Исторический экскурс

Алюминий (Аl) — элемент №13 Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Слово "алюминий" происходит от латинского а!umen (алюминиевые квасцы). По содержанию в земной коре 8,8% (по массе) алюминий занимает первое место среди металлов. Алюминий входит в состав бокситов, нефелинов, алунитов, каолинов и других горных пород. Преимущественно для производства алюминия применяют бокситы. Мировые запасы бокситов оцениваются от 55 до 75 млрд, т и сосредоточены они в основном в Южной Америке (33%), Африке (27%), Азии (17%) и Океании (13%).

 

Основными добывающими странами бокситов, по данным USGS, являются: Австралия (61,4 млн. т в 2006 г), Бразилия (21,0 млн. т), Китай (20,0 млн. т), Гвинея (15,2 млн. т), Индия (13 млн. т) и Ямайка (14,9 млн. т). Всего в 2006 г. было добыто примерно 177,0 млн. т бокситов, что на 5% больше, чем в 2005 г.

Содержание алюминия в бокситах в зависимости от месторождения и даже внутри него колеблется в широких пределах. Наиболее высокоглиноземистыми бокситами обладают Италия (64% Аl2O3) и Китай (61% Аl2O3). Самые низкоглиноземистые добываемые и перерабатываемые бокситы находятся в Украине (38% Аl2O3) и Новой Зеландии (37% Аl2O3).

Впервые алюминий в свободном виде получил в 1825 г. датский физик Ганс Христиан Эрстед. Первый промышленный способ производства алюминия был предложен французским химиком Анри Этьенн Сант-Клер Девилем в 1854 г. Он был основан на вытеснении алюминия металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия (NaCl·AlCl3). За период с 1855 по 1890 г. указанным способом было получено 200 т металлического алюминия. Причем общественность впервые увидела драгоценный слиток алюминия в 1855 г. на Всемирной парижской выставке.

Русский ученый Н.Н. Бекетов предложил в 1865 г. способ производства алюминия путем вытеснения его магнием из расплавленного криолита (Na3AlF6). В 1886 г. П. Эру во Франции и Ч. Холл в США независимо друг от друга предложили способ получения алюминия электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите.

В последнее десятилетие XIX века электролизом в мире было получено 28 тыс. т алюминия. В 1930 г. мировая выплавка этого металла составила 300 тыс. т, а в 1980 г. — 12,6 млн. т. В 2005 г. производство только первичного алюминия в мире составило 23,5 млн. т.

Эволюция производства алюминия сказалась и на его стоимости. Если в 1825 г. он стоил в 1500 раз дороже железа, то в первом десятилетии XXI века – лишь в семь.

В настоящее время производство алюминия состоит из трех технологических процессов:

— получение глинозема (Аl2O3) из алюминиевых руд;

— получение первичного алюминия электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите;

— рафинирование первичного алюминия.

Глинозем получают из руд щелочным, кислотным, термическим или комбинированным методами. Выбор метода зависит от состава и физико-химических свойств сырья. В настоящее время практически весь глинозем получают щелочным методом по способу К.И. Байера. В СНГ на глинозем действует ГОСТ 6912.1-93, но в части требований к металлургическому глинозему вместо ГОСТ 6912.1-93 введен ГОСТ 30558-98. Согласно последнему стандарту глинозем металлургический в зависимости от химического состава классифицируется по следующим маркам: Г000, Г00, ГО, Г1 и Г2.

Суммарные мировые мощности по производству глинозема в 2006 г. составили 60-63 млн. т продукции (International Aluminium Institute). Крупнейшими мощностями по производству глинозема в мире обладает Австралия — 18-20 млн. т глинозема. В третьем квартале 2006 г. мировое производство глинозема составило 14,8 млн. т, в том числе металлургического сорта — 13,6 млн. т и химического сорта — 1,2 млн. т. Прогнозируется, что в краткосрочной перспективе темпы наращивания мощностей по производству глинозема в мире будут замедляться. Если в 2006 г. мощности возрастут на 6,6% по сравнению с предыдущим 2005 г., то в 2007 г. — на 4,6%, а в 2008 г. — на 3,9%.

В Украине производство глинозема осуществляется по технологии Байера на ООО "Николаевский глиноземный завод" (мощность 1,4 млн. т глинозема) и на ОАО "Запорожский алюминиевый комбинат" (0,3 млн. т глинозема). Оба предприятия входят в объединенную компанию "Русский алюминий". Сырьевой базой ОАО "Русский алюминий", помимо ООО "Николаевский глиноземный завод", является ОАО "Ачинский глиноземный комбинат" (мощность 1,08 млн. т глинозема).

