Цены на алюминий, их появление, добыча и использование

Алюминий (часто в области англо-американского языка также алюминий) представляет собой химический элемент с символом элемента Al и атомным номером 13. В периодической таблице алюминий относится к третьей основной группе и к 13. IUPAC Group, Boron Group, ранее известная как Earth Metal Group. Существуют многочисленные соединения алюминия.

Алюминий - это серебристо-белый легкий металл. В земной оболочке это третий по распространенности элемент после кислорода и кремния и самый распространенный металл в земной коре.

В технологии материалов под «алюминием» понимаются все материалы на основе элемента алюминия. К ним относятся чистый алюминий (по меньшей мере, 99,0% Al), алюминий высокой чистоты (минимум 99,7% Al) и, в частности, алюминиевые сплавы, которые имеют прочность, сравнимую со сталью, только на одну треть его плотности.

Алюминий, который встречается в природе только в форме химических соединений, но не в виде металла, был обнаружен в начале 19. Century. В начале 20. Век началось промышленное массовое производство.

Экстракция происходит на алюминиевых заводах, начиная с минерального боксита, сначала в процессе Байера, который используется для извлечения оксида алюминия, а затем в процессе Холла-Эрульта процесса электролиза конденсированной соли, в котором извлекается алюминий. 2016 115 миллион тонн оксида алюминия (Al2O3) было произведено по всему миру. Это принесло 54,6 миллионов тонн первичного алюминия.

Металл является очень основным и реагирует в свежесрезанных точках при комнатной температуре с воздухом и водой на глинозем. Однако это сразу же образует тонкий, непроницаемый для воздуха и воды слой (пассивация), защищая алюминий от коррозии. Чистый алюминий имеет низкую прочность; это намного выше для сплавов. Электрическая и теплопроводность высока, поэтому алюминий используется для легких кабелей и теплообменников.

Одним из самых известных продуктов является алюминиевая фольга. Другие включают компоненты в транспортных средствах и машинах, электропроводку, трубы, банки и предметы домашнего обихода. Вторичная переработка алюминия достигает мирового уровня около 40%.

история

1782 впервые предложил Лавуазье, что почва из водорослей (глинозем, полученный из латинского alummen 'alum') является оксидом ранее неизвестного элемента в 1754 Маргрэфа из раствора квасцов. Наконец, 1825 удалось передать его датскому Гансу Кристиану Эрстеду путем взаимодействия хлорида алюминия (AlCl3) с амальгамой калия, в результате чего калий служил восстановителем:

Дэви, который также долго пытался представить новый элемент, представил из 1807 названия вариантов алюминия, алюминия и алюминия, из которых два последних на английском языке и по сей день сосуществуют.

1827 сменил Фридриха Вёлера тем же методом, что и Эрстед, но с использованием металлического калия в качестве восстановителя для получения чистого алюминия. Анри Этьен Сент-Клер Девиль усовершенствовал процесс Вёлера в 1846 и опубликовал его в книге для 1859. Благодаря этому усовершенствованному процессу выработка алюминия увеличилась, и в результате цена алюминия, которая ранее была выше, чем у золота, упала до одной десятой за десять лет.

1886 был независимо разработан Чарльзом Мартином Холлом и Полом Эрультом, чтобы назвать процесс электролиза для производства алюминия, названного в их честь: процесс Холла-Эрульта. 1889 Карл Йозеф Байер разработал процесс Байера, названный в его честь, для выделения чистого глинозема из бокситов. Алюминий до сих пор производится промышленно по этому принципу.

В конце 19. На рубеже 20-го века металл был настолько известен, что его окрестили металлическими кораблями из алюминия.

Вхождение

Алюминий является третьим наиболее распространенным элементом земной коры, что делает его самым распространенным металлом, составляя 7,57% по массе кислорода и кремния. Однако, из-за своего базового характера, он встречается почти исключительно в связанной форме. Наибольшее количество химически связано в виде алюмосиликатов, в котором оно занимает положение кремния в тетраэдрах кислорода в кристаллической структуре. Эти силикаты являются, например, частью глины, гнейса и гранита.

Редко глинозем встречается в форме минерального корунда и его разновидностей рубин (красный) и сапфир (бесцветный, разных цветов). Цвета этих кристаллов основаны на примесях других оксидов металлов. Корунд имеет самое высокое содержание алюминия в соединении с процентами 53. Аналогично высокая доля алюминия обнаружена в еще более редких минералах Акдалайт (около 51 процентов) и Диаоюдаоит (около 50 процентов). В целом (2017) алюминийсодержащие минералы 1156 известны до сих пор.

Единственным экономически важным сырьем для производства алюминия является боксит. Месторождения расположены на юге Франции (Les Baux), Гвинеи, Боснии и Герцеговины, Венгрии, России, Индии, Ямайки, Австралии, Бразилии и США. Боксит содержит приблизительно 60 процентное содержание гидроксида алюминия (Al (OH) 3 и AlO (OH)), такое как 30 процентное содержание оксида железа (Fe2O3) и диоксида кремния (SiO2).

В производстве выделяют первичный алюминий, называемый также металлургический алюминий, который добывают из бокситов, и вторичный алюминий из алюминиевого лома. Для переработки требуется всего около 5 процентов энергии первичного производства.

Алюминий как минерал

Благодаря пассивации алюминий редко встречается в природе элементарно (достойно). Алюминий 1978 был впервые обнаружен Б.В. Олейниковым, А.В. Округиным, Н.В. Лесковой в образцах минералов, полученных в результате вскрытия месторождения Билех и дайки OB-255 в Республике Саха (Якутия) в Дальневосточном федеральном округе России. В целом, около 20 сайтов (стенд 2019) для твердого алюминия были известны во всем мире, в том числе в Азербайджане, Болгарии, Китайской Народной Республике (Гуандун, Гуйчжоу, Цзянсу и Тибет) и в Венесуэле. Кроме того, в образцах горных пород с Луны можно было обнаружить твердый алюминий, который доставил зонд миссии Luna 20 из кратера Аполлония.

