Применение алюминия

30.04.2021 Автор: VT-METALL

Вопросы, рассмотренные в материале:

Как был открыт алюминий и каковы его основные свойства
Основные физические свойства алюминия
Основные химические свойства алюминия
Как применяют основные свойства алюминия
Как используют основные свойства алюминия в строительстве

Основные свойства алюминия делают этот материал по-настоящему универсальным и ценным. Его используют во всех видах промышленного производства, в сельском хозяйстве, в быту, в коммерции. Обладает огромным количеством преимуществ по отношению к стали и другим видам металла.

Самые популярные сферы применения алюминия – изготовление металлоконструкций и металлообработка. О том, какие свойства металла и где конкретно они нашли свое применение, читайте далее.

Потребление в промышленности и жизни

На рисунке ниже показаны восемь секторов промышленности и строительства, в которых применение алюминия происходит особенно активно. Процентные доли по различным секторам промышленности в общем потреблении представлены по статистическим данным Международного Института алюминия за 2007 год. С тех пор, думается, картина в целом не изменилась, и эти данные вполне актуальны.

Применение алюминия в готовой промышленной продукции [1]

Основными отраслями промышленности, которые активно применяют алюминий, являются:

Строительство
Упаковывание продукции
Электрическая промышленность
Транспортное машиностроение
Производство машин и оборудования
Производство товаров для повседневной жизни
Порошковая металлургия
Раскисление стали в черной металлургии

Строительство

Алюминиевые окна и фасады

Основными алюминиевыми сплавами, которые находят применение в строительной промышленности, являются сплавы 6063 и 6060, а также сплав 6082 (в Европе) и сплав 6061 (в Северной Америке). Они обладают довольно высокой прочностью (6082 и 6061 – до 400 МПа) и хорошей коррозионной стойкостью.

Оконные алюминиевые профили с терморазвязкой (сплавы 6060/6063)

Важнейшие конструкционные характеристики алюминия, которые определяют применение алюминия как материала для оконных и дверных рам:

прочность для обеспечения жесткости и безопасности;
способность принимать сложные формы (обеспечивается экструзией);
привлекательный внешний вид;
коррозионная стойкость;
минимальная потребность в техническом обслуживании.

Навесной фасад с алюминиевым каркасом (сплавы 6060/6063)

Стоечно-ригельный фасад

Алюминиевая кровля и алюминиевая облицовка зданий

Декоративные и защитные профилированные облицовочные материалы часто изготавливают из катаных алюминиевых листов. Различные виды декоративных и защитных покрытий делают их идеальными материалами для применение в качестве кровельного материала.

Применение для кровли и облицовки зданий обеспечивают следующие свойства алюминия:

низкая масса, благодаря низкой плотности;
стойкость к воде;
коррозионная стойкость;
декоративный вид.

Алюминиевая кровля

Область применения

Сплавы с алюминием используются при строительстве. Благодаря ему строения становятся надежными, долговечными, уменьшается металлоемкость. Основной областью применения сплавов является именно стройка, поскольку добавление материала позволяет эксплуатировать конструкции в экстремальных условиях и не беспокоиться за результат.

Кровельные материалы с алюминием дешево стоят, не требуют профилактического ремонта, дольше используются. Такая кровля еще и не уступает остальным материалам по декоративным особенностям.

Для внешней отделки конструкции используются стеновые панели с добавлением алюминия. Они состоят из листов, облицовки и утеплителя. Материал легкий, поэтому не дает сильную нагрузку на фундамент, хорошо удерживает тепло, но всегда дешево стоит.

Соединения с алюминием используются в фармацевтике для лечения тяжелых форм болезней. Они усиливают выработку антител и не имеют побочных эффектов.

При контакте с пищей алюминий не разрушает витамины, поэтому его часто используют в пищевой промышленности. Материал используют для производства посуды, бытовой химии и косметических средств. В разных отраслях промышленности с добавлением этого металла создают аппаратуру, которая помогает перерабатывать пищу. Фольга, столовые приборы, посуда, кухонная техника — все это делают с добавлением алюминия, поскольку он не влияет на вкус продуктов, но при этом защищает их от внешних факторов.

