Особенности состава, свойств и характеристик алюминия

Алюминий представляет собой самый распространенный металл в земной коре. Он относится к группе легких металлов, имеет небольшую плотность и температуру плавления. При этом пластичность и электропроводность находятся на высоком уровне, что обеспечивает его повсеместное использование. Итак, давайте узнаем, каковы удельная температура плавления алюминия и его сплавов (пр. в сравнении с железом и свинцом), тепло- и электропроводность, плотность, другие свойства, а также в чем особенности структуры сплавов алюминия и химического их состава.

История открытия

В 16 веке знаменитый Парацельс сделал первый шаг к добыче алюминия. Из квасцов он выделил «квасцовую землю», которая содержала оксид неизвестного тогда металла. В 18 веке к этому эксперименту вернулся немецкий химик Андреас Маргграф. Оксид алюминия он назвал «alumina», что на латинском языке означает «вяжущий». На тот момент металл не пользовался популярностью, так как не был найден в чистом виде. Долгие годы выделить чистый алюминий пытались английские, датские и немецкие учёные. В 1855 году в Париже на Всемирной выставке металл алюминий произвёл фурор. Из него делали только предметы роскоши и ювелирные украшения, так как металл был достаточно дорогим. В конце 19 века появился более современный и дешёвый метод получения алюминия. В 1911 году в Дюрене выпустили первую партию дюралюминия, названного в честь города. В 1919 из этого материала был создан первый самолёт.

Обработка поверхности алюминия

Натуральная металлическая поверхность алюминия является эстетически привлекательной для многих изделий и без дополнительной обработки. Это натуральное защитное оксидное покрытие является прозрачным и его можно сделать толще путем анодирования. Этим достигается дополнительная защита поверхности без ущерба для внешнего вида изделия.

Категории

Алюминий позволяет применять большое количество способов обработки его поверхности. Типы обработки поверхности разделяют на четыре широкие категории:

• механические,
• химические,
• электролитические покрытия и
• неэлектролитические покрытия.

Одни из них изменяют ее внешний вид, другие дают поверхности заданные свойства, например, коррозионную стойкость. Механически и химически можно создавать различную текстуру поверхности: от грубой до зеркально гладкой.

Анодирование

Анодирование алюминия дает возможность сделать естественную поверхность матовой или цветной. Технология анодирования алюминия включает применение различных электролитов и электрических параметров — напряжения и силы тока (рисунок 9).

Рисунок 9 – Принцип анодирования алюминия

Окраска

Для алюминия широко применяют различные методы окраски: от нанесения «мокрой» краски до порошковой окраски (рисунок 10) и электролитического нанесения покрытий из других металлов.

Рисунок 10 – Вертикальная порошковая окраска алюминиевых профилей

Физические свойства

Металл алюминий характеризуется высокой электропроводностью, теплопроводностью, стойкостью к коррозии и морозу, пластичностью. Он хорошо поддаётся штамповке, ковке, волочению, прокатке. Алюминий хорошо сваривается различными видами сварки. Важным свойством является малая плотность около 2,7 г/см³. Температура плавления составляет около 660°С. Механические, физико-химические и технологические свойства алюминия зависят от наличия и количества примесей, которые ухудшают свойства чистого металла. Основные естественные примеси – это кремний, железо, цинк, титан и медь.

По степени очистки различают алюминий высокой и технической чистоты. Практическое различие заключается в отличии коррозионной устойчивости к некоторым средам. Чем чище металл, тем он дороже. Технический алюминий используется для изготовления сплавов, проката и кабельно-проводниковой продукции. Металл высокой чистоты применяют в специальных целях. По показателю электропроводности алюминий уступает только золоту, серебру и меди. А сочетание малой плотности и высокой электропроводности позволяет конкурировать в сфере кабельно-проводниковой продукции с медью. Длительный отжиг улучшает электропроводность, а нагартовка ухудшает.

Теплопроводность алюминия повышается с увеличением чистоты металла. Примеси марганца, магния и меди снижают это свойство. По показателю теплопроводности алюминий проигрывает только меди и серебру. Благодаря этому свойству металл применяется в теплообменниках и радиаторах охлаждения. Алюминий обладает высокой удельной теплоёмкостью и теплотой плавления. Эти показатели значительно больше, чем у большинства металлов. Чем выше степень чистоты алюминия, тем больше он способен отражать свет от поверхности. Металл хорошо полируется и анодируется.