Из-за своей исключительной редкости алюминий не имеет никакого значения в качестве источника сырья, но как твердый элемент алюминий по-прежнему признается независимым минералом Международной минералогической ассоциацией (IMA: 1980-085a). В соответствии с классификацией минералов по Strunz (издание 9) алюминий классифицируется под системным номером 1.AA.05 (элементы - металлы и интерметаллические соединения - медное купалитное семейство - медная группа). В устаревшем 8. Издание Strunz'schen Mineral классификации алюминия, однако, еще не занесено в список. Только в последнем обновленном «Справочнике минералов ляписа» 2018, который основан на этой форме нумерации систем, не учитываемой частными коллекционерами и институциональными коллекциями, минерал получил систему, а минерал - нет. I / A.3-05. Классификация минералов по Дане, которая преимущественно используется в англоязычных странах, приводит элемент минерал по системе №. 01.01.01.05.

В природе достойный алюминий обычно встречается в виде зернистых минеральных агрегатов и микрогранул, но в редких случаях также могут образовываться табличные кристаллы размером до одного миллиметра. Свежие минеральные образцы имеют блестящий металлический, серебристо-белый цвет. На воздухе поверхности темнеют из-за окисления и выглядят серыми. Алюминий оставляет темно-серую линию на плите.

В зависимости от местоположения алюминий часто содержит примеси из других металлов (Cu, Zn, Sn, Pb, Cd, Fe, Sb) или встречается в виде вросшего или микрокристаллического конденсированного с гематитом, ильменитом, магнетитом, муассанитом и пиритом или ярозитом.

Типовой материал, т. Е. Образцы минералов из типового местонахождения минерала, хранится в Геологическом музее Академии наук в Якутске в Российской республике Саха (Якутия).

Схема расплавленного электролиза

восстановление

Металлический алюминий производится электролитически из глиноземного расплава. Поскольку их трудно выделить из вездесущих на земле алюмосиликатов, крупномасштабное извлечение производится из относительно редкого, бедного силикатами боксита. Для извлечения чистого глинозема из силикатов в течение длительного времени существуют предложения, реализация которых пока экономически невозможна.

Смесь глинозема с гидроксидом, содержащаяся в руде, сначала переваривают раствором гидроксида натрия (процесс Байера, трубчатый реактор или автоклавное расщепление), чтобы избавить ее от примесей, таких как железо и оксид кремния, и затем преимущественно используют на установках с псевдоожиженным слоем (но также в Вращающиеся печи) на глинозем (Al2O3) запущены.

Сухое пищеварение (метод Девилля), однако, не имеет смысла. Тонкоизмельченный неочищенный боксит прокаливали вместе с содой и коксом во вращающихся печах при температуре около 1200 ° C, и полученный алюминат натрия впоследствии растворяли в растворе гидроксида натрия.

Производство металла происходит на алюминиевых заводах электролизом расплавленных солей оксида алюминия методом криолит-глинозем (процесс Холла-Эрульта). Чтобы понизить температуру плавления, оксид алюминия плавится вместе с криолитом (эвтектика при 963 ° C). [36] Во время электролиза алюминий образуется на дне сосуда и кислород на аноде, который объединяется с графитом (углеродом) анода реагирует на углекислый газ и угарный газ. Графитовые блоки, образующие анод, сгорают очень медленно и время от времени заменяются. Графитовый катод (дно сосуда) инертен к алюминию. Жидкий алюминий, собирающийся на дне, отсасывается с помощью всасывающей трубы.

Из-за высокой энергии связи из-за трехвалентного алюминия процесс довольно энергоемкий. На каждый килограмм произведенного сырого алюминия 12,9 должен расходоваться до 17,7 киловатт-часов электрической энергии. Снижение энергопотребления возможно только в небольшой степени, потому что потенциал для энергетической оптимизации в значительной степени развит. Поэтому производство алюминия экономично только в непосредственной близости от дешевой доступной электрической энергии, например, в дополнение к гидроэлектростанциям, таким как в Райнфельдене или (бывшем) в Рансхофене около гостиниц.

 

Свойства

Физические свойства

Алюминий затвердевает исключительно в кубической поверхностно-центрированной пространственной сетке в группе пространств Fm3m (группа помещений № 225). Параметр решетки для чистого алюминия равен 0,4049 нм (соответствует 4,05 Å) для формульных единиц 4 на элементарную ячейку.

Пробелы встречаются с плотностью 1,3 × 10-4 при 500 ° C, при комнатной температуре они являются только 10-12. Гашение может также привести к увеличению плотности вакансий при комнатной температуре, что важно для некоторых свойств алюминиевых материалов, поскольку пустоты способствуют диффузии. Изменение формы при комнатной температуре может увеличить плотность вакансий на 10-4. Плотность дислокаций 10-7, типичная область для металлов, приводит к хорошей формуемости алюминия. Не удалось обнаружить дефекты стека с алюминием, что объясняется высокой энергией дефектов стека от 103 до 200 (10-7 Дж / см²). В результате увеличение прочности во время холодной прокатки и ковки является минимальным, и некоторые алюминиевые материалы даже имеют тенденцию размягчаться после этого.

плотность

При плотности 2,6989 г / см3 (около трети стали) алюминий является типичным легким металлом, что делает его интересным материалом для облегченной конструкции. Плотность сплавов обычно отклоняется только от + 3% до -2%. Специальные сплавы с литием имеют 15% более низкую плотность. Алюминий - один из самых легких материалов, превосходящий только магний.

Механические свойства

Алюминий является относительно мягким и прочным металлом. Прочность на растяжение абсолютно чистого алюминия составляет 45 Н / мм², предел текучести при 17 Н / мм² и относительное удлинение при разрыве при 60%, тогда как для коммерчески чистого алюминия предел прочности при растяжении составляет 90 Н / мм², предел текучести при 34 Н / мм² и Удлинение при 45%. Напротив, прочность на растяжение его сплавов до 710 Н / мм² (сплав 7068). Его модуль упругости составляет около 70 ГПа, значение часто цитируется. Чистому алюминию присваивается значение 66,6 ГПа, но значения варьируются от 60 до 78 ГПа. Модуль G равен 25,0, кН / мм², число поперечного сжатия (число Пуассона) равно 0,35.

Термические свойства

Температура плавления составляет 660,2 ° C, а температура кипения составляет 2470 ° C. Температура плавления значительно ниже, чем у меди (1084,6 ° C), чугуна (1147 ° C) и железа (1538 ° C), что делает алюминий хорошим литейным материалом.