Транспорт

Алюминий в легковых автомобилях

Средняя масса алюминия в легковых автомобилях в Европе в 2006 составляла около 118 кг и продолжала увеличиваться. Его доля в различных компонентах и деталях автомобилей составляет (в килограммах на один автомобиль):

блоки цилиндров двигателей: 40,3
трансмиссия: 16,3
шасси, подвеска и управление: 12,5
колеса: 17,7
теплообменник: 12,3
тормоза: 3,7
кузов: 6,8
тепловые экраны: 1,4
бамперы: 2,8
другие компоненты: 3,9.

Алюминиевый блок цилиндров автомобиля

Алюминиевый автомобильный колесный диск

Применение алюминия для изготовления автомобильных деталей обусловлено следующими его свойствами:

низкая плотность;
прочность;
жесткость;
вязкость;
стоимость;
коррозионная стойкость.

Алюминиевая рама автомобиля

Алюминиевые сплавы для грузовых автомобилей

Алюминиевые сплавы для автомобильных цистерн [5]

Производство алюминиевых автомобильных цистерн [5]

Алюминиевые сплавы для кузовов самосвалов [5]

Производство алюминиевых кузовов самосвалов [5]

Алюминиевые сплавы для автомобильных фургонов [5]

Алюминиевые сплавы для шасси грузовых автомобилей [5]

Алюминий в вагоностроении

Конструкция высокоскоростного поезда Intercity Express из прессованных алюминиевых профилей – Германия, 1992

Алюминиевый вагон городского рельсового транспорта [7]

Грузовой алюминиевый вагон для перевозки угля [7]

Алюминий в судостроении

Алюминевый патрульный катер

Круизный лайнер с алюминиевой надстройкой [5]

Алюминиевая яхта-катамаран [5]

Алюминиевые сплавы для самолетов

Первый самолет братьев Райт в 1903 году был в основном деревянным с алюминиевым двигателем.

Среди алюминиевых сплавов, которые применяют в самолетостроении доминируют высокопрочные деформируемые сплавы, такие как, сплав 2024 (содержащий медь и магний) и сплав 7075 (содержащий магний, цинк и немного меди). Большинство алюминиевых сплавов, которые применяются в самолетостроении, являются несвариваемыми и их соединяют в основном заклепками.

На рисунках ниже показано применение сплавов серии 2ххх для изготовления фюзеляжа самолета и сплавов серии 7ххх – для крыльев.

(a)

(б)

Применение алюминиевых сплавов в самолетостроении: а – сплавы серии 7ххх для фюзеляжа и б – сплавы серии 2ххх для крыльев [2].

Аэробус А380

Основные требования к алюминиевым сплавам в аэрокосмической промышленности:

низкая плотность;
высокая прочность;
точность механической обработки;
коррозионная стойкость;
стоимость.

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.

Космическая техника

Первым, кто понял огромный потенциал алюминия для космоса, был великий писатель-писатель Жюль Верн. В своем романе «Путешествие на Луну» от еще в 1865 году детально описал ракету из алюминия.

Алюминиевые сплавы для космических аппаратов

Корпус первого советского спутника, который был запущен в октябре 1957 года, был изготовлен из алюминиево-магниевого сплава АМг6 с содержанием магния 6 %. Алюминиево-магниевые сплавы остаются основным материалом для изготовления корпусов ракет. Во внутренних отсеках ракет применяются и дюралевые алюминиевые сплавы.

Первый искусственный космический объект – советский Спутник 1

В последние десятилетия 20-го века в космических аппаратах стали применяться алюминиево-литиевые сплавы. Плотность лития составляет всего 0,533 г/см3 – он легче воды. Добавки лития в алюминий в количестве до 2,5 % снижают плотность алюминиевого сплава , а также повышают его модуль упругости. Так, сплав 8090 имеет плотность на 10 % ниже, а модуль упругости на 11 % выше, чем у популярных в самолетостроении сплавов 2024 и 2014. На рисунке ниже показано колесо марсохода Curiosity из алюминиевого сплава 7075.

Колесо марсохода Curiosity из алюминиевого сплава 7075-Т7351

Алюминий применяется также в качестве связующего материала в бороалюминиевых композитах, которые в настоящее время также применяются в космической технике.