Алюминий имеет большое сродство к кислороду и покрывается на воздухе тонкой прочной плёнкой оксида алюминия. Эта плёнка защищает металл от последующего окисления и обеспечивает его хорошие антикоррозионные свойства. Алюминий обладает стойкостью к атмосферной коррозии, морской и пресной воде, практически не вступает во взаимодействия с органическими кислотами, концентрированной или разбавленной азотной кислотой.

Соединение медных и алюминиевых проводов

В последнее время в быту и промышленности начало использоваться электрооборудование все более высокой мощности. Во времена СССР проводка изготавливалась в основном из дешевого алюминия. Новым требованиям ее эксплуатационные характеристики, к сожалению, уже не соответствуют. Поэтому сегодня в быту и в промышленности очень часто алюминиевые провода меняются на медные. Основным преимуществом последних, помимо тугоплавкости, является то, что при окислительном процессе их токопроводящие свойства не уменьшаются.

• 
  Нихром

Часто при модернизации электросетей алюминиевые и медные провода приходится соединять. Делать это напрямую нельзя. Собственно, электропроводность алюминия и меди различается не слишком сильно. Но только у самих этих металлов. Окислительные же пленки у алюминия и меди свойства имеют неодинаковые. Из-за этого значительно снижается проводимость в месте соединения. Окислительная пленка у алюминия отличается гораздо большим сопротивлением, чем у меди. Поэтому соединение этих двух разновидностей проводников должно производиться исключительно через специальные переходники. Это могут быть, к примеру, зажимы, содержащие пасту, защищающую металлы от появления окиси. Данный вариант переходников обычно используется при на улице. В помещениях чаще применяются ответвительные сжимы. В их конструкцию входит специальная пластина, исключающая прямой контакт между алюминием и медью. При отсутствии таких проводников в бытовых условиях вместо скручивания проводов напрямую рекомендуется использовать шайбу и гайку в качестве промежуточного «мостика».

Химические свойства

Алюминий — это достаточно активный амфотерный металл. При обычных условиях прочная оксидная плёнка определяет его стойкость. Если разрушить оксидную плёнку, алюминий выступает как активный металл-восстановитель. В мелкораздробленном состоянии и при высокой температуре металл взаимодействует с кислородом. При нагревании происходят реакции с серой, фосфором, азотом, углеродом, йодом. При обычных условиях металл взаимодействует с хлором и бромом. С водородом реакции не происходит. С металлами алюминий образует сплавы, содержащие интерметаллические соединения – алюминиды.

При условии очищения от оксидной пленки, происходит энергичное взаимодействие с водой. Легко протекают реакции с разбавленными кислотами. Реакции с концентрированной азотной и серной кислотой происходят при нагревании. Алюминий легко реагирует со щелочами. Практическое применение в металлургии нашло свойство восстанавливать металлы из оксидов и солей – реакции алюминотермии.

Вторичный алюминий

Источником для вторичного алюминия является алюминиевый лом и отходы алюминия во всех формах и видах изделий, а также шлаки и другие отходы алюминиевых литейных производств. Первичное и вторичное производство алюминия тесно связаны. Многие алюминиевые сплавы, деформируемые и литейные, предполагают наличие различных примесей, которые могут присутствовать во алюминиевом ломе и алюминиевых технологических отходах. В последние десятилетие применение алюминиевых отходов при производстве различной алюминиевой продукции неизменно возрастает. Примером этого является производство алюминиевого листа для производства банок для упаковки пива и прохладительных напитков.

Рисунок 6 – Алюминиевый лом: банки для упаковки пива и напитков

Подробно о алюминиевом ломе и вторичном алюминии:

Handbook of aluminium recycling /Ch. Schmitz – 2014

Aluminium recycling /M. Schlesinger – 2017

Получение

Алюминий находится на первом месте среди металлов и на третьем среди всех элементов по распространённости в земной коре. Приблизительно 8% массы земной коры составляет именно этот металл. Алюминий содержится в тканях животных и растений в качестве микроэлемента. В природе он встречается в связанном виде в форме горных пород, минералов. Каменная оболочка земли, находящаяся в основе континентов, формируется именно алюмосиликатами и силикатами.

