Алюминиевые руды

Алюми'ниевые ру'ды,руды, из которых получают металлический .Имеется большое количество минералов и горных пород, содержащих алюминий, однако лишь немногие из них могут быть использованы для получения металлического алюминия. Наиболее широкое распространение в качестве алюминиевого сырья получили ,причём сначала из руд извлекают полупродукт - глинозём (Al ₂0 ₃), а затем уже из глинозёма электролитическим путём получают металлический алюминий. В качестве А. р. применяются нефелин-сиенитовые (см. ) ,а также нефелин-апатитовые породы, служащие одновременно и источником получения фосфатов. В качестве минерального сырья для получения алюминия могут служить алунитовые породы (см. ) ,лейцитовые лавы (минерал ) , , ,высокоглинозёмистые глины и каолины, кианитовые, силлиманитовые и андалузитовые сланцы.

  В капиталистических и развивающихся странах практически для получения алюминия пользуются лишь бокситами. В СССР, кроме бокситов, приобрели важное практическое значение нефелин-сиенитовые и нефелин-апатитовые породы.

Алюминиевые сплавы

Алюми'ниевые спла'вы,сплавы на основе алюминия. Первые А. с. получены в 50-х гг. 19 в.; они представляли собой сплав алюминия с кремнием и характеризовались невысокими прочностью и коррозионной стойкостью. Длительной время Si считали вредной примесью в А. с. К 1907 в США получили развитие сплавы Al-Cu (литейные с 8% Cu и деформируемые с 4% Cu). В 1910 в Англии были предложены тройные сплавы Al-Cu-Mn в виде отливок, а двумя годами позднее - А. с. с 10-14% Zn и 2-3% Cu. Поворотным моментом в развитии А. с. явились работы А. Вильма (Германия) (1903-11), который обнаружил т. н. старение А. с. (см. ) ,приводящее к резкому улучшению их свойств (главным образом прочностных). Этот улучшенный А. с. был назван .В СССР Ю. Г. Музалевским и С. М. Вороновым был разработан советский вариант дуралюмина - т. н. кольчугалюминий. В 1921 А. Пач (США) опубликовал метод модификации сплава Al-Si введением микроскопических доз Na, что привело к значительному улучшению свойств сплавов Al-Si и их широкому распространению. Исходя из механизма старения А. с., в последующие годы велись усиленные поиски химических соединений, способных упрочнить Al. Разрабатывались новые системы А. с.: коррозионностойкие, декоративные и электротехнические Al-Mg-Si; самые прочные Al-Mg-Si-Cu, Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu; наиболее жаропрочные Al-Cu-Mn и Al-Cu-Li; лёгкие и высокомодульные Al-Be-Mg и Al-Li-Mg ( табл. 1 ).

  Основные достоинства А. с.: малая плотность, высокая электро- и теплопроводность, коррозионная стойкость, высокая удельная прочность.

  По способу производства изделий А. с. можно разделить на 2 основные группы: деформируемые (в т. ч. спечённые А. с.) для изготовления полуфабрикатов (листов, плит, профилей, труб, поковок, проволоки) путём деформации ( , и т. д.) и литейные - для фасонных отливок.

Табл. 1. - Развитие систем алюминиевых сплавов

  Деформируемые А. с. по объёму производства составляют около 80% (США, 1967). Полуфабрикаты получают из слитков простой формы - круглых, плоских, полых, - отливка которых вызывает относительно меньшие трудности. Химический состав деформируемых А. с. определяется главным образом необходимостью получения оптимального комплекса механических, физических, коррозионных свойств. Для них характерна структура твёрдого раствора с наибольшим содержанием эвтектики. Деформируемые А. с. принадлежат к различным группам ( табл. 2 ).

Табл. 2. - Химический состав и механические свойства некоторых деформируемых алюминиевых сплавов (1Мн/м ²» 0,1 кгс/ мм ²; 1 кгс/мм ²»10 Мн/ м ²)

Примечания. ¹Во всех сплавах в качестве примесей присутствуют Fe и Si; в ряд сплавов вводятся малые добавки Сг, Zr, Ti, Be. ²Полуфабрикаты: Л- лист; Пф -профиль; Пр- пруток; Пк -поковка; Ш- штамповка; Пв -проволока: Т- трубы; Пл- плиты; Пн -панели: Пс -полосы; Ф -фольга. ³Свойства получены по полуфабрикатам, показанным без скобок. ⁴С добавкой 1,8-1,3% Ni и 0,8-1,3% Fe. ⁵С добавкой 1,2-1,4% Li. ⁶С добавкой1,9-2,3% Li. ⁷С добавкой 0,2-0,4%Fe.