Бороалюминиевый композит (40 % волокон бора)

Порошковый алюминий – компонент ракетного топлива

Высокая химическая активность алюминия дает возможность применять его в составе ракетного топлива для твердотопливных ускорителей в разрабатываемой NASA системе космических запусков (SLS).

В ракетных ускорителях алюминиевый порошок и перхлорат аммиака соединяются вместе с помощью специального связующего вещества. Эта смесь, похожая на материал стирательной резинки, помещается затем в стальной корпус [3].

Когда эта смесь загорается, кислород из перхлората аммиака соединяется с алюминием с образованием оксида алюминия, хлорида алюминия, водяного пара и газообразного азота, а также с выделением огромного количества энергии.

Алюминий входит в состав твердого топлива для ракетных ускорителей NASA [3]

Упаковка продуктов

Катаный алюминий – ленты и фольга – применяют в упаковке сыпучих и жидких продуктов. Алюминиевая упаковка сопровождает нас повсюду в нашей жизни – это, например, алюминиевые банки и бутылки, фольга в упаковке продуктов и лекарств. Алюминий обладает низкой плотностью, совместимостью с продуктами и напитками и привлекательным внешним видом. Это делает его идеальным материалом для различных видов упаковки: жестких (банки) и мягких (фольга).

Алюминиевые банки для упаковки пищевых продуктов [6]

Алюминиевые банки

Из алюминия изготавливают 75 % банок для напитков и 15 % емкостей для аэрозолей. Алюминиевые банки обеспечивают значительное снижение веса упаковки по сравнению с аналогичными стальными банками.

Корпус банки изготавливают из сплава серии 3000 (алюминиево-марганцевые сплавы), который после глубокой высадки раскатывают до толщины стенки 0,27 мм.

Крышка банки составляет 25 % ее веса. Ее изготавливают из более прочного алюминиево-магниевого сплава. Встроенный в банку рычаг-“открывашка”, который крепится к банке на интегральной заклепке, состоит из другого алюминиево-магниевого сплава. Эту заклепку накатывают из тела крышки при ее изготовлении.

Алюминиевая банка для упаковки пива и прохладительных напитков

Требования к алюминиевым сплавам для упаковочного сектора промышленности:

низкая плотность;
прочность;
хорошая формуемость;
совместимость с продуктами и напитками;
декоративность (способность к нанесению рисунков и надписей);
стоимость.

Упаковочная фольга

Алюминиевую фольгу обычно изготавливают из марок технического алюминия серии 1000. Свойства алюминия, которые обеспечивают возможность его применения в качестве материала для изготовления фольги, следующие:

прочность и непроницаемость для жидкостей и газов при малой толщине;
низкая плотность;
термическая проводимость;
теплостойкость;
стойкость к проникновению газов и жидкостей;
совместимость с продуктами и напитками;
эстетический и декоративный потенциал.

Алюминиевая упаковочная фольга

Провода и кабели

Высокая электрическая проводимость марок алюминия серии 1000, а также алюминиевых сплавов серии 8000, делает их весьма подходящими для изготовления электрических проводников. Алюминиевые проводники применяют в следующих случаях:

распределительные электрические подстанции;
силовые системы высотных зданий;
высоковольтные линии электропередач;
большинство подземных линий электропередач;
силовые кабели для промышленного применения.

Большая часть алюминия в электротехнической промышленности применяется в виде кабелей (8 из 13 %). Однако его применяют также и в виде электрических шин для оборудования с большой силой тока, а также для питания электричеством больших зданий. Кроме того, кабели для промышленных, торговых и жилых зданий могут содержать много изолированных проводников, которые помещают в общий защитный алюминиевый рукав.

Требования к алюминию, который применяется для электротехнических приложений:

приемлемая стоимость;
достаточно высокая электрическая проводимость;
коррозионная стойкость;
прочность.

Машины и оборудование

Отопительные и вентиляционные системы

Алюминиевые сплавы серий 3000, 5000 и 6000 обладают хорошей термической проводимостью. В комбинации с высокой прочностью эти сплавы являются хорошим выбором для применения в системах обогрева и вентиляции. Эти системы включают следующие компоненты, в которых применяют алюминиевые сплавы:

компрессоры;
конденсеры/испарители;
расширительные клапаны;
вентиляторы;
трубы.