При температуре перехода 1,2 K чистый алюминий становится сверхпроводящим.

Теплопроводность относительно высока с 235 Вт / (K м). Хотя теплопроводность меди примерно в два раза выше, но плотность примерно в четыре раза больше, поэтому алюминий используется для теплообменников в транспортных средствах. Коэффициент теплового расширения довольно высок из-за довольно низкой температуры плавления с 23,1 мкм · м-1 · K-1.

Усадка, то есть уменьшение объема при затвердевании, составляет 7,1%.

Электрические свойства

Поскольку в теплопроводности и электропроводности металлов преобладают одни и те же механизмы, алюминий также очень хороший электрический проводник. В рейтинге элементов с наивысшей удельной электропроводностью алюминий, а также теплопроводность находится на четвертом месте после серебра, меди и золота. Сочетание высокой удельной проводимости, низкой плотности, высокой доступности и (по сравнению с другими материалами) дешевого алюминия в электротехнике - особенно в энергетике, где необходимы большие сечения проводников - стало самым важным материалом проводника помимо меди.

Магнитные свойства

Алюминий парамагнитен, поэтому притягивается магнитами, но эффект очень слабый. Магнитная восприимчивость при комнатной температуре составляет 0,62 × 10-9 м³ / кг, что делает алюминий практически немагнитным.

Химические свойства

Чистый легкий металлический алюминий имеет тусклый серебристо-серый вид благодаря очень тонкому образующемуся в воздухе тонкому оксидному слою. Этот пассивирующий оксидный слой делает чистый алюминий очень устойчивым к коррозии при значениях pH от 4 до 9, достигая толщины около 0,05 мкм.

Этот оксидный слой также защищает от дальнейшего окисления, но препятствует электрическому контактированию и пайке. Он может быть усилен электрическим окислением (анодированием) или химически.

Оксидный слой может быть растворен посредством реакций комплексообразования. Чрезвычайно устойчивый и водорастворимый нейтральный комплекс входит в алюминий в нейтральном растворе хлорида. Следующее уравнение реакции иллюстрирует процесс:

Это предпочтительно делать в местах, где оксидный слой алюминия уже поврежден. Это происходит через образование отверстий для точечной коррозии. Если раствор хлорида может попасть на свободную поверхность металла, происходят другие реакции. Атомы алюминия могут быть окислены с комплексообразованием:

Если в растворе присутствуют ионы благородных металлов, они восстанавливаются и осаждаются на алюминии. Этот принцип основан на восстановлении ионов серебра, присутствующих на поверхности потускневшего серебра, в виде сульфида серебра до серебра.

Алюминий активно реагирует с водным раствором гидроксида натрия (NaOH) (и немного реже с водным раствором карбоната натрия) с образованием водорода. Эта реакция используется в химических средствах очистки труб. Реакция алюминия с NaOH протекает в две стадии: реакция с водой и комплексообразование гидроксида с алюминатом натрия.

В реакции с водой

изначально образуется гидроксид алюминия.

Как правило, поверхность впоследствии высушивают, в течение которой гидроксид превращается в оксид:

Однако этого не происходит при реакции алюминия в водном растворе гидроксида натрия.

Теперь следует 2. Стадия комплексообразования гидроксида с алюминатом натрия:

В результате комплексообразования желатиновый гидроксид становится водорастворимым и может отводиться от поверхности металла. В результате алюминиевая поверхность больше не защищена от дальнейшего воздействия воды, и ступенька 1 снова сбегает.

Как и в случае реакции алюминия с кислотами, с помощью этого метода можно получить три моля газообразного водорода на моль алюминия.

Алюминий реагирует с бромом при комнатной температуре под пламенем. Следует отметить, что полученный бромид алюминия реагирует с водой с образованием гидроксида алюминия и бромистоводородной кислоты.

С ртутью алюминий образует амальгаму. Если ртуть вступает в прямой контакт с алюминием, то есть если слой оксида алюминия механически разрушается в этой точке, ртуть поглощает дыры в алюминии; Под водой затем растет над ним глинозем в виде маленькой цветной капусты. Поэтому в авиации ртуть классифицируется как опасный товар и «коррозийная жидкость» по сравнению с алюминиевыми материалами.

Алюминий также бурно реагирует с соляной кислотой с выделением водорода, и он медленно растворяется серной кислотой. Пассивируется в азотной кислоте.

В форме порошка (размер частиц меньше 500 мкм) алюминий обладает высокой реакционной способностью, особенно когда он не флегматизирован из-за большой площади поверхности. Затем алюминий реагирует с водой, выделяя водород в гидроксид алюминия. Тончайший, не флегматизированный алюминиевый порошок также называется Pyroschliff. Нефлегматизированная алюминиевая пыль очень опасна и самовоспламеняется при воздействии воздуха.

Изотоп

В природе встречается только изотоп 27Al; Алюминий является одним из чистых элементов. Этот изотоп, который является стабильным и содержит нейтроны 14 и протоны 13 в ядре, не поглощает нейтроны, поэтому алюминий также используется в ядерных реакторах. Все остальные изотопы производятся искусственно и являются радиоактивными. Наиболее стабильным из этих изотопов является 26Al с периодом полураспада один миллион лет. В результате захвата электрона или бета-распада это приводит к образованию 26Mg, захвату нейтрона и последующему гамма-распаду 27Al. Изотопы от 24Al до 29Al (кроме 26Al и 27Al) имеют периоды полураспада от нескольких секунд до нескольких сотен секунд. 23Al распадается с периодом полураспада всего 0,13 секунд.

алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы - это сплавы, которые преимущественно изготавливаются из алюминия.

Алюминий можно легировать многочисленными металлами для придания определенных свойств или подавления других нежелательных свойств. Для некоторых сплавов формирование защитного оксидного слоя (пассивация) сильно нарушается, в результате чего изготовленные из него компоненты иногда подвержены коррозии. Эта проблема затрагивает практически все высокопрочные алюминиевые сплавы.

Существуют алюминиевые деформируемые сплавы, которые предназначены для дальнейшей обработки путем прокатки, ковки и экструзии и литья материалов. Они используются в литейных цехах.

В целом, алюминиевые сплавы подразделяются на две основные группы: смешивание и литье:

Литые алюминиевые сплавы.

