На каких свойствах основано применение алюминия и его сплавов
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.
Как был открыт алюминий и каковы его основные свойства
Алюминий представляет собой парамагнитный металл, достаточно легкий, имеющий серебристый цвет. Он хорошо поддается механической обработке и литью, просто формуется. В земной коре этот элемент третий по распространенности, впереди только кислород и кремний. Наши недра содержат целых 8 % данного металла, что значительно больше золота, количество которого составляет не более пяти миллионных долей процента.
Алюминий активно используется в большинстве сфер производства. Его сплавы применяются для изготовления бытовой техники, транспорта, в машиностроении и электротехнике. Капитальное строительство также не может обойтись без него.
Он чрезвычайно распространен в земной коре, являясь первым из металлов и третьим химическим элементом (первое место у кислорода, второе – у кремния). Доля алюминия в наших недрах – 8,8 %. Металл является частью большого количества горных пород и минералов, основной из которых – алюмосиликат.
В виде соединений алюминий находится в базальтах, полевых шпатах, гранитах, глине и пр. Однако в основном его получают из бокситов, которые достаточно редко встречаются в виде месторождений. В России такие залежи есть только на Урале и в Сибири. В промышленных масштабах алюминий можно также добывать из нефелинов и алунитов.
Ткани животных и растений содержат алюминий в виде микроэлемента. Некоторые организмы, например, моллюски и плауны, являются его концентраторами, накапливая в своих органах.
Человечеству с давних времен знакомо соединение алюминия под названием алюмокалиевые квасцы. Применялось оно в процессе выделки кожи, в качестве средства, которое, набухая, связывает различные компоненты смеси. Во второй половине XVIII в. ученые открыли оксид алюминия. А вот вещество в чистом виде получили значительно позже.
Впервые это удалось Ч. К. Эрстеду, который выделил алюминий из хлорида. Проводя опыт, он обрабатывал соли калия амальгамой, в результате чего выделился порошок серого цвета, признанный всеми чистым алюминием.
В дальнейшем, исследуя металл, ученые определили его химические свойства, проявляющиеся в высокой способности к восстановлению и активности. Именно поэтому с алюминием долгое время не работали.
Но уже в 1854 г. французский ученый Девиль, применив электролиз расплава, сумел получить металл в слитках. Данный метод используется и сейчас. В промышленных масштабах алюминий стали производить в начале XX в., когда предприятия смогли получить доступ к большому количеству электроэнергии.
Сегодня алюминий является одним из самых используемых в производстве бытовой техники и строительстве металлом.
Основные физические свойства алюминия
Основные характеристики алюминия – высокая электро- и теплопроводность, пластичность, устойчивость к холоду и коррозии. Его можно обрабатывать посредством прокатки, ковки, штамповки, волочения. Алюминий прекрасно поддается сварке.
Примеси, присутствующие в металле в различных количествах, значительно ухудшают механические, технологические и физико-химические свойства чистого алюминия. Основными из них являются титан, кремний, железо, медь и цинк.
По степени очистки алюминий разделяют на технический металл и высокой чистоты. На практике различия данных типов – в стойкости к коррозии в различной среде. Стоимость напрямую зависит от чистоты алюминия. Технический металл подходит для производства проката, различных сплавов, кабельно-проводниковых изделий. Чистый используют для специальных целей.
Алюминий обладает высокой электропроводностью, уступая только золоту, серебру, меди. Однако сочетание данного показателя с малой плотностью позволяет использовать его при производстве кабельно-проводниковых изделий наравне с медью. Электропроводность металла может увеличиваться при длительном отжиге или ухудшаться при нагартовке.
Увеличивая чистоту алюминия, производители повышают его теплопроводность. Снизить данное свойство способны примеси меди, марганца и магния. Более высокую теплопроводность имеют исключительно медь и серебро. Именно благодаря данному свойству данный металл используют для производства радиаторов охлаждения и теплообменников.
Удельная теплоемкость алюминия, как и температура его плавления, достаточно высока. Данные показатели значительно превышают аналогичные значения большей части металлов. С повышением чистоты металла увеличивается и его способность отражать от поверхности световые лучи. Алюминий хорошо поддается полировке и прекрасно анодируется.
