Алюміній

Алюміній. Загальні відомості.

Алюміній - хімічний елемент III групи періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва. Внаслідок високої хімічної активності алюміній в природі знаходиться тільки в зв'язаному вигляді. За змістом в земній корі він (в формі його з'єднань) посідає перше місце серед металів - 8,13% і третє місце після кисню і кремнію. За даними акад. А.Е. Ферсмана, налічується понад 250 мінералів алюмінію, які переважно зосереджені поблизу поверхні землі, і більше 40% з них відноситься до алюмосилікатів.

Практично єдиним методом отримання металевого алюмінію є електроліз кріолітогліноземного розплаву. Основною сировиною для цього процесу - глинозем (А12О3) отримують різними гідрохімічними методами шляхом переробки мінералів, що містять сполуки алюмінію.

Хімічні властивості. У періодичної системи Д.І. Менделєєва порядковий номер алюмінію 13, його атомна маса становить 26,9815 (по вуглецю 12С) і 26,98974 (по кисню 16O).

Основним ізотопом є 27А1, який стійкий і складається з 14 нейтронів і 13 протонів. Крім одного ізотопу 26А1, період напіврозпаду якого дорівнює 106 років, встановлено існування ще шести ізотопів з масовими числами 23, 24, 25, 26, 28 і 29 та з малими періодами напіврозпаду (від 0,13 до 396 с), а також нехтує малою поширеністю в природі (від 2x10-5 до 1,5x10-4%).

Алюміній трехвалентен, і 13 його електронів розподілені на електронних оболонках ls2, 2s2, 2р6, 3s2, 3р1. На зовнішньому електронному шарі М знаходяться три валентних електрони: два на Зs-орбіті з потенціалами іонізації 1800 і 2300 кДж / моль і один на 3p-орбіті з потенціалом 574,5 кДж / моль, і тому в хімічних сполуках алюміній зазвичай трехвалентен (А13 +) . Так як електрон на p-орбіті з ядром атома пов'язаний слабкіше, ніж два спарених електрона на s-орбіті, то за певних умов, втрачаючи р-електрон, атом алюмінію стає одновалентним іоном (А1 +), утворюючи з'єднання нижчої валентності (субприєднання), і ще рідше - А12 +.

Кристалічна решітка алюмінію - гранецентрированний куб, яка стійка при температурі від 4 К до точки плавлення. В алюмінії немає аллотропических перетворень, тобто його будова постійна. Елементарна комірка складається з чотирьох атомів розміром 4,049596x10-10 м; при 25 ° С атомному діаметрі (найкоротша відстань між атомами в решітці) становить 2,86-10-10 м, а атомний об'єм 9,999x10-6 м3 / г-атом. Домішки в алюмінію незначно впливають на величину параметра решітки.

Алюміній має велику хімічну активність; енергія освіти його з'єднань з киснем, сіркою і вуглецем вельми велика. В ряді напруг він знаходиться серед найбільш електронегативний елементів, і його нормальний електродний потенціал дорівнює -1,67 В. В звичайних умовах, взаємодіючи з киснем повітря, алюміній покритий тонкою (2-10-5 см), але міцною плівкою оксиду алюмінію А1203, яка захищає від подальшого окислення, що обумовлює його високу корозійну стійкість. Однак при наявності в алюмінії або навколишньому середовищу Hg, Na, Mg, Ca, Si, Сі і деяких інших елементів міцність оксидної плівки і її захисні властивості різко знижуються.

Розплавленій алюміній активно реагує з оксидом и діоксидом вуглецем и парами води. Найбільший інтерес представляет розчінність водню в алюмінію, так як прісутність водних в металі негативно впливає на механічні властивості алюмінію и его сплавів. Боден в алюмінії в кількостях, что перевіщують розчінність в твердому стані, розглядається як шкідлива домішкаю

Алюміній має амфотерні властивості, тобто реагуючи з кислотами, утворює відповідні солі, а при взаємодії з лугами - алюмінати. Ця особливість суттєво розширює можливості вилучення алюмінію з руд різного складу. Алюміній розчиняється в сірчаної та соляної кислоти, а також в лугах, але концентрована азотом і органічною кислотою на алюміній не діють.

Алюміній широко представлений в земній корі різними сполуками, які діляться за кількістю видів приблизно на дві рівні групи:

первинні мінерали, які утворюються при кристалізації магми і її похідних. Головна роль у цій групі належить алюмосиликату, типовими представниками яких є ортоклаз, альбіт, лейцит і нефелин. Менш поширені силікати алюмінію - дистен, силіманіт, андалузит. Щодо рідкісних є шпінелі і вільний оксид алюмінію - корунд;
вторинні сполуки алюмінію, які утворюються під впливом вивітрювання в земній корі, характеризуються більш високим вмістом оксиду алюмінію серед них широко поширені гідросилікати алюмінію - каолініт і його різновиди, а також гідроксиди та оксігідроксіди алюмінію - гиббсит, беміт і діаспор, які є найважливішою складовою частиною основних промислових алюмінієвих руд - бокситів. До цієї ж групи належить і алуніт.