Типичные литые алюминиевые сплавы содержат кремний в качестве основного легирующего элемента (AlSi), но существуют также сплавы меди или магния.

Деформируемые алюминиевые сплавыони имеют долю около 75% и подразделяются далее в соответствии с основными легирующими элементами в
Чистый алюминий с содержанием алюминия от 99,0% до 99,9%. Они очень просты в эксплуатации, имеют низкую прочность и хорошую коррозионную стойкость.

Алюминиево-медные сплавы (AlCu): Они имеют среднюю и высокую прочность, являются отверждаемыми, но подвержены коррозии и плохо свариваются. Они могут содержать добавки магния или марганца.

Алюминиево-марганцевые сплавы (AlMn): Они имеют низкую и среднюю прочность, устойчивы к коррозии и просты в обработке.

Алюминиево-магниевые сплавы (AlMg, без AlMgSi): Они имеют среднюю прочность, не отверждаются, устойчивы к коррозии, просты в форме и сварке. Большинство сортов также содержат марганец (AlMg (Mn)).

Алюминиево-магниево-кремниевые сплавы (AlMgSi): Они имеют среднюю и высокую прочность, легко поддаются сварке и экструзии, закаливаются и устойчивы к коррозии.

Алюминиево-цинко-магниевые сплавы (AlZnMg): Марки без меди имеют среднюю и высокую прочность и легко поддаются сварке. Медьсодержащие марки (AlZnMg (Cu)) имеют высокую прочность - в случае 7075 над 500 МПа - не обрабатываются сваркой плавлением, а хорошо обрабатываются механической обработкой (фрезерование, сверление).

специальные сплавыНапример, алюминиево-литиевые сплавы с особенно низкой плотностью или легкосплавные сплавы, которые особенно легко обрабатываются.

Кроме того, проводится различие между естественно твердыми сплавами, которые не могут быть закалены термической обработкой, и отверждаемыми:

Типичные природные твердые деформируемые алюминиевые сплавы: AlMg, AlMn, AlMgMn, AlSi
Отверждение деформируемых сплавов. Повышение прочности за счет дисперсионного упрочнения легирующих элементов с дополнительным отжигом при старении при температурах от 150 до 190 ° C. Типичные отверждаемые алюминиевые деформируемые сплавы: AlMgSi, AlCuMg, AlZnMg. Первый высокопрочный упрочняемый алюминиевый сплав AlCuMg получил 1907 торговое название дюраль, кратко называемое «дюралюминий».

 

Временное развитие мирового производства первичного алюминия

Экономическое значение

Алюминий является вторым по важности металлическим материалом после стали. 2016 произвел 115 миллионов тонн по всему миру.

Цены на алюминий на мировом рынке с 1980 были примерно равны стоимости 2000 долларов за тонну (чистота 99,7%). Тем не менее, он является относительно волатильным, упав 2016 примерно до 1500 долларов за тонну, а 2017 вернется близко к 2000 долларов.

Использовать

Алюминий обладает высокой удельной прочностью. По сравнению со сталью алюминиевые компоненты примерно вдвое тяжелее с такой же прочностью, но имеют больший объем. Вот почему он часто используется в облегченной конструкции, то есть там, где требуется низкая масса, что, например, способствует снижению расхода топлива на транспортных средствах, особенно в аэрокосмической промышленности. По этой причине он также приобрел значение в автомобильной промышленности; В прошлом на пути стояли высокая цена материала, плохая свариваемость, проблемная усталостная прочность и деформационные свойства в случае аварий (низкая способность поглощения энергии в так называемой зоне смятия). Капот вашингтонского монумента, тяжелого литья 3 kg, был признан 1884 одной из крупнейших алюминиевых заготовок. При строительстве малых и средних судов и катеров оценивается коррозионная стойкость алюминия к соленой воде. Производство транспортных средств (включая корабли, самолеты и рельсовые транспортные средства) сделало 2010 крупнейшим вкладчиком в использование алюминия во всем мире, составив примерно 35 процентов.

В алюминиевых сплавах достигается прочность, которая лишь незначительно уступает прочности стали. Следовательно, использование алюминия для снижения веса целесообразно там, где материальные затраты играют незначительную роль. Алюминий и дюраль широко используются в авиастроении и космической технике, в частности. Большая часть конструкции современного коммерческого самолета приклепана из алюминиевых листов различной толщины и сплавов.

Непрерывно литые круглые прутки из алюминия

автомобиль

В транспортных средствах их масса играет роль: чем легче автомобиль, тем ниже расход топлива. В Германии почти 50% алюминия используется в автомобилестроении (по состоянию на: 2015).

Autos

В автомобилях алюминиевые материалы используются для различных компонентов двигателя - включая блок цилиндров, поршни цилиндров для специальных поршневых сплавов, головки цилиндров - где особенно важно низкое тепловое расширение и подверженность коррозии и высокая теплостойкость; вместе с хорошей литейной способностью, так как эти компоненты обычно отливаются. Дальнейшее применение в транспортных средствах относится к корпусам редукторов, в качестве теплозащитных экранов и теплообменников - в последних двух в виде чистого алюминия. В шасси алюминий используется в качестве поковок для задних мостов, осей, поперечных рычагов и колес. В кузове алюминий используется для дверей, капотов, бамперов и крыльев, а также в конструкции кузова.

Коммерческий транспорт

Для коммерческих транспортных средств алюминий используется для бортов, гидробортов, надстроек, крепления груза, баллонов со сжатым воздухом, топливных баков и защиты днища кузова. Для легких коммерческих автомобилей на легкую конструкцию из алюминия сильно влияет установленная законом максимальная нагрузка на ось: при меньшем весе транспортного средства возможна более высокая полезная нагрузка.

Железнодорожные транспортные средства

Железнодорожные транспортные средства также используют много алюминия. Необходимым условием для этого были две важные другие разработки: определенные процессы сварки, подходящие для алюминиевых материалов (TIG-сварка / MIG-сварка) в 1950ers и экструзия больших профилей. Использование алюминия изменило общую конструкцию рельсовых транспортных средств. До 1970 конструкции из стальных труб были обычным явлением, а затем все больше и больше сваренных алюминиевых профилей.

