Проводниковый алюминий. Влияние примесей на электропроводность алюминия и влияющие на нее факторы

     Механические  свойства алюминия при комнатной  температуре: 

     Большинство металлических элементов сплавляются  с алюминием, но только некоторые  из них играют роль основных легирующих компонентов в  промышленных алюминиевых  сплавах. Тем не менее значительное число элементов используют в  качестве добавок для улучшения свойств сплавов.

     Алюминий  легко поддаётся ковке, штамповке, прокатке, волочению. Он хорошо сваривается  газовой, контактной и др. видами сварки. Алюминий хорошо полируется, анодируется  и обладает высокой отражательной  способностью, близкой к серебру (он отражает до 90% падающей световой энергии). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3. Влияние примесей на свойства  алюминия, сплавы алюминия

  Алюминий  отличают низкая плотность, высокие тепло - и электропроводность, хорошая коррозийная стойкость во многих средах за счет образования на поверхности металла плотной оксидной пленки Аl₂0₃. Технический отожженный алюминий АДМ упрочняется холодной пластической деформацией.

  Алюминий  высокопластичен и легко обрабатывается давлением, однако при обработке  резанием возникают осложнения, одной из причин которых является налипание металла на инструмент.

  В зависимости от того, какие примеси  присутствуют в алюминии, наблюдаются  изменения его коррозионных, физических, механических и технологических  свойств. Большинство примесей отрицательно сказываются на электропроводности алюминия. Наиболее распространенные примеси: железо, кремний. Железо, наряду с электропроводностью, снижает пластичность и коррозионную стойкость, повышает прочностные свойства алюминия. Присутствие железа в сплавах алюминия с кремнием и магнием отрицательно сказывается на свойствах сплава. Только в тех сплавах алюминия, где присутствует никель, железо считается полезной примесью.

  Наиболее  распространенная примесь в алюминиевых  сплавах – кремний. Данный металл, а также медь, магний, цинк, марганец, никель и хром вводят в алюминиевые сплавы как основные компоненты. Соединения CuAl₂, Mg₂Si, CuMgAl₂– эффективно упрочняют алюминиевые сплавы.

  Основные  легирующие элементы в алюминиевых  сплавах. Марганец повышает коррозионную стойкость. Кремний является основным легирующим элементом в ряде литейных алюминиевых сплавов (силуминов), поскольку он участвует в образовании эвтектики.

  Ni, Ti, Сг, Fе повышают жаропрочность  сплавов, затормаживая процессы  диффузии и образуя стабильные  сложнолегированные упрочняющие  фазы. Литий в сплавах способствует возрастанию их модуля упругости. Вместе с тем магний и марганец снижают тепло– и электропроводность алюминия, а железо – его коррозионную стойкость.

  Маркировка  алюминиевых сплавов. В настоящее  время одновременно применяют две  маркировки сплавов: старую буквенно-цифровую и новую цифровую. Наряду с этим имеется буквенно-цифровая маркировка технологической обработки полуфабрикатов и изделий, качественно отражающая механические, химические и другие свойства сплава.

  Классификация алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы в основном подразделяются на деформируемые и литейные, поскольку в производстве порошковых сплавов и композиционных материалов используются процессы пластической деформации и литья.

  Алюминиевые сплавы разделяют по способности упрочняться термической обработкой на упрочняемые и не упрочняемые. Они могут подвергаться гомогенизационному, рекристализационному и разупрочняющему отжигу.

  Хорошим сочетанием прочности и пластичности отличаются сплавы системы Аl—Сu—Мg – дюралюмины Д1, Д16, Д18, Д19 и др. Термическая обработка упрочняет дюралюмины, повышает их свариваемость точечной сваркой. Они удовлетворительно обрабатываются резанием, но имеют склонность к межкристаллитной коррозии после нагрева. Значительное повышение коррозионной стойкости сплавов достигается плакированием.

  В авиации дюралюмины применяют для  изготовления лопастей воздушных винтов (Д1), силовых элементов конструкций  самолетов (Д16, Д19).

  Высокопрочные сплавы системы Аl—Zn—Мg—Сu (В93, В95, В96Ц) характеризуются большими значениями временного сопротивления (до 700 МПа). При этом достаточная пластичность, трещиностойкость и сопротивление коррозии достигаются режимами коагуляционного ступенчатого старения (Т2, ТЗ), а также применением сплавов повышенной (В95кч) и особой (В95оч) чистоты.