Металл близок по свойствам к кислороду, его поверхность на воздухе быстро затягивается пленкой из оксида алюминия – тонкой и прочной. Обладая антикоррозионными свойствами, она защищает металл от образования ржавчины и предупреждает дальнейшее окисление. Алюминий не взаимодействует с азотной кислотой (концентрированной и разбавленной) и органическими кислотами, он стоек к воздействию пресной, соленой воды.
Эти особенности алюминия придают ему устойчивость к коррозии, что и используется людьми. Именно поэтому его особенно широко применяют в строительстве. Интерес к нему увеличивается еще и по причине его легкости в сочетании с прочностью и мягкостью. Такие характеристики есть далеко не у всякого вещества.
Помимо вышеуказанных, алюминий имеет еще несколько интересных физических свойств:
- Ковкость и пластичность – алюминий стал материалом изготовления прочной и легкой тонкой фольги, а также проволоки.
- Плавление происходит при температуре +660 °С.
- Температура кипения +2 450 °С.
- Плотность – 2,7 г/см³.
- Наличие объемной гранецентрированной металлической кристаллической решетки.
- Тип связи – металлический.
Области использования алюминия определяются его химическими и физическими свойствами. Характеристики металла, рассмотренные выше, применяются в бытовых целях. Основные свойства алюминия, как прочного, особо легкого, антикоррозийного материала, используются в судо- и авиастроении. Именно поэтому важно их знать.
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.
Как применяют основные свойства алюминия
Алюминий в чистом виде имеет слабые механические свойства. Именно поэтому наиболее часто применяют его сплавы.
Таких сплавов достаточно много, вот основные из них:
- алюминий с марганцем;
- дюралюминий;
- алюминий с магнием;
- алюминий с медью;
- авиаль;
- силумины.
В основе этих сплавов лежит алюминий, отличаются они исключительно добавками. Последние же делают материал прочным, легким в обработке, более стойким к износу, коррозии.
Есть несколько основных областей применения алюминия (чистого или в виде сплава). Из металла изготавливают:
- фольгу и проволоку для бытового использования;
- посуду;
- морские и речные суда;
- самолеты;
- реакторы;
- космические аппараты;
- архитектурные и строительные элементы и конструкции.
Алюминий является одним из самых важных металлов наравне с железом и его сплавами. Эти два элемента таблицы Менделеева наиболее широко применяются человеком в своей деятельности.
Как используют основные свойства алюминия в строительстве
Строительство – одна из основных отраслей-потребителей алюминия. 25 % всего вырабатываемого металла используется именно в ней. Современный облик мегаполисов был бы невозможен без использования алюминия. Он дает возможность создавать функциональные и красивые здания, стремящиеся ввысь. Небоскребы офисных центров имеют фасады из стекла, закрепленные на прочных, легких рамах из алюминия.
Современные торговые, развлекательные и выставочные центры в основе своей имеют каркас из алюминия. Конструкции из данного металла используются для возведения бассейнов, стадионов и других спортивных строений. Алюминий – один из самых востребованных у архитекторов, строителей, дизайнеров металлов. Почему? Давайте разберемся.
Алюминий – прочный и легкий металл, не поддающийся коррозии, имеющий долгий срок службы и совершенно нетоксичный. Он легко поддается обработке, сварке, паянию, его просто сверлить, распиливать, связывать и соединять шурупами. Этот металл способен принять любую форму посредством экструзии. Алюминий поможет воплотить самый смелый замысел архитектора. Из него изготавливаются конструкции, которые невозможно сделать из иных материалов: пластика, дерева или стали.
За прошлый век алюминий прошел путь от металла, редко используемого в строительстве из-за дороговизны и недостаточных объемов производства, до наиболее часто применяемого. 1920-е годы стали переломными. Благодаря электролизной технологии значительно снизилась стоимость его производства – в 5 раз. Алюминий стали применять в производстве стеновых панелей и водостоков, декоративных элементов, а не только для сводов и отделки крыш.
Empire State Building – первый небоскреб, при возведении которого широко применялся алюминий. Он был построен в 1931 году и оставался самым высоким в мире до 1970 г.
Алюминий активно использовался в конструкциях этого здания. В интерьере его также применяли достаточно широко. Фреска, расположенная на стенах и полке лобби, являющаяся визитной карточкой сооружения, сделана из алюминия и золота в 23 карата.