По оценке экспертов ОАО "Русский алюминий", предложение глинозема в мире превышает спрос на 3,2 млн. т. В этой ситуации стоимость бокситов ОАО "Боксит Тимана" (без транспортных расходов) составляет в среднем 20 USD/т, а бокситов ОАО "Се-вуралбокситруда" — более 26 USD/т. Стоимость австралийских бокситов, на долю которых приходится более 1/3 мировой добычи (более 125 млн. т бокситов в год), составляет от 10 USD/т. Стоимость бокситов Гвинеи, располагающей крупнейшими запасами бокситов в мире, составляет от 35 USD/т.

Металлический алюминий получают электролизом глинозема (Аl2O3), растворенного в криолите (Na3AlF6). В последний для повышения эффективности работы электролизера добавляют CaF2, MgF2, NaCI и LiF. Электролиз ведут при температуре 950-970 °С и напряжении 4,0-4,5 В. Для получения 1 т алюминия расходуется 17000-19000 кВт*ч электроэнергии и около 2 т глинозема. Черновой алюминий рафинируют продувкой хлором при 750-770 °С в течение 10-15 мин. В результате получают технический алюминий чистотой 99,0-99,85%, что соответствует маркам А0-А85 по ГОСТ 11069-74. Для получения алюминия высокой (99,95-99,995% AI) и особенно высокой чистоты (99,999% AI) требуется дополнительное его рафинирование с использованием таких методов, как электролитический трехслойный, рафинирование субсоединениями и зонной плавкой.

В мире, по состоянию на 2006 г., мощности по производству первичного алюминия составляют 25,6 млн. т. Из них на долю России приходится 1,6 млн. т, Украины — 120 тыс. т, а Таджикистана — 115 тыс. т. Основными производителями технического алюминия в России являются Братский алюминиевый завод, Иркутский алюминиевый завод, Саянский алюминиевый завод, Богословский алюминиевый завод и Кандалакшский алюминиевый завод. В Украине — Запорожский алюминиевый комбинат, а в Таджикистане — Таджикский алюминиевый завод.

Алюминиевый рынок формируют также предприятия по производству первичных и вторичных сплавов, профилей строительного назначения, плоского проката, труб, фольги, проволоки и порошков. Особое место занимают предприятия по переработке алюминиевого лома и отходов.

Алюминий по объемам производства и потребления занимает второе место после стали. Это обусловлено тем, что алюминий отличают малая плотность, высокая электропроводность, теплопроводность, коррозионная стойкость и обрабатываемость в холодном состоянии.

Макро- и микроструктура алюминия

В процессе кристаллизации алюминия, сопровождающем его переход из жидкого в твердое состояние, образуются трехмерные кристаллиты, состоящие из элементарных кубиков. Причем чем чище алюминий, тем больше размер кристаллитов и тем грубее макроструктура металла. Установлено, что в процессе кристаллизации предварительно нагретого до 700 °С алюминия технической чистоты (99,8%) размер зерен (кристаллитов) составляет 1-2 мм, а для металла высокой чистоты (99,99%) достигает 10 мм. У алюминия особой чистоты (99,999%) размер зерен может быть 60-100 мм. Более мелкая структура алюминия технической чистоты по сравнению с алюминием более высокой чистоты обуславливается присутствием в нем большего количества нерастворимых примесей, которые являются центрами кристаллизации.

Алюминий и его сплавыМикроструктура алюминиевых сплавов состоит из α-твердого раствора легирующих элементов в алюминии и выделений образующихся фаз типа Мa2Si, CuAl2 и многих других. Технические приемы, направленные на ускорение скорости кристаллизации, способствуют измельчению микроструктуры (уменьшению ветвей дендритов и эвтектических прослоек), а при высоких скоростях охлаждения (более 108 °С/с) получению аморфного материала. В результате достигается существенное повышение прочностных характеристик металла.

Для выявления макро- и микроструктуры алюминия и его сплавов применяют различные травители, составы которых приводятся в соответствующих справочных пособиях. После изготовления макро- и микрошлифов последние изучаются с использованием, соответственно, лупы или световой микроскопии.

Физические свойства алюминия

Алюминий имеет гранецентрированную кубическую (г. ц. к.) решетку с периодом (при 298 К) 0,404958 нм для алюминия чистотой 99,9998% и 0,404947 нм для алюминия 99,99%. Координационное число — 12, кратчайшее расстояние между атомами в кристаллической решетке — 0,2860 нм.