  Двойные сплавы на основе системы Al-Mg (т. н. магналии) не упрочняются термической обработкой. Они имеют высокую коррозионную стойкость, хорошо свариваются; их широко используют при производстве морских и речных судов, ракет, гидросамолётов, сварных ёмкостей, трубопроводов, цистерн, ж.-д. вагонов, мостов, холодильников и т. д.

  Сплавы Al-Mg-Si (т. н. авиали) сочетают хорошую коррозионную стойкость со сравнительно большим эффектом старения; анодная обработка позволяет получать красивые декоративные окраски этих сплавов.

  Тройные Al-Zn-Mg сплавы имеют высокую прочность, хорошо свариваются, но при значительной концентрации Zn и Mg склонны к самопроизвольному коррозионному растрескиванию. Надёжны сплавы средней прочности и концентрации.

  Четверные сплавы Al-Mg-Si-Cu сильно упрочняются в результате старения, но имеют пониженную (из-за Cu) коррозионную стойкость; из них изготовляют силовые узлы (детали), выдерживающие большие нагрузки. Четверные сплавы Al-Zn-Mg-Cu обладают самой высокой прочностью (до 750 Мн/м ²или до 75 кгс/мм ²) и удовлетворительно сопротивляются коррозионному растрескиванию; они значительно более чувствительны к концентрации напряжений и повторным нагрузкам, чем дуралюмины (сплавы Al-Cu-Mg), разупрочняются при нагреве свыше 100°С. Наиболее прочные из них охрупчиваются при температурах жидкого кислорода и водорода. Эти сплавы широко используют в самолётных и ракетных конструкциях. Сплавы Al-Cu-Mn имеют среднюю прочность, но хорошо выдерживают воздействие высоких и низких температур, вплоть до температуры жидкого водорода. Сплавы Al-Cu-Li по прочности близки сплавам Al-Zn-Mg-Cu, но имеют меньшую плотность и больший модуль упругости; жаропрочны. Сплавы Al-Li-Mg при той же прочности, что и дуралюмины, имеют пониженную (на 11%) плотность и больший модуль упругости. Открытие и разработка сплавов Al-Li-Mg осуществлены в СССР. Сплавы Al-Be-Mg имеют высокую ударную прочность, очень высокий модуль упругости, свариваются, обладают хорошей коррозионной стойкостью, но их применение в конструкциях связано с рядом ограничений.

  В состав деформируемых А. с. входят т. н. спечённые (вместо слитка для дальнейшей деформации используют брикет, спечённый из порошков) А. с. (в 1967 в США объём производства составил около 0,5% ). Имеются 2 группы спечённых А. с. промышленного значения: САП (спечённая алюминиевая пудра) и САС-1 (спечённый алюминиевый сплав).

  САП упрочняется дисперсными частицами окиси алюминия, нерастворимой в алюминии. На частицах чрезвычайно дисперсной алюминиевой пудры в процессе помола её в шаровых мельницах в атмосфере азота с регулируемым содержанием кислорода образуется тончайшая плёнка окислов Al. Помол осуществляется с добавкой стеарина, по мере его улетучивания наряду с дроблением первичных порошков происходит их сращивание в более крупные конгломераты, в результате чего образуется не воспламеняющаяся на воздухе т. н. тяжёлая пудра с плотностью св. 1000 кг/м ².Пудру брикетируют (в холодном и горячем виде), спекают и подвергают дальнейшей деформации - прессованию, прокатке, ковке. Прочность САП возрастает при увеличении содержания первичной окиси алюминия (возникшей на первичных порошках) до 20-22%, при большем содержании снижается. Различают (по содержанию Al ₂O ₃) 4 марки САП (6-9% - САП1; 9,1-13% - САП2; 13,1-18% - САП3; 18,1-20% - САП4). Длительные выдержки САП ниже температуры плавления мало влияют на его прочность. Выше 200-250 °С, особенно при больших выдержках, САП превосходит все А. с., например при 500°С предел прочности s _b=50-80 Мн/ м ²(5-8 кгс/мм ²) .В виде листов, профилей, поковок, штамповок САП применяется в изделиях, где нужна высокая жаропрочность и коррозионная стойкость. САП содержит большое количество влаги, адсорбированной и прочно удерживаемой окисленной поверхностью порошков и холоднопрессованных брикетов. Для удаления влаги применяется нагрев в вакууме или нейтральной среде несколько ниже температуры плавления алюминиевых порошков или холоднопрессованных брикетов. Дегазация САП повышает его пластичность, и он удовлетворительно сваривается аргоно-дуговой сваркой.