Алюмосиликаты – это минералы, образовавшиеся в результате вулканических процессов в соответствующих условиях высоких температур. При разрушении алюмосиликатов первичного происхождения (полевые шпаты) сформировались разнообразные вторичные породы с более высоким содержанием алюминия (алуниты, каолины, бокситы, нефелины). В состав вторичных пород алюминий входит в виде гидроокисей или гидросиликатов. Однако не каждая алюминийсодержащая порода может быть сырьём для глинозёма – продукта, из которого при помощи метода электролиза получают алюминий.

Наиболее часто алюминий получают из бокситов. Залежи этого минерала распространены в странах тропического и субтропического пояса. В России также применяются нефелиновые руды, месторождения которых располагаются в Кемеровской области и на Кольском полуострове. При добыче алюминия из нефелинов попутно также получают поташ, кальцинированную соду, цемент и удобрения.

В бокситах содержится 40-60% глинозёма. Также в составе имеются оксид железа, диоксид титана, кремнезём. Для выделения чистого глинозёма используют процесс Байера. В автоклаве руду нагревают с едким натром, охлаждают, отделяют от жидкости «красный шлам» (твёрдый осадок). После осаждают гидроокись алюминия из полученного раствора и прокаливают её для получения чистого глинозёма. Глинозём должен соответствовать высоким стандартам по чистоте и размеру частиц.

Из добытой и обогащённой руды извлекают глинозём (оксид алюминия). Затем методом электролиза глинозём превращают в алюминий. Заключительным этапом является восстановление процессом Холла-Эру. Процесс заключается в следующем: при электролизе раствора глинозёма в расплавленном криолите происходит выделение алюминия. Катодом служит дно электролизной ванны, а анодом – угольные бруски, находящиеся в криолите. Расплавленный алюминий осаждается под раствором криолита с 3-5% глинозёма. Температура процесса поднимается до 950°С, что намного превышает температуру плавления самого алюминия (660°С). Глубокую очистку алюминия проводят зонной плавкой или дистилляцией его через субфторид.

Бренды токопроводящего клея

Существует несколько производителей токопроводящего клея как за рубежом, так и отечественные, которые гарантируют высокие показатели электропроводности.

1. Контактол. Вероятно, самый известный состав среди радиолюбителей. Токопроводящий клей контактол обладает высокой эластичностью, достаточной прочностью, изготавливается на основе серебра и быстро высыхает, что обеспечивает быстры и удобный монтаж. Купить токопроводящий клей этой марки можно в любом радиолюбительском магазине, однако, сами профессионалы в этой области отзываются о нем довольно плохо. Но есть и положительные отзывы. Контактол
2. Элеконт. Токопроводящий клей, который пригодится каждому автовладельцу. Это эпоксидный состав. Отзывы о нем также не обнадеживают. Элеконт
3. Done deal. Это зарубежный представитель этого вида клея. Токопроводящий клей done deal обладает повышенной надежностью и прочностью, что делает его лучшим, по сравнению с отечественными аналогами. Done Deal
4. Homakoll. Довольно популярная марка токопроводящего клея, которая уже давно зарекомендовала себя на рынке. Используется крупными компаниями как клей электропроводящий для напольных покрытий с антистатическим действием. Homakoll
5. Mastix. Эта компания представляет электропроводящий клей для ремонта подогрева заднего стекла. токопроводящий клей mastix считается одним из лучших в этом сегменте. Mastix
6. ТПК-Э. Марка отличается своими техническими характеристиками. Такой клей будет функционировать в при самом широком диапазоне температур. От -190 до +200 °C. Используется на предприятиях.

Применение

Алюминий применяется в металлургии в качестве основы для сплавов (дуралюмин, силумин) и легирующего элемента (сплавы на основе меди, железа, магния, никеля). Сплавы алюминия используются в быту, в архитектуре и строительстве, в судостроении и автомобилестроении, а также в космической и авиационной технике. Алюминий применяется при производстве взрывчатых веществ. Анодированный алюминий (покрытый окрашенными плёнками из оксида алюминия) применяют для изготовления бижутерии. Также металл используется в электротехнике.

Удельная электропроводность некоторых веществ (таблица)

Удельная проводимость приведена при температуре +20 °C: