Какие свойства отличают алюминий от меди
Чем отличается алюминий от меди? Проще сказать, что у них общего. А общего только то, что оба эти химических элемента являются металлами (со всеми присущими металлам свойствами) и хорошими проводниками. По другим параметрам – плотности, стоимости, распространению в природе и «стажу» использования человеком – у них больше различий.
История открытия
Медь – один из первых металлов, которые человечество научилось добывать и эксплуатировать; по мнению археологов, примерно одновременно с медью люди стали использовать золото. Дело в том, что оба эти металла встречаются в природе в самородном виде, и куску меди для применения его в качестве орудия труда или оружия надо было просто придать после нагрева нужную форму. Это случилось, скорее всего, 6-7 тысяч лет назад. Постепенно люди научились выплавлять металл из руды, и шлак, свидетельствующий о наличии медной металлургии, находят при раскопках древнего поселения Чатал-Хююк в Турции. Первоначально делали оружие и сельскохозяйственные орудия из чистого металла, но со временем люди обнаружили, что в соединении с оловом из меди получается куда более прочная бронза.
Отличие алюминия от меди в том, что дата его первого получения четко зафиксирована в истории. Это случилось в 1825 году в Дании и «отцом» алюминия стал химик Ганс Эрстед. Алюминий в природе в самородном виде не встречается, а при взаимодействии с кислородом образует стойкое соединение, поэтому его производство вначале было делом очень дорогим. Первый алюминий стоил дороже золота, а великому русскому химику Дмитрию Менделееву в знак признания его заслуг перед человечеством в 1889 году британцы подарили весы именно из золота и алюминия.
к содержанию ↑
Сравнение
Электропроводность меди в полтора раза выше, чем у алюминия, но при этом плотность алюминия в 3,3 раза меньше, чем у меди. О цене и говорить не приходится – после освоения промышленной технологии производства алюминия его стоимость очень сильно упала и сейчас она значительно меньше, чем у меди. Эти обстоятельства и предопределили использование алюминия для выпуска многожильных проводов и кабелей. Обратите внимание, когда увидите ЛЭП высокого напряжения: все провода выполнены именно из алюминия. Так и дешевле, и нагрузка на опоры гораздо ниже. Ну а что электропроводность меньше – с этим приходится мириться.
Используется медь и для производства бронзы. В древности из нее изготавливали холодное оружие и орудия труда, пока не была освоена выплавка железа. Но и позже из бронзы лили пушки, причем это продолжалось довольно долго, вплоть до 19 века. Из бронзы отлиты Царь-пушка и Царь-колокол. Кроме этого, медь благодаря высокой коррозионной стойкости нашла применение при изготовлении труб для транспортировки различных жидкостей и газов, а также в некоторых других отраслях промышленности.
Алюминий называют «крылатым металлом». Это название говорит о второй масштабной области его применения (после электротехнической). При соединении алюминия (95,6 %) и меди (4,4 %) получают сплав, который называется дюралюминий, или дюраль. Обладая плотностью, близкой к плотности алюминия, он имеет значительно более высокие прочностные характеристики, поэтому широко используется для производства самолетов.
к содержанию ↑
Таблица
В чем разница между алюминием и медью, видно из приведенной ниже таблицы.
| Медь | Алюминий | |
| «Стаж» использования человеком | 6-7 тысяч лет | С 1825 года |
| Основные области применения | Электротехника, производство качественных труб, некоторые другие отрасли промышленности | Электротехника, авиастроение, создание легких несущих конструкций (сплавы), пищевая промышленность, другие отрасли |
| Плотность | 8,92 г/см3 | 2,6989 г/см3 |
| Электропроводность (при 20 °С) | 59500000 см/м | 38000000 см/м |
| Температура плавления | +1356 °С | +660 °С |
Источник
Для проводов и кабелей применяется два типа жил – из меди и алюминия. Высоковольтные воздушные провода обычно выполняют из алюминия и неудивительно – он в 4 раза дешевле меди. А вот в бытовых проводках на низкое напряжение ситуация совсем другая – там господствует медь. Почему так получилось? Всё дело в 4 важных отличиях медных и алюминиевых жил, про которые стоит знать!
1) Плёнка окиси
Деталь из алюминия, покрытая плёнкой окиси
Окисление – это реакция вещества с кислородом, в результате которой образуется слой окиси – химического вещества, которое обычно вредит и мешает. Ржавчина, например, это окись железа. Медь окисляется достаточно медленно и образует зеленоватый порошок. Его можно увидеть на старых медных ручках. Эта окись не мешает прохождению тока, потому что легко разрушается.
А вот алюминий образует окись совсем другого “качества”. Это прочная плёнка, плохо проводящая ток. Она образуется почти мгновенно и создаёт головную боль в любой точке присоединения – в распредщитке, распаечной коробке или в розетке. Для её удаления нужна смазка специальной пастой (кварцево-вазелиновой), которую не так-то легко найти в продаже.
2) Хрупкость жил
Треснувший колёсный диск из алюминия
В процессе монтажа, кабель подвергается изгибанию, особенно его “хвосты” в распайках и розеточных коробках. Медь можно без проблем гнуть много раз, а алюминий выдержит лишь 3 – 5 сильных изгибаний, после чего отломается.
Особенно тяжело работать со старым алюминием – он уже имеет усталостные трещины, накопленные при первичном монтаже, так что ремонт таких жил становится чем-то вроде хирургической операции: одно неверное движение и обломок жилы останется у вас в руках. Останется лишь ломать стену, чтобы добраться до провода.
3) Меньшая проводимость
Толстый алюминий присоединить не так-то просто!
Сопротивление алюминия больше, чем меди, поэтому для той же нагрузки придётся брать жилу сечением на ступень выше медной. Например, для мощности 5 кВт, будет достаточно кабеля 2,5 квадрата – соответственно и клеммы и кабель-каналы и трубы подойдут стандартного размера.
Алюминий на ту же мощность имеет сечение 4 квадрата – он ощутимо толще и не подходит для обычных розеточных клемм, потому что попросту туда не влезет. В связи с этим возникают трудности – с алюминием нужно прокладывать больше линий, тогда как с медью хватило бы одного кабеля, разветвлённого на несколько “лучей”.
4) Требования к квалификации монтажника
Надёжность электрики – в руках монтажника!
При монтаже меди, квалификация электрика не так важна. Она “прощает” многие вольности и даже скрутка из медных жил работает достаточно хорошо. Алюминий гораздо “капризнее” и, если не знать, как правильно его соединять, можно получить не проводку, а мину замедленного действия, которая может через год или два выйти из строя от перегрева в клеммах, розетках или щитке. Придётся опять вызывать электрика и начинать ремонт сначала.
Главной причиной, по которой мы отказались от алюминия в бытовой проводке стала именно эта – зависимость от электрика. Трудно положиться на систему, где надёжность зависит от умения мастера. Рабочие профессии не становятся элитнее с каждым годом, скорее наоборот, их заполняют “кое-какеры”, люди без призвания и желания стать профессионалом. И чем меньше будет зависеть от их опыта, тем надёжнее будет проводка, следовательно медь – это правильный выбор.
Спасибо за просмотр и удачного ремонта!
Источник
На чтение 5 мин.
Сплавы алюминия и меди востребованы в различных производственных сферах, так как обладают относительно небольшим весом, высокой прочностью, пластическими свойствами, однородной плотностью. Хорошо поддаются литью, ковке и другим видам обработки. Отличаются относительно простой технологией получения.
Сплав алюминия и меди
История открытия
История сплавов алюминия с медью начинается с опытов Х. Эрстеда в 1825 году, когда он хотел получить чистый Al методом электролиза. В действительности он получил некий состав, в который входили и другие элементы, участвующие в эксперименте.
Дальнейшие опыты по открытию чистого алюминия провёл Ф. Велер в 1827 году, когда получил 30 грамм порошка Al, а в 1845 году — расплавленные шарики. Однако метод получения был слишком трудоёмким и требовал усовершенствования.
В 1856 году А. Девиль разработал со своей исследовательской группой промышленный метод получения алюминия и открыл первое его массовое производство. В 1886 году П. Эру и Ч. Холл открыли электролитический способ, который оказался дешевле и эффективнее химического.
С 1888 по 1895 в Нейгаузене (Швейцария) открываются предприятия по массовому производству Al.
В 1906 году А. Вильм на собственном предприятии начинает разрабатывать высокопрочные алюминиево-медные сплавы. Путем опытов он получил образец, который обладал свойством самоупрочнения. Его производство было продолжено в 1911 году в Германии.
Массовые исследования сплавов пришлись на период с 1920 по 1940 год в СССР, Германии, США. Стали явно разделяться два направления экспериментов — изучение чистых и легированных составов.
Состав и структура
Фазовая диаграмма состояния алюминиевых сплавов Al-Cu имеет следующие особенности:
- Максимальная растворимость меди в алюминии в твёрдой фазе составляет 5,65%, которая снижается с понижением температуры. Это делает возможным проведение закалки и старения. Фаза CuAl2 играет роль упрочняющей по методу растворов, придаёт механическую и термическую прочность.
- Эвтектическая точка находится на 33% концентрации меди, состоит из хрупкой, но прочной фазы CuAl2, которая делает материал непригодным для практического применения. Большое количество меди существенно повышает плотность образцов. Для литья используются сплавы с концентрацией от 1 до 1,5% (для получения упрочнения) и от 6 до 8% (чтобы исключить количество хрупкой фазы CuAl2).
- Хорошая растворимость Cu в Al и низкая температура плавления эвтектики +5480С становятся причиной появления широкого интервала кристаллизации.
Низкая жидкотекучесть, образование пор, трещин, ликвация — характерные признаки необходимости поиска компромисса между литейными и прочностными свойствами.
Основным легирующим элементом является медь, которая приводит к созданию неравновесной эвтектической фазы. Поэтому при термообработке закалкой проводят ступенчатый нагрев расплава до +5300С с последующей выдержкой до получения стабильной фазы.
Значительное количество электронов проводимости в сплавах Cu-Al существенно снижают удельное электросопротивление до уровня менее 0,02 мкОм*м. Наличие примесей железа или легирующих элементов на данную величину практически не влияют.
Алюминий
Характеристики и свойства сплава
Применение алюминия в чистом виде не выгодно по причине его малой прочности. Даже в изготовлении электронных компонентов он практически не применяется.
Свойства алюминия при добавлении меди существенно улучшаются: сохраняется пластичность, повышается прочность. В однофазных сплавах отсутствует текучая жидкая фаза, которая способна заполнять пустоты, образуемых в процессе усадки, снимать внутренние напряжения. Трудные составы имеют сложный процесс твердения и необходимо применять особые меры в процессе литья.
Существуют такие виды сплавов:
- деформируемые, получаемые путём термической закалки и последующего старения — используются в средне нагружаемых конструкциях, выпускаются в виде проволоки, прутка, листов, профилей и труб;
- литейные — используются для отливки сложных конструкций, обладают высокой прочностью, плохо поддаются пайке.
Чтобы улучшить литейные свойства смеси, в состав добавляют немного кремния, который увеличивает текучесть, снижает вероятность растрескивания. Негативным фактором является понижение уровня пластичности.
Механические свойства сплавов с содержанием меди от 9 до 11%:
- высокая прочность от 500 МПа;
- износостойкость;
- самоупрочнение;
- жаростойкость.
Для улучшения характеристик используются легирующие элементы:
- марганец и титан формируют интерметаллиды, которые находятся по границам дендритных ячеек Cu-Al образуют твёрдый каркас, применяются для повышения жаропрочности образцов;
- кремний повышает механические свойства, на снижает литейные, может применяться без термической обработки.
Изготовление
Медные сплавы с алюминием производят методом расплавления в электрических печах. Особенностью является возможность многократных циклов плавки и твердения, при которых не теряются основные свойства.
Сначала расплавляют алюминий, затем в него добавляют медь, а после получения однородного состава и легирующие элементы (железо, марганец, магний). Следующим этапом является закалка, которая позволяет избавиться от метастабильных фаз и добиться однородной плотности. Время выдержки выбирается на основе используемых легирующих компонентов и процентного содержания меди.
Где применяют сплав
Применение конструкций из алюминиево-медных сплавов:
- пищевая промышленность;
- автомобиле-, корабле- и самолётостроение;
- отделочные декоративные материалы;
- для защиты металлических изделий от коррозии;
- в электротехнике — радиоэлементы, высоковольтные линии передач, кабеля;
- в качестве отражателей света в лампах;
- для изготовления дорожных знаков, указателей, таблиц.
Изделия из сплава
Достоинства и недостатки
Основные преимущества:
- высокая прочность, пластичность;
- хорошая обрабатываемость —резание, штамповка, ковка, вытяжка, литьё;
- сохранение механических свойств до температуры +1750С;
- сверхпроводимость, позволяющая использовать образцы в научных исследованиях или применять в инновационных разработках;
- высокая коррозионная стойкость;
- возможность эксплуатации в деталях конструкций с повышенной взрывоопасностью;
- химическая нейтральность;
- простота сварки.
Основным недостатком является низкая коррозионная стойкость.
После закалки некоторое время сплав имеет отличную пластичность и ему можно придавать необходимую форму. Чтобы избежать чрезмерного образования дислокаций, требуется прогрев до +3500С с последующим остыванием в воздушной среде.
Источник
Один из самых «бородатых» анекдотов студентов – химиков: «Алюминий – это такое железо, только легкое». Ну а если серьезно, элемент периодический системы №13 – самый легкий металл, который может существовать в чистом виде в воздушной атмосфере. Относительную химическую инертность обеспечивает тончайшая пленка, состоящая из оксида и гидроксида, которая пассивирует поверхность и предотвращает дальнейшую реакцию с атмосферным кислородом или слабыми растворами щелочей и кислот.
Где можно найти алюминиевый лом?
Знакомые с детства алюминиевые кастрюли столовые приборы, и даже фольга от шоколадки – далеко не полный перечень изделий, которые изготавливаются из алюминия. Во времена СССР цена алюминиевых изделий никак не соответствовала его реальной стоимости, что формировало ошибочное мнение о дешевизне этого материала. В любом гараже или сарае найдутся десятки алюминиевых предметов: оконная фурнитура, старые алюминиевые радиаторы, детали велосипедов, походные чайники и котелки, остатки кабеля – перечислять можно долго. Из-за бесхозяйственности 80-90-х годов на промышленных свалках можно найти даже целые чушки товарного алюминия.
Для народного хозяйства этот металл имеет стратегическое значение. Промышленное получение осуществляется методом электролиза расплава, что связано с огромными энергозатратами. Переработка вторичного сырья гораздо дешевле (экономия электроэнергии до 75%, сокращение вредных выбросов в атмосферу – до 90%), кроме того, этот металл можно переплавлять многократно без ухудшения физических свойств. Алюминиевый лом без ограничений покупается почти во всех пунктах приема металлолома и стоит намного дороже, чем лом черных металлов. После приема производится дальнейшая сортировка, после которой вторичное сырье подвергается классификации с присвоением класса, группы и сорта. Общее количество разновидностей алюминиевого вторичного сырья превышает 20 наименований.
Физика и химия вещества
Из школьного курса химии известно, то алюминий – металл серебристо-белого цвета, обладающий низкой плотностью, высокой тепло- и электропроводностью. На воздухе покрывается защитной пленкой, которая легко растворяется в горячих растворах щелочей и кислот, некоторые его соединения обладают амфотерными свойствами. Даже на основе таких поверхностных сведений можно предложить несколько способов, как отличить алюминий от других металлов.
Главное отличие от нержавейки, железа, олова, свинца и других металлов, наиболее часто сдаваемых в металлолом, – низкая плотность, определить которую можно и в домашних условиях. Для этого понадобится мерный цилиндр и кухонные весы с точностью взвешивания до 1 грамма. Методика проста и не требует специальных знаний: предварительно взвешенную деталь из исследуемого материала опускаем в мерный цилинр, заполненный водой, и отмечаем изменение положения мениска жидкости. Далее делим массу детали на ее объем, равный разности уровня воды в цилиндре, и получаем плотность. Если получилось значение, близкое к 2,7 г/мл, то с высокой долей вероятности деталь сделана из алюминия.
В классической химии качественной реакцией на алюминий является проба с соляной кислотой и гидроксидом аммония. Если растворить алюминиевый образец в 10%-ом растворе соляной кислоты, а затем добавить обычный нашатырный спирт, то выпадет осадок Al(OH)3↓.
Внимание: реакция сопровождается бурным газообразованием (выделение водорода), поэтому необходимо соблюдать технику безопасности (защитные очки, перчатки, фартук).
Простейший способ, как отличить алюминий от железа – магнитная проба: алюминиевые детали не будут притягиваться к магниту. Однако, этот эффект является необходимым, но не достаточным подтверждением того, что исследуемый образец изготовлен из алюминия, поскольку парамагнитными свойствами обладают как алюминиевые сплавы, так и некоторые цветные металлы. Далее показан опыт с магнитом на маятнике и листом алюминия (в случае отсутствия магнетизма маятник бы не остановился по-середине и, по энерции, продолжил колебаться).
Отличие от дюраля
Несведущему человеку с первого взгляда достаточно сложно идентифицировать эти материалы, максимально точный результат можно получить лишь в химлаборатории. Предварительное заключение можно сделать, воспользовавшись советами, которыми делятся специалисты на профессиональных форумах. В паре алюминий/дюраль первый будет издавать высокий звон при ударе, не ломается при сгибании, а после снятия стружки поверхность блестит, как у серебра (кстати, спутать эти металлы практически невозможно, так как серебро отличается гораздо большим удельным весом). На изломе алюминий дает мелкозернистую структуру; при сверлении стружка отходит легко, не липнет на сверло.
Определить различия можно и химическими методами. Если исследуемый образец поместить в раствор азотной кислоты, а через некоторое время (2-3 часа) нейтрализовать его раствором щелочи (подойдет и обычная питьевая сода), то в случае чистого алюминия выпадет полупрозрачный белый осадок, а медь в дюрале придаст осадку голубоватый оттенок.
Отличие от ЦАМ
Сложности при идентификации этих материалов возникают довольно часто, так как ЦАМ – сплавы из трех металлов (цинк, алюминий, медь) внешне очень похожи на чистый металл. Достоверный способ определения – с помощью перекиси водорода, 20%-ого раствора сульфида натрия или 10%-го раствора медного купороса: при нанесении нескольких капель любого их вышеперечисленных реагентов на заточенную поверхность (свежий срез) алюминий останется серебристо-белым, а ЦАМ потемнеет.
Отличие от нержавейки
Отличить эти материалы можно в домашних условиях всего за несколько минут. В первую очередь стоит обратить внимание на внешние различия: алюминиевая поверхность на ощупь более шершавая и матовая, нержавейка всегда хорошо блестит, даже если образец не отполирован. Нержавеющая сталь тоже не притягивается магнитом, но изделия из нее существенно тяжелее алюминиевых (плотность выше минимум в три раза). Далее делаем пробу «на нож» – на поверхности алюминия останется след, а нержавейка из-за высокой твердости останется неповрежденной. Можно также провести деталью по белой бумаге: алюминиевый образец оставит серый след, в то время как след от нержавеющей стали останется бесцветным. Специалисты по металлообработке предлагают еще один простой способ – распилить образец болгаркой. Нержавеющая сталь даст много искр, от алюминия искры не летят.
Отличие от других цветных металлов
Несмотря на то, что свойства металлов в основном идентичны, у каждого элемента есть свои отличительные особенности, по которым можно легко отличить металл от алюминия. Так, медь обладает ярким красноватым оттенком, золото – желтым цветом, свинец – очень высокой плотностью и хрупкостью, олово – высокой пластичностью, серебро – ярким блеском, железо и его сплавы – магнитными свойствами. При необходимости достоверную информацию можно найти в специальной справочной литературе или на профессиональных тематических форумах.
Стоит отметить, что все вышеперечисленные методы являются лишь оценочными и приблизительными: точный химический состав металлолома определят специалисты аккредитованной лаборатории. На все вопросы по теме алюминиевого лома ответят специалисты пунктов приема металлов.
Источник