  САС-1, содержащий 25% Si и 5% Ni (или Fe), получают распылением жидкого сплава, брикетированием пульверизата, прессованием и ковкой прутков. Мельчайшие кристаллики Si и FeAl ₃(NiAl ₃), воздействуя на матрицу, упрочняют сплав, повышают модуль упругости и пластичность, снижают коэффициент линейного расширения; этот эффект тем больше, чем мельче твёрдые частицы и меньше просвет между ними. Этот А. с. характеризуется низким коэффициентом линейного расширения и повышается модулем упругости. По этим характеристикам порошковые сплавы заметно превосходят соответствующие литейные А. с.

  Литейные А. с. по объёму производства составляют около 20% (США, 1967). Для них особенно важны литейные характеристики - высокая жидкотекучесть, малая склонность к образованию усадочных и газовых пустот, трещин, раковин. А. А. установил, что эти свойства улучшаются при сравнительно высоком содержании в сплаве легирующих элементов, образующих ,что приводит, однако, к некоторому повышению хрупкости сплавов. Важнейшие литейные А. с. содержат свыше 4,5% Si (т. н. силумины). Введение гомеопатических (сотые доли процента) доз Na позволяет модифицировать структуру доэвтектических и эвтектических силуминов: вместо грубых хрупких кристаллов Si появляются кристаллы сфероидальной формы и пластичность сплава существенно возрастает. Силумины ( табл. 3 ) охватывают двойные сплавы системы Al-Si (АЛ2) и сплавы на основе более сложных систем: Al-Si-Mg (АЛ9), Al-Si-Си (АЛЗ, АЛ6); Al-Si-Mg-Си (АЛ5, АЛ10). Сплавы этой группы характеризуются хорошими литейными свойствами, сравнительно высокой коррозионной стойкостью, высокой плотностью (герметичностью), средней прочностью и применяются для сложных отливок. Для борьбы с газовой пористостью силуминов Бочвар и А. Г. Спасский разработали оригинальный и эффективный способ кристаллизации отливок под давлением.

  К сплавам с высоким содержанием Mg (свыше 5% ) относятся двойные Al-Mg (АЛ8), сплавы системы Al-Mg-Si с добавкой Mn (АЛ13 и АЛ28), Be и Ti (АЛ22). Сплавы этой группы коррозионностойки, высокопрочны и обладают пониженной плотностью. Наиболее высокопрочен сплав АЛ8, но технология его изготовления сложна. Для уменьшения окисляемости в жидком состоянии в него вводится 0,05 - 0,07% Be, а для измельчения зерна - такое же количество Ti, в формовочную смесь для подавления реакции металла с влагой добавляется борная кислота. Сплав АЛ8 отливается главным образом в земляные формы. Сплавы АЛ13 и АЛ28 имеют лучшие литейные свойства, но меньшую прочность и не способны упрочняться термической обработкой; они отливаются в кокиль под давлением и в землю. Длительные низкотемпературные нагревы могут привести к ухудшению коррозионной стойкости литейных А. с. с высоким содержанием Mg.

Табл. 3.-Химический состав и механические свойства некоторых литейных алюминиевых сплавов (1 Мн/м ²» 0,1 кгс /мм ²;1 кгс/мм ²» 10 Мн/м ²)

Примечание. ¹Виды литья: З - в землю; В - по выплавляемым моделям; О - в оболочковые формы; К -в кокиль; Д - под давлением. ²Zn 3,5 - 4,5%.

  Сплавы с высоким содержанием Zn (свыше 3%) систем Al-Si-Zn (АЛ11) и Al-Zn-Mg-Cu (АЛ24) имеют повышенную плотность и пониженную коррозионную стойкость, но обладают хорошими литейными свойствами и могут применяться без термической обработки. Широкого распространения они не получили.

  Сплавы с высоким содержанием Си (свыше 4% ) - двойные сплавы Al-Си (АЛ7) и сплавы тройной системы Al-Cu-Mn с добавкой Ti (АЛ19) по жаропрочности превосходят сплавы первых трёх групп, но имеют несколько пониженные коррозионную стойкость, литейные свойства и герметичность.

  Сплавы системы Al-Cu-Mg-Ni и Al-Cu-Mg-Mn-Ni (АЛ1, АЛ21) отличаются высокой жаропрочностью, но плохо обрабатываются.