Flugzeuge

Уже на начальном этапе авиации использовались алюминиевые материалы, например, 1903, например, Magnalium для арматуры самолета, которая по-прежнему состояла в основном из дерева, проволоки и ткани. Первый летающий цельнометаллический самолет датируется годом 1915, но состоял из листовой стали в корпусной конструкции. Решающим достижением для использования алюминия в авиационной промышленности явился 1906 Альфред Вильм, который нашел прочный алюминиево-медный сплав с дюралюминием, который обладает очень высокой прочностью и поэтому идеально подходит для легких конструкций. Может использоваться для самолетов AlCu и AlZnMg. Общая масса самолета возвращается к 60% по алюминию. Состав из штампованного листового металла, вырезанный или обработанный, фрезерованный из твердых или изготовленных из профилей заготовок, обычно изготавливается клепкой, так как наиболее часто используемые материалы плохо свариваются.

электрический

Алюминий - хороший проводник электричества. После серебра, меди и золота он занимает четвертое место по электропроводности среди всех металлов. При заданном электрическом сопротивлении алюминиевый проводник имеет меньшую массу, но больший объем, чем медный проводник. По этой причине медь обычно используется в качестве электрического проводника, когда объем играет доминирующую роль, например, в обмотках трансформаторов. Алюминий имеет преимущества в качестве электрического проводника, когда вес играет важную роль, например, в проводниках воздушных линий. Чтобы уменьшить вес, алюминиевые кабели также используются в самолетах, таких как Airbus A380.

Помимо прочего, алюминий также перерабатывается в шины на подстанциях и в отливках. Для электроустановок предусмотрены медные алюминиевые кабели, медное покрытие для улучшения контакта. Цены на сырье имеют первостепенное значение в этой области применения, поскольку алюминий дешевле, чем медь. Однако для воздушных линий электропередач это непригодно из-за плохих контактных и скользящих свойств, в этой области в основном используется медь, несмотря на больший вес.

При контакте под давлением алюминий проблематичен, поскольку имеет тенденцию к ползучести. Кроме того, он покрывает воздух оксидным слоем. После длительного хранения или контакта с водой этот изолирующий слой становится настолько толстым, что его необходимо удалить перед контактом. Особенно при контакте с медью происходит биметаллическая коррозия. При неправильных контактах в клеммах алюминиевые проводники могут привести к сбоям и возгоранию кабелей в результате ослабления контактов. Однако обжимные соединения с соответствующими втулками и инструментами безопасны. В качестве промежуточного слоя между медью и алюминием соединители Cupal могут избежать проблем с контактами.

Обращает на себя внимание небольшое снижение удельной электропроводности алюминия при добавлении легирующих компонентов, тогда как медь демонстрирует значительное снижение электропроводности при загрязнении.

Крупнейшие производители алюминия в мире
В тысячах тонн (2018)

Позиция	Земля	Производство	вместимость
1	Китайская Народная Республика	33.000	47.800
2	Индия	3.700	4.060
3	Россия	3.700	3.900
4	Канада	2.900	3.270
5	Объединенные Арабские Эмираты	2.600	2.600
6	Австралия	1.600	1.720
7	Норвегия	1.300	1.430
8	Бахрейн	1.000	1.050
9	Соединённые Шта́ты	890	1.790
10	остров	870	870

 

электроника

Электронная промышленность использует алюминий для его хорошей обрабатываемости и хорошей электрической и теплопроводности.

В интегральных схемах только алюминий использовался в качестве соединительного материала до 2000 лет. До Xnumxer лет он также использовался в качестве материала для управления затвором полевых транзисторов металл-изолятор-полупроводник (MOSFET и MOS-FET). В дополнение к низкому удельному сопротивлению решающее значение для использования имеют хорошая адгезия и низкая диффузия в оксидах кремния (изоляционный материал между дорожками) и легкость структурирования с помощью сухого травления. Однако с начала 1980-лет алюминий все чаще заменяется медью в качестве проводящего материала, хотя требуются более сложные методы структурирования (см. Дамаскен и двойной дамаскен-процесс) и диффузионные барьеры. Более высокие производственные накладные расходы перевешиваются более низким удельным сопротивлением, которое значительно возрастает в случае небольших структур в алюминии намного раньше и перевешивает другие свойства (например, поведение при электромиграции), а процессы алюминия могут соответствовать повышенным требованиям (тактовая частота, рассеяние мощности и т. Д.) В больше не подходит для цепей, работающих на высоких частотах (см. также элемент RC).

Тем не менее, алюминий все еще используется в микроэлектронных изделиях, поэтому он используется из-за его хорошей контактируемости с другими металлами на последних уровнях межсоединений, чтобы установить электрический контакт с шариками припоя, используемыми при монтаже с флип-чипом. Ситуация аналогична в случае силовых полупроводников, в которых все плоскости дорожек проводников обычно состоят из алюминия. В общем, и, в частности, для силовых полупроводников, материал используется для соединения проводов (соединительных проводов между микросхемой и соединением корпуса).

С внедрением технологии high-k + metal-gate алюминий стал более важным в области ворот после более чем 25-летнего воздержания, а также используется в качестве регулятора рабочего процесса.

Упаковка и тара

В упаковочной промышленности алюминий перерабатывается в напитки и жестяные банки, а также в алюминиевую фольгу. Он использует свойство абсолютного барьерного эффекта от кислорода, света и других воздействий окружающей среды. Решающее значение для использования алюминия в качестве упаковки имеет не низкая плотность, а хорошая обрабатываемость при прокатке и нетоксичность. Тонкие пленки производятся толщиной шесть микрон и затем используются в основном в композитных системах, например, в Tetra Paks. Пластиковые пленки могут быть снабжены тонким слоем путем осаждения из паровой фазы алюминия с высокой, но не полной барьерной функцией. Причиной этого барьерного эффекта является не чистый алюминий, а пассивный слой бемита. В случае травмы газ может беспрепятственно протекать через материал алюминий. В основном используются чистый алюминий, AlMn (сплавы с марганцем) и AlMg (сплавы с магнием).

Алюминий также производит кастрюли и другую кухонную утварь, такую ​​как классический итальянский эспрессо, а также туристическую и военную утварь.

Алюминий обрабатывается для различных контейнеров и корпусов, поскольку его легко обрабатывать путем формовки. Алюминиевые объекты часто защищены анодированным слоем от окисления и истирания.

