное свойство алюминия - его высокая отражающая способность. Поэтому из него изготовливаютсяразличные отражающие поверхностеи нагревательных и осветительных рефлекторов и зеркал.

Алюминий используют в металлургической промышленности в качестве восстановителя при получении ряда металлов, таких как хром, кальций, марганец. Он также используется для раскисления стали и сварки стальных деталей.

Не обойтись без алюминия и его сплавов сплавы в промышленном и гражданском строительстве. Он используется для изготовления каркасов зданий, ферм, оконных рам, лестниц и др.

Алюминий в машиностроении остаётся ключевым металлом. Составы разнообразных алюминиевых сплавов постоянно обновляются, что позволяет разработчикам открывать всё новые и новые грани данного металла. Его способность снижать потребление топлива благодаря уменьшению массы автомобиля широко используется всеми автопроизводителями - из алюминия изготавливают кузова, борта полуприцепов, детали моторов и прочие части машин.

В то же время не сдаёт своих позиций и прочная сталь, традиционно считающая материалом для изготовления надёжного каркаса и кузова автомобиля. При этом ей явно не хватает пластичности и лёгкости алюминия. Разработчики решили эту задачку путём объединения двух металлов в сплавах - и это принесло желаемый результат. Теперь новые прочные сплавы с успехом используют во всех сферах промышленности, а полученный таким образом алюминиевый профиль в разы прочнее своего аналога из чистого металла.

Заключение

Исходя из всех вышеперечисленных способов применения алюминия, можно сказать, что алюминий прочно занял первое место среди других цветных металлов по масштабам производства и значению в хозяйстве.

Размещено на Allbest.ru