До основних алюмінієвим руд відносяться боксити, нефеліни, алуніти і деякі інші сполуки, але найважливішою рудою є боксити, на яких практично повністю працюють всі закордонні глиноземні заводи. Боксит - складна гірська порода, що складається з оксидів і гідроксидів Al, Fe, Si і Ti і в якості домішок присутні карбонати кальцію і магнію, гідросилікати (хлорити), сульфіди і сульфати (в першу чергу, заліза) і органічні сполуки. Основними гліноземосодержащімі мінералами бокситів є гиббсит, беміт і діаспор. У природі мономінеральні боксити надзвичайно рідкісні, набагато частіше зустрічаються руди змішаного типу - гиббсит-бемітовие або беміт-діаспоровие.

Якість бокситів в основному визначається змістом в них А12О3 і SiO2, і для оцінки їх якості на практиці використовують кремнієвий модуль mSi - масове відношення змісту А12О3 до SiO2. Чим більше модуль, тим вище якість бокситу.

Області застосування алюмінієвих сплавів

Сплави АТ і АТ-1. Елементи конструкцій і деталей, що не несуть навантаження і потребують застосування матеріалу з високими пластичними властивостями, гарною зварюваністю, високим опором корозії і високою тепло- і електропровідністю.

З цих сплавів виготовляються трубопроводи різного призначення, вітражі, перегородки в кімнатах, електропроводи, двері, віконні рами, корпуси годинників, ювелірні вироби, палубні надбудови морських і річкових суден, шпалери, обгортки, баки і т. д.

Алюмінієві сплави застосовуються також у вигляді заклепок для средненагружаемих конструкцій з алюмінієвих сплавів з підвищеною корозійною стійкістю і для конструкцій з магнієвих сплавів.

Сплав АМц. Зварні деталі, трубопроводи, ємності для рідин та інші малонавантажені деталі і вироби; вироби, виготовлені глибокою витяжкою, гнучкою і т. д., а також дріт для заклепок.
Заклепки для средненагружаемих конструкцій з алюмінієвих сплавом з підвищеною корозійною стійкістю і для конструкцій з магнієвих
сплавів.

Сплав АМг2. Зварні та клепані деталі, трубопроводи різного значення, ємності для рідин та інші середньо- і малонагружаемие деталі і вироби. Також виготовляються вітражі, перегородки в кімнатах, електропроводи, двері, віконні рами, корпуси годинників, палубні надбудови морських і річкових суден, шпалери, обгортки, баки і т. д.
Дріт застосовується в якості присадочного матеріалу і для виготовлення заклепок.

Сплав АМгЗ. Зварні малонагружуванні деталі і конструкції, з високо корозійною стійкістю, трубопроводи, ємності для рідин та інші середньо-навантажених деталей і виробів.

Сплави АМг5, АМг5В і АМг6. Зварні та клепані средненагружаемие деталі і конструкції, що вимагають високої корозійної стійкості; трубопроводи, ємності для рідин та інші деталі і вироби.

Сплави Д16 і Д16П. У конструкціях середньої і підвищеної міцності, Вимагають підвищеної довговічності при змінних навантаженнях; в будівельних конструкціях, які не вимагають високої корозійної стійкості, для виготовлення ферм, а також для різних високонагружуваних деталів і елементів-конструкцій, за винятком штамповок і поковок. У сильно навантажених т-талях сплав Д16 замінюється сплавом В95. Заклепки ставляться до конструкції та свежезакаленному стані (не пізніше 20-30 хв після гарту). Ставиться в конструкціях, що працюють при температурі до 250 ° С.

Сплави АД31 і АД3З. Застосовуються для клеєних і клепаних конструкцій складної форми, а також для конструкцій, де потрібна підвищена межа плинності, і для пресованих виробів складної форми (порожнисті профілі).

Сплави АК4 і АК4-1. Лопатки компресорів, крильчатки, диски і кільця турбореактивних і турбогвинтових двигунів, поршні двигунів і інші ковані деталі, що працюють при підвищених температурах.

Сплави АК6 і АК6-1. Штамповані і ковані деталі складної форми і середньої міцності (крильчатки великі і малі, підмоторної рами, фітинги, качалки, кріпильні деталі).

Сплав АК8. Високонавантажувані штамповані і ковані деталі, підмоторної рами, стикові вузли, пояси лонжеронів. Труднощі, пов'язані з гарячою обробкою тиском, обмежують застосування цього сплаву.

Сплави В95 і В95-1. Навантажуються конструкції, що працюють тривалий час при температурах не вище 100-120 ° С. Обшивка, стрингери, шпангоути, лонжерони літаків, силовий каркас клепаних будівельних споруд. З сплаву В95-1 виготовляються штамповані лопаті.

<< Назад