На долю 2017 пришлось 17% европейского использования алюминия на упаковке.

Оптика и светотехника

Благодаря высокой отражающей способности алюминий используется в качестве зеркального покрытия для поверхностных зеркал, в том числе в сканерах, фарах автомобилей и зеркальных фотокамерах, а также в технологии инфракрасных измерений. Он также отражает ультрафиолетовое излучение в отличие от серебра. Алюминиевые зеркальные покрытия обычно защищены защитным слоем от коррозии и царапин.

Архитектура и строительство

Алюминиевый порошок и алюминиевые пасты используются для производства газобетона. Такие соединения, как гидроксисульфат алюминия, дигидроксиформиат алюминия или аморфный гидроксид алюминия, используются в качестве безщелочных ускорителей торкретирования.

Строительные и функциональные материалы

Алюминий используется как строительный материал для несущих частей зданий и как функциональный материал в качестве декоративных, устойчивых к коррозии деталей. Помимо атмосферостойкости, решающее значение имеет хорошая технологичность, особенно в случае ручного производства. Строительная промышленность является основным потребителем алюминиевых профилей. В основном алюминий используется для оконных рам, дверей и элементов фасадов. Особенно известен фасад Императорского военного музея в Манчестере. В основном используются алюминиево-марганцевые сплавы, которые обладают низкой прочностью и хорошей коррозионной стойкостью. В некоторых случаях алюминий также используется для строительства мостов, где в остальном преобладает стальная конструкция. Сплавы с более высокой прочностью, включая AlMg и AlSi, используются для проектирования конструкций. Листы и композитные панели из алюминиевых сплавов имеют классы огнестойкости от «негорючие» до «нормально горючие». При пожаре в доме выделяется тепло в 1000 ° C при полном пожаре, который, независимо от класса защиты от огня, прожигает отверстия в алюминиевом сплаве, который течет или стекает вниз при температуре от 600 ° C до 660 ° C.

 

Другие приложения

В ракетостроении топливо твердых ракет состоит максимум из 30 процента алюминиевого порошка, который выделяет много энергии при сжигании. Алюминий используется в фейерверках (см. Также пиротехнику), где он обеспечивает в зависимости от зерна и смеси для цветных эффектов. Также в поп-сетах он часто используется.

В алюмотермике алюминий используется для извлечения других металлов и полуметаллов, используя алюминий для восстановления оксидов. Важным методом алюмотермии является термитная реакция, в которой алюминий реагирует с оксидом железа. В этой сильно экзотермической реакции температура до 2500 ° C и жидкого чугуна, который используется для алюминотермической сварки, z. Б. для соединения железнодорожных путей. Дальнейшее применение восстанавливающего эффекта алюминия стало возможным для лабораторного использования с использованием алюминиевой амальгамы.

Алюминий служит пигментом для цветов (серебро или золото, бронза). Покрашенный анодированный это часть многих декоративных материалов, таких как безделушки, подарочные ленты и мишура. Для покрытия поверхностей используется в алюминировании.

Алюминиевые нагревательные элементы из железа и кофемашины прессуются.

Прежде чем стало возможным обрабатывать цинковую пластину путем добавления титана в качестве так называемого титан-цинка, алюминиевые листы использовались для элементов фасада и кровли (см. Облегченную крышу), а также для водосточных желобов.

Благодаря высокой теплопроводности алюминий используется в качестве материала для экструдированных радиаторов и теплоотводящих опорных плит. Алюминиевые электролитические конденсаторы используют алюминий в качестве материала электрода и корпуса, кроме того, он используется для изготовления антенн и волноводов.

Алюминий встречается в некоторых сплавах. В дополнение к алюминиевым сплавам, которые в основном сделаны из алюминия, алюминиевые сплавы, алюминиевая латунь, изабеллин, алюминий и медь в золе деварда, как основной легирующий элемент для магниевых сплавов, а также в Alnico и Sendust, два железных сплава со специальными магнитными свойствами , Алюминий также содержится во многих титановых сплавах, особенно в Ti-6Al-4V, разновидности, составляющей около 50% всех титановых сплавов. Есть алюминий с массовым процентом 6.

Обработка

Во время обработки различают литейные сплавы и деформируемые сплавы:

Литые сплавы обрабатываются в литейных цехах и отливаются в формы, которые уже полностью или практически соответствуют конечному продукту. Затем следует чистовая шлифовка. Литые сплавы часто выплавляют из металлолома.
Кованые сплавы отливаются в слитки на сталелитейных заводах, а затем прокатываются там для производства листов, листов, прутков и фольги. Из толстых листов и других твердых заготовок детали изготавливаются механической обработкой (фрезерование, сверление и токарная обработка). Другие массивные заготовки могут быть обработаны путем ковки на отдельные части или путем экструзии в профили. Последнее особенно распространено в алюминии. Листы обрабатываются штамповкой, гибкой и глубокой вытяжкой.

После этого изделия соединяются сваркой, клепкой, пайкой и аналогичными методами.

Гиссен

Литье алюминия называется литой алюминий. Благодаря сравнительно низкой температуре плавления, равной 660 ° C (чугун с температурой 1150 ° C, сталь от 1400 ° C до 1500 ° C) и хорошей литейной способностью, он является одним из материалов, часто используемых в литейном производстве. AlSi, специальные литые сплавы с кремнием, даже имеют температуру плавления около 577 ° C. Содержание алюминия во всех продуктах, производимых на литейных заводах, составляет около 11% (чугун 76%, чугун 9%) и, следовательно, безусловно, является наиболее важным цветным металлом (цветные металлы) в литейном производстве, даже до 1,5% меди. Доля цветных металлов литья алюминия составляет около 87%. В Германии 2011 переработал около 840.000 тонн алюминия на литейных заводах; Около 76% литья цветных металлов теряется в автомобильной промышленности.