80 лет – таков минимальный срок эксплуатации конструкций из алюминия. Применение этого металла не ограничено климатическими условиями, его свойства остаются прежними при температурах от -80 °С и до +300 °C. Пожары редко могут разрушить алюминиевые сооружения. Низкие же температуры, наоборот, увеличивают его прочность.
Примером может служить алюминиевый сайдинг. Отражающее покрытие в виде фольги и теплоизоляция создают вместе с ним прекрасную защиту от холода, которая в 4 раза более эффективна, чем облицовка кирпичом толщиной 10 см или камнем толщиной 20 см. Именно поэтому алюминий все чаще можно встретить при строительстве объектов в условиях холодного климата: в РФ – на Северном Урале, в Якутии и Сибири.
Но еще более важным качеством алюминия является его легкость. При одинаковой жесткости пластина из алюминия в два раза легче стальной. И все благодаря низкому удельному весу. Если посчитать, то выйдет, что вес алюминиевой конструкции при равной несущей способности в два, а иногда и в три раза ниже массы стальной и в семь раз ниже железобетонной.
В настоящее время алюминий используют для строительства небоскребов и иных высоких строений. Металл делает здание значительно легче, что удешевляет постройку за счет меньшей глубины фундамента. Ведь чем больший вес имеют сооружения, тем фундамент должен быть глубже. Разводные мосты, выполненные из алюминия, также имеют небольшой вес, что облегчает работу механизмов, противовесы для таких конструкций должны быть минимальными. Данный металл вообще дает возможность архитекторам не ограничивать фантазию. Да и работать с таким легким материалом значительно проще, быстрее и удобнее.
Почему следует обращаться именно к нам
Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.
Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:
- цветные металлы;
- чугун;
- нержавеющую сталь.
При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.
Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.
Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.
Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.
Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.
Источник
В настоящее время алюминий и его сплавы используют практически во всех областях современной техники. Важнейшие потребители алюминия и его сплавов – авиационная и автомобильная отрасли промышленности, железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая промышленность и приборостроение, промышленное и гражданское строительство, химическая промышленность, производство предметов народного потребления.
Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей и химикатов и в большинстве пищевых продуктов. Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют в морской воде. Морские бакены, спасательные шлюпки, суда, баржи строятся из сплавов алюминия с 1930 г. В настоящее время длина корпусов кораблей из сплавов алюминия достигает 61 м. Существует опыт алюминиевых подземных трубопроводов, сплавы алюминия обладают высокой стойкостью к почвенной коррозии. В 1951 году на Аляске был построен трубопровод длиной 2,9 км. После 30 лет работы не было обнаружено ни одной течи или серьёзного повреждения из-за коррозии.
Алюминий в большом объёме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию. При частом намокании, если поверхность алюминиевых изделий не была дополнительно обработана, он может темнеть, вплоть до почернения в промышленных городах с большим содержанием окислителей в воздухе. Для избежания этого выпускаются специальные сплавы для получения блестящих поверхностей путём блестящего анодирования – нанесения на поверхность металла оксидной плёнки. При этом поверхности можно придавать множество цветов и оттенков. Например, сплавы алюминия с кремнием позволяют получить гамму оттенков, от серого до чёрного. Золотой цвет имеют сплавы алюминия с хромом.
В промышленности используются также и алюминиевые порошки. Применяются в металлургической промышленности: в алюминотермии, в качестве легирующих добавок, для изготовления полуфабрикатов путём прессования и спекания. Этим методом получают очень прочные детали (шестерни, втулки и др.). Также порошки используются в химии для получения соединений алюминия и в качестве катализатора (например, при производстве этилена и ацетона). Учитывая высокую реакционную способность алюминия, особенно в виде порошка, его используют во взрывчатых веществах и твёрдом топливе для ракет, используя его свойство быстро воспламеняться.
Учитывая высокую стойкость алюминия к окислению, порошок используются в качестве пигмента в покрытиях для окраски оборудования, крыш, бумаги в полиграфии, блестящих поверхностей панелей автомобилей. Также слоем алюминия покрывают стальные и чугунные изделия во избежание их коррозии.
По масштабам применения алюминий и его сплавы занимают второе место после железа (Fe) и его сплавов. Широкое применение алюминия в различных областях техники и быта связано с совокупностью его физических, механических и химических свойств: малой плотностью, коррозионной стойкостью в атмосферном воздухе, высокой тепло – и электропроводностью, пластичностью и сравнительно высокой прочностью. Алюминий легко обрабатывается различными способами – ковкой, штамповкой, прокаткой и др. Чистый алюминий применяют для изготовления проволоки (электропроводность алюминия составляет 65,5% от электропроводности меди, но алюминий более чем в три раза легче меди, поэтому алюминий часто заменяет медь в электротехнике) и фольги, используемой как упаковочный материал. Основная же часть выплавляемого алюминия расходуется на получение различных сплавов. На поверхности сплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия.
Разнообразие свойств алюминиевых сплавов обусловлено введением в алюминий различных добавок, образующих с ним твердые растворы или интерметаллические соединения. Основную массу алюминия используют для получения легких сплавов – дуралюмина (94% – алюминий, 4% медь (Cu), по 0,5% магний (Mg), марганец (Mn), железо (Fe) и кремний (Si)), силумина (85-90% – алюминий, 10-14% кремний (Si), 0,1% натрий (Na)) и др. В металлургии алюминий используется не только как основа для сплавов, но и как одна из широко применяемых легирующих добавок в сплавах на основе меди (Cu), магния (Mg), железа (Fe), >никеля (Ni) и др.
Сплавы алюминия находят широкое применение в быту, в строительстве и архитектуре, в автомобилестроении, в судостроении, авиационной и космической технике. В частности, из алюминиевого сплава был изготовлен первый искусственный спутник Земли. Сплав алюминия и циркония (Zr) – широко применяют в ядерном реакторостроении. Алюминий применяют в производстве взрывчатых веществ. При обращении с алюминием в быту нужно иметь в виду, что нагревать и хранить в алюминиевой посуде можно только нейтральные (по кислотности) жидкости (например, кипятить воду). Если, например, в алюминиевой посуде варить кислые щи, то алюминий переходит в пищу, и она приобретает неприятный “металлический” привкус. Поскольку в быту оксидную пленку очень легко повредить, то использование алюминиевой посуды все-таки нежелательно.
Использование алюминия и его сплавов во всех видах транспорта и в первую очередь – воздушного позволило решить задачу уменьшения собственной (“мертвой”) массы транспортных средств и резко увеличить эффективность их применения. Из алюминия и его сплавов изготовляют авиаконструкции, моторы, блоки, головки цилиндров, картеры, коробки передач. Алюминием и его сплавами отделывают железнодорожные вагоны, изготовляют корпуса и дымовые трубы судов, спасательные лодки, радарные мачты, трапы. Широко применяют алюминий и его сплавы в электротехнической промышленности для изготовления кабелей, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей переменного тока. В приборостроении алюминий и его сплавы используют в производстве кино – и фотоаппаратуры, радиотелефонной аппаратуры, различных контрольно-измерительных приборов. Благодаря высокой коррозионной стойкости и не токсичности алюминий широко применяют при изготовлении аппаратуры для производства и хранения крепкой азотной кислоты, пероксида водорода, органических веществ и пищевых продуктов. Алюминиевая фольга, будучи прочнее и дешевле оловянной, полностью вытеснила ее как упаковочный материал для пищевых продуктов. Все более широко используется алюминий при изготовлении тары для консервирования и храпения продуктов сельского хозяйства, для строительства зернохранилищ и других быстровозводимых сооружений. Являясь одним из важнейших стратегических металлов, алюминий, как и его сплавы, широко используется в строительстве самолетов, танков, артиллерийских установок, ракет, зажигательных веществ, а также для других целей в военной технике.
Алюминий высокой чистоты находит широкое применение в новых областях техники – ядерной энергетике, полупроводниковой электронике, радиолокации, а также для защиты металлических поверхностей от действия различных химических веществ и атмосферной коррозии. Высокая отражающая способность такого алюминия используется для изготовления из пего отражающих поверхностей нагревательных и осветительных рефлекторов и зеркал. В металлургической промышленности алюминий используют в качестве восстановителя при получении ряда металлов (например, хрома, кальция, марганца) алюмо-термическими способами, для раскисления стали, сварки стальных деталей.
Широко применяют алюминий и его сплавы в промышленном и гражданском строительстве для изготовления каркасов зданий, ферм, оконных рам, лестниц и др. В Канаде, например, расход алюминия для этих целей составляет около 30 % от общего потребления, в США – более 20 %. По масштабам производства и значению в хозяйстве алюминий прочно занял первое место среди других цветных металлов.
Источник