Температура плавления чистого алюминия составляет 660 °С, а кипения — 2520 °С. В момент плавления объем металла увеличивается для алюминия чистотой 99,65% на 6,25%, а для более чистого — на 6,6%. Удельная теплота плавления алюминия — 389,372 кДж/кг, а удельная теплота испарения — 10 885 кДж/кг. Теплоемкость алюминия технической чистоты в температурном диапазоне 273-373 К — 945,8 Дж/(кг • К).

Плотность твердого и жидкого алюминия уменьшается по мере увеличения температуры и степени его чистоты. При температуре 298 К (25 °С) его плотность составляет 2,698 Мг/м3, при 933 К (660 °С) — 2,550 Мг/м3, а при 983 К (710 °С) — 2,368 Мг/м3. При нормальной температуре (25 °С) плотность алюминия чистотой 99,25% составляет 2,727 Мг/м3, а чистотой 99,998% — 2,69808 Мг/м3.

Удельная электрическая проводимость и, соответственно, удельное электрическое сопротивление алюминия зависят от его чистоты, температуры среды, степени деформации, режима термической обработки и особенно примесей, присутствующих в металле. К примесям в алюминии согласно ГОСТ 11069-74 относятся железо, кремний, медь, цинк, титан и прочие примеси, суммарное содержание которых колеблется от 0,001 до 1,0%. Примеси в зависимости от степени влияния на электрическую проводимость алюминия принято делить на три группы:

1. Маловлияющие металлы — золото, бериллий, никель, железо, кремний, цинк.

2. Средневлияющие металлы — медь, серебро, магний.

3. Сильновлияющие металлы — титан, ванадий, марганец, хром.

Образование твердого раствора легирующим элементом с алюминием приводит к снижению электрической проводимости, а его распад, наоборот, вызывает ее повышение. Удельное электрическое сопротивление чистого алюминия при нормальных условиях, по разным источникам, составляет 0,0262-0,0267 мкОм*м. Отмечается, что при колебании чистоты алюминия от 99,235% до 99,657% удельное электрическое сопротивление изменяется в нагартованном состоянии от 0,02838 мкОм*м до 0,02812 мкОм*м, а в отожженном — от 0,02788 мкОм*м до 0,02767 мкОм*м.

Теплопроводность алюминия повышается с увеличением его чистоты. При температуре 295 К теплопроводность алюминия чистотой 99,95% — 221,5 Вт/(м*К). Температурный коэффициент линейного расширения алюминия при температуре 300 К — 23,3 • 10-6 К-1, при 900 К — 37,6 • 10-6 К-1. Температурный коэффициент объемного расширения алюминия в температурном диапазоне 933-1373 К — 113 • 10-6 К-1.

Механические свойства алюминия

Повышение чистоты алюминия способствует уменьшению его прочности и повышению пластичности. Ниже приведены механические свойства алюминия разной чистоты при комнатной температуре (табл. 1).

Механические свойства алюминия также зависят от способа изготовления изделий (табл. 2.).

Верхний предел рабочих температур для алюминиевых сплавов определяется их химическим составом и колеблется от 150 до 250 °С. Наиболее низкие значения прочности и высокая пластичность при кратковременном растяжении при температуре 150 °С отмечается у термически неупрочняемых алюминиевых сплавов типа АМг и АМц. Наивысшие прочностные свойства при температурах до 150 °С в классе деформируемых сплавов достигаются у высокопрочных сплавов типа В95. Самыми высокими прочностными характеристиками в интервале температур 250-500 °С обладают спекаемые алюминиевые порошки (САП) с железом и церием.

Основным критерием при выборе конструкционных материалов для работы при низких температурах является удельная прочность и сопротивление хрупкому разрушению. Удельная прочность титановых сплавов в 1,7, а в алюминиевых — в 2,8 раза выше, чем у стали. При этом установлено, что в алюминии и его сплавах не существует резкого перехода из вязкого состояния в хрупкое при низких температурах (порог хладоломкости), а предел текучести и прочности при низких температурах выше, чем при комнатной. Исходя из этого, алюминиевые сплавы остаются основным конструкционным материалом для изготовления резервуаров для хранения и транспортировки сжиженных газов.

Химические свойства алюминия

Алюминий имеет высокую химическую активность, в ряду напряжений он расположен среди наиболее электроотрицательных элементов. Алюминий восстанавливает большинство металлических оксидов до металла, активно реагирует с галогенами, а при высоких температурах — с серой, азотом и фосфором. В щелочах алюминий растворяется, образуя алюминаты. При нагревании алюминий легко растворяется в разведенных азотной и серной кислотах, но холодная азотная кислота его пассивирует.

Обладая большим сродством к кислороду, алюминий на воздухе быстро покрывается сплошной очень прочной и беспористой оксидной пленкой. Слой оксидов защищает алюминий от дальнейшего окисления и обуславливает его достаточно высокие антикоррозионные свойства. Интенсивность окисления алюминия зависит от температуры среды, степени его раздробленности и примесей.

При взаимодействии алюминия с молекулярным водородом гидриды не образуются. Однако водород достаточно активно растворяется в алюминии. При температуре 660 °С в жидком состоянии растворимость водорода в алюминии составляет 0,40-0,69 см3 /100 г, а при той же температуре, но в твердом состоянии — 0,036-0,050 см3 /100 г. Вследствие существенного уменьшения растворимости водорода при переходе алюминия из жидкого в твердое состояние избыточное его количество выделяется в межкристаллитное пространство, что приводит к образованию газовой пористости как в литом, так и в деформированном состоянии. Присутствующие в алюминии примеси, а также легирующие добавки при создании сплавов по-разному влияют на растворимость в нем водорода. Определено, что медь, кремний, олово снижают растворимость водорода в алюминии, а марганец, хром, железо, церий и магний повышают.

Для минимизации содержания водорода в алюминии и его сплавах применяют различные способы рафинирования и дегазации: вакуумирование, продувку газами (аргон, азот), обработку хлорсодержащими солями в порошкообразном и брикетированном состояниях. Положительное комплексное влияние на чистоту алюминиевых сплавов оказывает их фильтрация через керамические фильтры.

Измерение содержания водорода в алюминии и алюминиевых сплавах осуществляют методами вакуум-нагрева или вакуум-плавления. Экспрессное определение содержания водорода в алюминии и его сплавах осуществляется методом первого пузырька, масс-спектрометрическим методом и методом измерения скорости экстракции водорода через фильтр.

Технологические свойства алюминия

Алюминий обладает хорошими технологическими свойствами, к которым относятся способность заполнять литейную форму, деформироваться под давлением, свариваться и обрабатываться резанием.

Алюминий и его литейные сплавы имеют высокие литейные свойства, что позволяет получать качественные отливки сложной конфигурации различными способами литья.

Алюминий и его деформируемые сплавы отличаются хорошей способностью к деформированию в горячем и холодном состоянии. В результате получают полуфабрикаты (плиты, листы, фольгу, профили, прутки, трубы, поковки, штамповки, проволоку), которые для обеспечения необходимых механических свойств подвергают различным видам термообработки. Следует отметить, что конечные свойства полуфабрикатов и их структура зависят от химического состава сплава, условий приготовления расплава, размеров и конфигурации слитков, параметров их кристаллизации, режима термообработки, температуры деформации, схемы, степени и скорости деформации, температуры и суммарной длительности нагрева между отдельными операциями деформации. Обработку давлением (прокатку, прессование, ковку) алюминия и его сплавов проводят в интервале 350-500 °С.

Алюминий сваривается практически всеми методами сварки.

Обрабатываемость резанием чистого алюминия плохая из-за его высокой вязкости. Сплавы алюминия как деформируемые, так и литейные хорошо обрабатываются резанием.

Эксплуатационные свойства алюминия

Алюминий и особенно его сплавы характеризуются достаточно высокими эксплуатационными характеристиками: коррозионной стойкостью, герметичностью, жаростойкостью и т.п.

Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов определяется химическим составом металла, микроструктурой и коррозионной средой. Определено, что для алюминия и его сплавов характерны следующие виды коррозии: общая коррозия, местная (локальная), питтинговая (точечная), щелевая, гальванокоррозия, межкристаллитная, расслаивающаяся, коррозионное растрескивание и кавитационное разрушение. Химические элементы, входящие в состав алюминия, по-разному влияют на его коррозионную стойкость. Содержание 0,1% железа в чистом алюминии повышает его скорость растворения в 2-н. соляной кислоте в 160 раз, а содержание 0,1% меди — в 1600 раз. Сильные кислоты и щелочи разрушают окисную пленку алюминия, и металл растворяется. Однако в концентрированной азотной кислоте алюминий пассивируется. Коррозионная стойкость алюминия в воде зависит от его чистоты. Отмечается, что технический алюминий устойчив в воде до 130 °С. Наиболее высокими коррозионными свойствами обладают сплавы системы алюминий-магний как в деформируемом, так и литом исполнении. Широко применяются деформируемые алюминиево-магниевые сплавы с содержанием магния до 6% и литейные с содержанием магния более 9,5%.