За низкой температурой плавления следует более низкий расход энергии во время процесса плавления и более низкая температурная нагрузка на пресс-формы. Алюминий в основном подходит для всех процессов литья, в частности для литья под давлением или литья под давлением алюминия, с помощью которых можно изготавливать детали даже сложной формы. В литейном производстве обрабатывают специальные алюминиевые литейные сплавы, преимущественно алюминиево-кремниевые сплавы. С другой стороны, на металлургических заводах производят в основном кованые сплавы, которые предназначены для дальнейшей обработки путем прокатки, ковки и экструзии. Они выплавляются при выплавке на слитки (литье слитков) или круглые прутки, которые теоретически могут быть бесконечными (непрерывное литье). Непрерывное литье все чаще используется с 1930 лет. Существуют специальные системы, которые могут производить до круглых прутков 96 одновременно с длинами разливки между метрами 3 и 7, а иногда и метрами 10. Диаметры варьируются от 75 до 700 мм. Листы иногда изготавливаются путем отливки непосредственно на ролик, который охлаждает расплав. Сырой лист затем подвергается холодной прокатке без горячей прокатки, что позволяет сэкономить до 60%.

Процедуры формирования

Около 74 процентов алюминия обрабатывается формовкой. Это включает, помимо прочего, прокатку, ковку, экструзию и изгиб.

Чистый и сверхчистый алюминий может быть хорошо сформирован благодаря низкой прочности и затвердевает при холодной штамповке, при этом возможны большие изменения формы. Отверждение может быть устранено путем рекристаллизационного отжига. Кованые сплавы с AlMg и AlMn достигают более высокой прочности благодаря легирующим элементам и холодной обработке. Закаливаемые сплавы AlMgSi, AlZnMg, AlCuMg и AlZnMgCu осаждают упрочняющие фазы во время формования; их относительно сложно изменить.

рулет

Литые заготовки часто дополнительно обрабатывают прокаткой либо на толстые листы, которые затем измельчают до готовых изделий, на листы, которые затем обрабатывают штамповкой и гибкой, либо на пленки. Во время прокатки микроструктура материалов изменяется: небольшие сферические компоненты, которые часто присутствуют после разливки, уплощаются и удлиняются. С одной стороны, микроструктура становится более тонкой и однородной, но с другой стороны также зависит от направления. Мощность алюминиевого стана горячей прокатки составляет около 800.000 тонн в год. Обрабатываются слитки массой до 30. Они имеют размеры до 8,7 метров в длину, 2,2 метров в ширину и 60 см в толщину. Даже большие бары могут быть обработаны технически, но качество текстуры при этом снижается. После горячей прокатки материал обычно имеет толщину от примерно 20 до 30 мм. Затем следует холодная прокатка до конечной толщины. Станы холодной прокатки имеют производительность от 300.000 до 400.000 в год. Композиты могут быть изготовлены методом гальванического покрытия. Наносится одна или две стороны слоя другого материала. Часто слой коррозионно-стойкого чистого алюминия наносят на коррозионно-восприимчивый материал сердечника.

выталкивать

Алюминий можно формовать путем экструзии в сложные строительные профили; Это является большим преимуществом при производстве полых профилей (например, для оконных рам, балок, балок), профилей радиатора или в технологии антенн. Производство полуфабрикатов или компонентов производится из исходного материала, такого как слитки, листовой металл или цилиндры. Алюминиевые сплавы намного лучше прессуются, чем другие материалы, поэтому большая часть алюминия обрабатывается этим процессом. Исходный материал продавливается через полый инструмент. В результате получается бесконечный материал, который распиливается до желаемой длины. Он также может быть выполнен со сложными поперечными сечениями, например с полыми сечениями или с выемками. Тем не менее, поперечное сечение является постоянным по длине. Для высокопрочных сплавов требуются большие минимальные толщины стенок, а прессование занимает много времени, поэтому предпочтительны упрочняемые сплавы средней прочности. Отверждение обычно проводится непосредственно после этого. При экструзии материал нагревают до температур от примерно 450 до 500 ° C, чтобы повысить формуемость, что также используется для отжига раствора. Сразу после экструзии заготовка охлаждается воздухом или водой и, таким образом, охлаждается, что приводит к повышению прочности.

другое

Процесс смешивания литья и ковки - Cobapress, который специально разработан для алюминия и широко используется в автомобильной промышленности. Современные прокатные станы очень дорогие, но и очень производительные.

Резка включает в себя токарную обработку, сверление и фрезерование. Алюминиевые материалы легко ломаются. Их точные свойства, однако, зависят от состояния сплава и микроструктуры. Следует отметить, что температуры, возникающие во время обработки, могут быстро находиться в диапазоне температур плавления. Однако при тех же параметрах резки, что и у стали, алюминий приводит к меньшим механическим и термическим нагрузкам. В качестве режущего материала часто используют карбид для гипоэвтектики или алмаз для высокоабразивных гиперэвтектических сплавов. В частности, для обработки анодированных деталей требуются твердые инструменты, чтобы избежать износа твердого анодированного покрытия. Шлифовальная пыль, образующаяся при шлифовании алюминия, может привести к повышенному риску взрыва.

Сварка и пайка

В принципе, все алюминиевые материалы пригодны для сварки, но чистый алюминий имеет тенденцию к образованию пор в сварном шве. Кроме того, расплав алюминия имеет тенденцию вступать в реакцию с атмосферой, поэтому почти всегда сваривается в атмосфере инертного газа. Хорошо подходят MIG и плазменная сварка, а также сварка TIG. В последнем случае при использовании переменного тока в качестве защитного газа используется благородный газ аргон, а на постоянном токе - гелий.

Как диоксид углерода, так и твердотельные лазеры подходят для лазерной сварки, но не для всех сплавов. Из-за высокой теплопроводности расплав затвердевает очень быстро, так что сварной шов имеет тенденцию к образованию пор и трещин. Точечная сварка сопротивлением требует, по сравнению со сталью, более высоких электрических токов и более короткого времени сварки, а в некоторых случаях специального оборудования, так как стандартное сварочное оборудование для стали не подходит. Для электронно-лучевой сварки подходят все сплавы, но магний и олово имеют тенденцию испаряться в процессе сварки. Ручная дуговая сварка используется редко, обычно для рафинирования отливок. Пайка затруднена из-за образования оксидного слоя на воздухе. Используется как жесткая, так и мягкая пайка со специальными флюсами. Альтернативно, алюминий может быть припаян без флюса с помощью ультразвука, в то время как оксидный слой механически разрушается во время процесса пайки.