  Высокомодульный сплав 1420 обладает благодаря легированию  алюминия литием и магнием (система  Аl—М–Li) пониженной (на 11 %) плотностью и одновременно повышенным (на 4 %) модулем упругости.

  Ковочные  сплавы АК6 и АК8 (система Аl—М–Si—Cu) при горячей обработке давлением обладают высокой пластичностью. Они удовлетворительно свариваются, хорошо обрабатываются резанием, но под напряжением склонны к коррозии. Для обеспечения коррозионной стойкости детали из сплавов АК6 и АК8 анодируют или покрывают лакокрасочными материалами. Из ковочных сплавов изготавливают ковкой и штамповкой детали самолетов, работающие под нагрузкой. Эти сплавы способны работать при криогенных температурах.

  Жаропрочные алюминиевые сплавы системы А1-Си-Мп (Д20, Д21) и Аl—Сu—Мg—Fе—Ni (АК4-1) применяют для изготовления деталей (поршни, головки цилиндров, диски), работающих при повышенных температурах (до 300 °C). Жаропрочность достигается за счет легирования сплавов никелем, железом и титаном, затормаживающими диффузионные процессы и образующими сложнолегированные мелкодисперсные упрочняющие фазы, устойчивые к коагуляции при нагреве. Сплавы обладают высокой пластичностью и технологичностью в горячем состоянии.

  Литейные  алюминиевые сплавы.

  Основные  требования к сплавам для фасонного литья – это сочетание хороших литейных свойств (высокой жидкотекучести, небольшой усадки, малой склонности к образованию горячих трещин и пористости) с оптимальными механическими и химическими (сопротивление коррозии) свойствами. Лучшими литейными свойствами обладают сплавы эвтектического состава. 
 
 
 

     4. Получение

     В промышленности алюминий получают электролизом глинозёма Al₂O₃, растворённого в расплавленном криолите Na₃AlF₆ при температуре около 950⁰ С. Используются электролизеры трёх основных конструкций:

     1) электролизеры с непрерывными  самообжигающимися анодами и боковым подводом тока;

     2) то же, но с верхним подводом  тока;

     3) электролизеры с обожжёнными  анодами.

     Электролитная ванна представляет собой железный кожух, футерованный внутри тепло- и  электроизолирующим материалом — огнеупорным кирпичом, и выложенный угольными плитами и блоками. Рабочий объём заполняется расплавленным электролитом, состоящим из 6-8% глинозёма и 94-92% криолита (обычно с добавкой AlF₆ и около 5-6% смеси фторидов калия и магния). Катодом служит подина ванны, анодом — погруженные в электролит угольные обожжённые блоки или же набивные самообжигающиеся электроды. При прохождении тока на катоде выделяется расплавленный алюминий, который накапливается на подине, а на аноде — кислород, образующий с угольным анодом CO и CO₂. К глинозёму, основному расходуемому материалу, предъявляются высокие требования по чистоте и размерам частиц. Присутствие в нём окислов более электроположительных элементов, чем алюминий, ведёт к загрязнению алюминия. При достаточном содержании глинозёма ванна работает нормально при электрическом напряжении порядка 4-4,5 в. Ванны присоединяют к источнику постоянного тока последовательно (сериями из 150-160 ванн). Современные электролизеры работают при силе тока до 150 ка. Из ванн алюминий извлекают обычно с помощью вакуум-ковша. Расплавленный алюминий чистотой 99,7% разливают в формы. Алюминий высокой чистоты (99,9965%) получают электролитическим рафинированием первичного алюминия с помощью т. н. трёхслойного способа, снижающего содержание примесей Fe, Si и Cu. Исследования процесса электролитического рафинирования алюминия с применением органических электролитов показали принципиальную возможность получения алюминия чистотой 99,999% при относительно низком расходе энергии, но пока этот метод обладает низкой производительностью. Для глубокой очистки алюминия применяют зонную плавку или дистилляцию его через субфторид.

     При электролитическом производстве алюминия возможны поражения электрическим  током, высокой температурой и вредными газами. Во избежание несчастных случаев ванны надёжно изолируют, рабочие пользуются сухими валенками, соответствующей спецодеждой. Здоровая атмосфера поддерживается эффективной вентиляцией. При постоянном вдыхании пыли металлического алюминия и его окиси может возникнуть алюминоз лёгких. У рабочих, занятых в производстве алюминия, часты катары верхних дыхательных путей (риниты, фарингиты, ларингиты). Предельно допустимая концентрация в воздухе пыли металлического алюминия, его окиси и сплавов 2 мг/м³. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     5. Применение в электротехнике и промышленности.

     В электротехнике алюминий успешно заменяет медь, особенно в производстве массивных  проводников, например в воздушных  линиях, высоковольтных кабелях, шинах  распределительных устройств, трансформаторах. Электрическая проводимость алюминия достигает 65,5% электрической проводимости меди, и он более чем в три раза легче меди; при поперечном сечении, обеспечивающем одну и ту же проводимость, масса проводов из алюминия вдвое меньше медных. Сверхчистый алюминий употребляют в производстве электрических конденсаторов и выпрямителей, действие которых основано на способности окисной плёнки алюминия пропускать электрический ток только в одном направлении. Сверхчистый алюминий, очищенный зонной плавкой, применяется для синтеза полупроводниковых соединений типа A_IIIB_V, применяемых для производства полупроводниковых приборов. Чистый алюминий используют в производстве разного рода зеркал отражателей. Алюминий высокой чистоты применяют для предохранения металлических поверхностей от действия атмосферной коррозии (плакирование, алюминиевая краска). Обладая относительно низким сечением поглощения нейтронов, алюминий применяется как конструкционный материал в ядерных реакторах.

     В алюминиевых резервуарах большой  ёмкости хранят и транспортируют жидкие газы (метан, кислород, водород и т. д.), азотную и уксусную кислоты, чистую воду, перекись водорода и пищевые масла. Алюминий широко применяют в оборудовании и аппаратах пищевой промышленности, для упаковки пищевых продуктов (в виде фольги), для производства разного рода бытовых изделий. Резко возросло потребление алюминия для отделки зданий, архитектурных, транспортных и спортивных сооружений.

     В металлургии алюминий (помимо сплавов  на его основе) — одна из самых  распространённых легирующих добавок в сплавах на основе Cu, Mg, Ti, Ni, Zn и Fe. Применяют алюминий также для раскисления стали, перед заливкой её в форму, а также в процессах получения некоторых металлов методом алюминотермии. На основе алюминия методом порошковой металлургии создан САП (спечённый алюминиевый порошок), обладающий при температурах выше 300°C большой жаропрочностью.

     Алюминий  используют в производстве взрывчатых веществ (аммонал, алюмотол). Широко применяют  различные соединения алюминия.

     Производство и потребление алюминия непрерывно растет, значительно опережая по темпам роста производство стали, меди, свинца, цинка.

     В настоящее время четвертая часть  всего алюминия идет на нужды строительства, столько же потребляет транспортное машиностроение, примерно 17% часть расходуется на упаковочные материалы и консервные банки, 10% – в электротехнике.

     Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды и во многих других отраслях промышленности. По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.  
Алюминий, кроме того, применяется как легирующая добавка ко многим сплавам для придания им жаростойкости. Высокая теплопроводность в сочетании с более чем удовлетворительной химической стойкостью сделали алюминий перспективным материалом для теплообменников и других аппаратов химической промышленности, домашних холодильников, радиаторов автомобилей и тракторов. Высокая отражательная способность алюминия оказалась очень кстати при изготовлении на его основе мощных рефлекторов, больших телевизионных экранов, зеркал. Малый захват нейтронов сделал алюминий одним из важнейших металлов атомной техники.

     Все эти многочисленные достоинства  алюминия становятся еще более весомыми оттого, что этот металл в высшей степени технологичен. Он прекрасно обрабатывается давлением - прокаткой, прессованием, штамповкой, ковкой. В основе этого полезного свойства - кристаллическая структура алюминия. Его кристаллическая решетка составлена из кубов с центрированными гранями; расстояние между параллельными плоскостями 4,04  . Металлы, построенные таким образом, обычно хорошо воспринимают пластическую деформацию. Алюминий не стал исключением.

     Но  при этом алюминий малопрочен. Предел прочности чистого алюминия - всего 6...8 кг/мм³, и если бы не его способность образовывать намного более прочные сплавы, вряд ли стал бы алюминий одним из важнейших металлов XX в.