Свойства алюминия, которые важны для отопительных и вентиляционных систем:

высокая теплопроводность;
высокий контактный коэффициент;
малая плотность;
высокая коррозионная стойкость.

Ключевое место алюминия в производственном процессе.

Алюминий – легкий, пластичный металл, один из наиболее распространённых химических элементов, содержащихся в земной коре. Алюминий очень удобен в использовании, поскольку имеет высокую устойчивость к коррозии, обладает электропроводимостью и устойчив к резким перепадам температур. Взаимодействуя с воздухом приобретает качественное преимущество – на поверхности металла образовывается твердая пленка, замедляющая естественное старение. Существуют несколько методов производства алюминия, но наладить этот процесс получилось лишь в ХХ веке.

Потребительские товары

Алюминий в больших объемах применяется при изготовлении различных компонентов, деталей и корпусов многих потребительских изделий, которые окружают нашу жизнь – бытовых товаров, например, холодильников, морозильников, посудомоечных машин. Холодильники и морозильники содержать холодильные агрегаты, которые, как упоминалось выше, также содержат значительное количество алюминия. Важными свойствами алюминия для потребительских товаров являются:

эстетические свойства;
коррозионная стойкость;
прочность;
высокая теплопроводность (для холодильных агрегатов).

Основные химические свойства алюминия

С химической точки зрения алюминий является чрезвычайно сильным восстановителем, имеющим способность в чистом виде быть высоко активным веществом. Основное условие – убрать оксидную пленку.

Алюминий способен вступать в реакции с:

щелочными соединениями;
кислотами;
серой;
галогенами.

Алюминий не взаимодействует в обычных условиях с водой. Йод – единственный из галогенов, с которым у металла происходит реакция без нагревания. Для взаимодействия с прочими требуется увеличение температуры.

Рассмотрим несколько примеров, показывающих химические свойства данного металла. Это уравнения, иллюстрирующие взаимодействие с:

щелочами: 2Al + 6H2O + 2NaOH = Na[Al(OH)4] + 3Н2;
кислотами: AL + HCL = AlCL3 + H2;
серой: 2AL + 3S = AL2S3;
галогенами: AL + Hal = ALHal3.

Основным свойством алюминия считается его способность восстанавливать иные вещества из их соединений.

Реакции его взаимодействия с оксидами иных металлов хорошо показывают все восстановительные свойства вещества. Алюминий прекрасно выделяет металлы из различных соединений. Примером может служить: Cr2O3 + AL = AL2O3 + Cr.

Металлургическая промышленность активно использует эту способность алюминия. Методика получения веществ, которая основывается на данной реакции, называется алюминотермия. Химическая индустрия использует алюминий чаще всего для получения иных металлов.

Медицина

Оборудование и инструменты

Анодированный алюминий широко применяется для изделий и деталей в медицинском и зубоврачебном оборудовании, в том числе:

Внутренняя отделка больничных палат и медицинских кабинетов
Инструменты, которые способны выдерживать регулярную стерилизацию в автоклаве
Больничные кровати, носилки, коляски и другие средства для перемещения пациентов
Оборудование для медицинского кислорода
Зубоврачебное оборудование и инструменты
Рентгеновские аппараты
Оборудование для диализа.

Упаковка лекарств

Алюминиевая фольга является непревзойденным барьером, который надежно защищает лекарства от микроорганизмов, солнечного света, кислорода и других газов. Поэтому эта фольга является основным материалом для защитной упаковки лекарств и фармацевтических материалов.

Лекарственные таблетки в алюминиевой упаковке

Получение алюминия

Добыча и получение цветного металла производится из глинозема, который представляет собой смесь алюминия, кислорода и других веществ. Самым распространенным вспомогательным веществом являются бокситы, составляя основу руды.

Ка получают алюминий? Добывают руду открытым методом с помощью карьерных комбайнов, после чего сырье транспортируют на комбинат. Затем породу подготавливают для создания глинозема, который впоследствии дробят, спекают, обрабатывают щелочами, получая раствор алюминия. Жидкость сортируют и выпаривают, рафинируют от лишних щелочей и прокаливают в печах, получая сухой глинозем, который обрабатывают гидролизным путем для образования алюминия.