Алюминий в природе и организмах
Алюминий в организме человека

Алюминий не является важным микроэлементом и считается ненужным для питания человека. В организме человека содержится в среднем от 50 до 150 миллиграммов алюминия. Они распределяются примерно на 50 процентов легочной ткани, на 25 процентов на мягких тканях и еще на 25 процентов на костях. Таким образом, алюминий является естественной частью человеческого тела.

От 99 до 99,9 Процент от количества алюминия, обычно потребляемого в продуктах питания (от 10 до 40 мг в день), выводится через фекалии. Хелатообразующие агенты (комплексообразующие агенты), такие как лимонная кислота, могут увеличивать абсорбцию до 2 до 3 процентов. Кроме того, потребление солей алюминия через желудочно-кишечный тракт является низким; но он варьируется в зависимости от химического соединения и его растворимости, рН и наличия комплексообразующих агентов. Подсчитано, что 1 ‰ или 3 aluminum алюминия, полученного в пищу или в питьевой воде, абсорбируются в желудочно-кишечном тракте. Выведение водорастворимых солей алюминия в организм происходит в течение нескольких дней, прежде всего через почки через мочу, реже через фекалии. Таким образом, у пациентов, находящихся на диализе с нарушением функции почек, существует повышенный риск накопления в организме токсических эффектов, таких как размягчение костей и повреждение центральной нервной системы; Кроме того, пациенты, находящиеся на диализе, подвергаются большему запасу алюминия из-за фармацевтических продуктов (фосфатных связующих), которые им необходимы. Алюминий, который не выделяется почками, попадает в кости. Там его сравнительно очень медленно удаляют, так что, по оценкам модели, в организме накапливается около 1-2% от повторно поглощенной дозы. [115] За одну жизнь накапливается около 35 мг алюминия в организме.

В крови Al3 + преимущественно связан (около 80%) с трансферрином. Процент 16 представлен как [Al (PO4) (OH)], процент 1,9 - как цитратный комплекс, процент 0,8 - как Al (OH) 3, а процент 0,6 - как [Al (OH) 4] -. Кровь новорожденного уже содержит ионы алюминия, которые происходят из материального кровообращения. Уровни сыворотки около 6-10 мкг / л аналогичны таковым у взрослых.

завод

Алюминий в форме различных солей (фосфатов, силикатов) является составной частью многих растений и фруктов, так как растворенные соединения Al поглощаются почвой из почвы в результате дождя. Это все чаще происходит, когда кислотные почвы подвержены воздействию кислотных дождей (см. Также повреждение леса). ).

Большая часть почвы в мире является химически кислой. Если pH ниже 5,0, ионы Al3 + поглощаются корнями растений. Это относится к половине обрабатываемой земли в мире. В частности, ионы повреждают рост тонких корней. Растение, если оно не терпимо к алюминию, подвергается стрессу. На это влияют многочисленные ферменты и сигнальные белки; Последствия отравления еще не полностью известны. В кислых, богатых металлами почвах Al3 + - это ион с наибольшим потенциалом повреждения. Из модельного растения известны трансгены Arabidopsis, которые повышают их толерантность к алюминию, а толерантные сорта также известны в сельскохозяйственных культурах.

Например, кислотные дожди в Швеции в годы 1960 подкислили озера, заставив больше ионов Al3 + растворять и убивать чувствительную рыбу. В Норвегии это соотношение также было установлено во время исследовательского проекта в годы 1970er.

При значениях pH выше 5,0 алюминий связывается в виде полимерного гидрокси-катиона на поверхности силикатов. При значениях pH от 4,2 до 5 доля подвижных катионов увеличивается.

При увеличении концентрации серной кислоты кислотным дождем гидроксисульфат алюминия образует: [116]

токсичность

При почечной недостаточности и у пациентов на диализе поглощение алюминия приводит к прогрессирующей энцефалопатии (нарушения памяти и речи, вялость и агрессия) вследствие потери клеток мозга и прогрессирующей деменции, переломованного остеопороза (артрит) и анемии (потому что алюминий имеет одинаковую белизну памяти) как железо). Это наблюдалось в годы 1970er у пациентов, находящихся на длительном гемодиализе при сильном потреблении алюминия («Синдром диализной энцефалопатии»).

Особенно в отношении использования в дезодорантах и ​​пищевых добавок, последствия для здоровья алюминия противоречивы. Например, алюминий был предметом нескольких спорных факторов, связанных с болезнью Альцгеймера.

Согласно исследованию, проведенному Федеральным институтом оценки риска (BfR) в июле 2007, в общем случае на момент создания исследования риск развития болезни Альцгеймера из алюминия не был выявлен из-за сравнительно небольшого количества; однако, в качестве меры предосторожности, не храните кислые продукты в контакте с алюминиевыми горшками или фольгой. 2014 пересмотрел использование алюминийсодержащих дезодорантов и косметических средств Федеральным институтом оценки риска в феврале: соли алюминия из таких продуктов могут поглощаться через кожу, и регулярное использование в течение десятилетий может потенциально привести к проблемам со здоровьем.

Британское общество Альцгеймера, базирующееся в Лондоне, утверждает, что исследования, проведенные 2008, не продемонстрировали убедительной причинно-следственной связи между алюминием и болезнью Альцгеймера. Тем не менее, есть некоторые исследования, такие как Например, когортное исследование PAQUID во Франции с оценкой данных о состоянии здоровья людей 3777 в возрасте от 65 лет, прошедших с 1988 до настоящего времени, в котором воздействие алюминия указано в качестве фактора риска болезни Альцгеймера. Таким образом, многие сенильные бляшки с повышенным уровнем алюминия были обнаружены в мозге пациентов с болезнью Альцгеймера. Однако неясно, является ли накопление алюминия следствием болезни Альцгеймера или алюминий причинно связан с болезнью Альцгеймера. Немецкая Ассоциация Альцгеймера не видит убедительной связи между потреблением алюминия и болезнью Альцгеймера.

Алюминий является одним из незаменимых микроэлементов, токсичность в основном зависит от количества: 0,01 мг / л алюминия в крови считается нормальным значением, значения выше 0,06 мг / л говорят о чрезмерном воздействии и значения выше 0,2 мг / л в крови считаются токсичными.

Цены на алюминий

Цены на алюминиевые сплавы

Цены на алюминиевый лом

Цены на алюминиевый слиток