Герметичность алюминиевых сплавов, или способность противостоять давлению жидкостей, требует особого внимания при получении ответственных отливок. Наличие литейной корки, низкая пористость, малое содержание газов и мелкозернистая структура обеспечивают высокую герметичность изделиям. Однако первое, на что нужно обратить внимание при разработке технологии получения герметичных алюминиевых изделий, — это выбор сплава. Наиболее герметичными являются сплавы с малым интервалом кристаллизации, к которым относятся литейные сплавы систем алюминий-кремний и алюминий-кремний-магний. Повысить герметичность готовых алюминиевых деталей можно путем пропитки их по специальной технологии различными смолами.

По степени воздействия алюминиевой пыли на организм человека ее относят к III классу опасности по ГОСТ 12.1.005. Предельно допустимая концентрация (ПДК) алюминиевой пыли в воздухе составляет 2 мг/м3 по ГОСТ 12.1.005, для порошка (0,02-0,04 мкм) и паров алюминия — 5 мг/м3 согласно TLV ACGIH (США).

Области применения алюминия и его сплавов

Чистый алюминий, как и его сплавы (литейные, деформируемые), находят самое широкое применение практически во всех сферах человеческой деятельности (см. табл. 4).

Таблица 1. Механические свойства алюминия разной чистоты

Чистота алюминия, %

σ0 2, МПа

σв, МПа

НВ, МПа

δ, %

99,5

28

70

126-175

31,5

99,6

27

70

99,7

26

66

99,8

25

61

133

38,5

99,99

22

49

84-112

45,5

Таблица 2. Влияние способа изготовления на механические свойства алюминия

Способ изготовления

Чистота алюминия, %

σв, МПа

НВ, МПа

δ, %

Литье в песчаную форму

98,0

88

280

12

 

99,0

83

250

20

 

99,5

73

200

29

 

99,996

49

140

45

Литье в кокиль

99,0

88

250

30

Алюминий деформированный

99,0

137

320

12

Алюминий отожженный

99,0

88

250

30

Таблица 3. Технологические свойства алюминия и типичных алюминиевых литейных сплавов

Свойства

Алюминий

АlSi12

(АЛ2)

АlSi5Cu 

(АЛ 5)

АlCu5

(АЛ7)

АlMg10

(АЛ8)

АlSi12Cu2Mg

(АЛ25)

Жидкотекучесть при 700 °С, мм, в том числе

 

 

 

 

 

 

Относится в т.ч. прутковая проба, песчаная форма

320

420

345

170

300

380

Относится в т.ч. спиральная проба, кокиль

450

820

750

280

600

Объемная усадка кристаллизации, %

6,5

3,0

4,8

4,9

Полная линейная усадка, %

1,7

0,9

1,1

1,4

1,3

1,3

Горячеломкость (ширина кольца), мм

Трещина не образуется

Трещина не образуется

10

35

22

5

Герметичность, атм

160

160

50

60

Таблица 4. Примерные области применения алюминия и его сплавов

Отрасль, область применения

Изготавливаемые изделия, технологии

Сплавы

Авиация

Силовые элементы планера и крыльев самолетов, двигатели, шасси лопасти винтов

Высокопрочные сплавы системы Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg-Cu

Автомобильный транспорт

Кузова машин, двигатели

Сплавы системы Al-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Si

Атомная техника

Детали реакторов

Военная промышленность

Корпуса и баки горючего для ракет, броня бронетранспортеров и легких танков, двигатели, компоненты ракетного топлива и взрывчатых веществ

Деформируемые и литейные сплавы, порошки

Железнодорожный транспорт

Грузовые и пассажирские вагоны, цистерны

Сплавы системы Al-Mg, Al-Zn-Mg

Информационные технологии

Детали компьютеров

Деформируемые сплавы

Машиностроение

Детали аппаратов и машин различного назначения

Сплавы системы Al-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Si, Al-Si-Mg, Al-Si-Cu

Металлургия

Раскисление стали, апюмотермия

Порошок алюминия

Нефтяная промышленность

Детали нефтепромыслового оборудования

 

Строительство

Ограждающие и несущие конструкции, оконные системы

Деформируемые сплавы

Судостроение

Корпуса судов и их надстройки, трубопроводы

АД1, АМц, АМгЗ, АМг5, АМг6

Товары широкого потребления

Детали бытовых электроприборов

Деформируемые сплавы

Химическая промышленность

Детали аппаратуры для переработки нефти и химических процессов (конденсаторы, емкости, колонны)

Алюминий А5

Электротехника

Провода, кабели, шины

Алюминий, сплавы Al-Mg-Si, Al-Mg-Si-Cu.