  Свойства литейных сплавов существенно меняются в зависимости от способа литья; они тем выше, чем больше скорость кристаллизации и питание кристаллизующегося слоя. Как правило, наиболее высокие характеристики достигаются при кокильном литье. Свойства отдельно отлитых образцов могут на 25-40% превосходить свойства кристаллизовавшихся наиболее медленно или плохо питаемых частей отливки. Некоторые элементы, являющиеся легирующими для одних сплавов, оказывают вредное влияние на другие. Кремний снижает прочность сплавов систем Al-Mg и ухудшает механические свойства сплавов систем Al-Si и Al-Cu. Олово и свинец даже в десятых долях процента значительно понижают температуру начала плавления сплавов. Вредное влияние на силумины оказывает железо, вызывающее образование хрупкой эвтектики Al-Si-Fe, кристаллизующейся в виде пластин. Содержание железа регулируется в зависимости от способа литья: оно максимально при литье под давлением и в кокиль и сильно снижено при литье в землю. Уменьшением вредных металлических и неметаллических примесей в сплавах с применением чистой шихты и рафинирования, введением малых добавок Ti, Zr, Be, модифицированием сплавов и их термической обработкой можно существенно повысить свойства фасонных отливок из А. с. Рафинирование осуществляется: продувкой газом (хлором, азотом, аргоном); воздействием флюсов, содержащих хлористые и фтористые соли; выдерживанием в вакууме или сочетанием этих способов.

  С каждым годом увеличивается объём потребления А. с. в различных отраслях техники ( табл. 4 ). За 5 лет применение А. с. в США увеличилось примерно в 1,6 раза и превышает (1967) по объёму 10% от потребления стали (в СССР за 1966-70 намечено увеличение производства А. с. более чем в 2 раза). Наряду с транспортом (авиация, суда, вагоны, автомобили) А. с. находят огромное применение в строительстве - оконные рамы, стенные панели и подвесные потолки, обои; бурно расширяется использование А. с. для производства контейнеров и др. упаковки, в электропромышленности (провода, кабели, обмотки электродвигателей и генераторов).

Табл. 4. - Распределение потребления алюминиевых сплавов по отраслям промышленности в США (тыс. т)

  Большой интерес представляет распределение производства А. с. по различным видам полуфабрикатов ( табл. 5 ).

Табл. 5. - Объём производства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов в США (тыс. т)

  Лит.:Сваривающиеся алюминиевые сплавы. (Свойства и применение), Л., 1959; Добаткин В. И., Слитки алюминиевых сплавов, Свердловск, 1960: Фридляндер И. Н., Высокопрочные деформируемые алюминиевые сплавы, М., 1960; Колобнев И. Ф., Термическая обработка алюминиевых сплавов, М., 1961; Строительные конструкции из алюминиевых сплавов. [Сб. ст.], М., 1962; Алюминиевые сплавы, в. 1-6, М., 1963-69; Альтман М. Б., Лебедев А. А., Чухров М. В., Плавка и литье сплавов цветных металлов, М., 1963; Воронов С. М., Металловедение легких сплавов, М., 1965; AltenpohI D., Aluminium und Aluminiumlegierungen, В. - [u. a.], 1965; L'Aluminium, йd. P. Barrand, R. Gadeau, t. 1-2, P., 1964; Aluminium, ed. R. Kent van Horn, v. 1-3, N. Y., 1967.

  И. Н. Фридляндер.

Алюминиевый картель

Алюми'ниевый карте'ль,см. .

Алюминий

Алюми'ний(лат. Aluminium), Al, химический элемент III группы периодической системы Менделеева; атомный номер 13, атомная масса 26,9815; серебристо-белый лёгкий металл. Состоит из одного стабильного изотопа ²⁷Al.

  Историческая справка. Название А. происходит от латинского alumen - так ещё за 500 лет до н. э. назывались ,которые применялись как протрава при крашении тканей и для дубления кожи. Датский учёный Х. К. Эрстед в 1825, действуя амальгамой калия на безводный AlCl ₃и затем отгоняя ртуть, получил относительно чистый А. Первый промышленный способ производства А. предложил в 1854 французский химик А. Э. Сент-Клер Девиль: способ заключался в восстановлении двойного хлорида А. и натрия Na ₃AICI ₆металлическим натрием. Похожий по цвету на серебро, А. на первых порах ценился очень дорого. С 1855 по 1890 было получено всего 200 тА. Современный способ получения А. электролизом криолито-глинозёмного расплава разработан в 1886 одновременно и независимо друг от друга Ч. Холлом в США и П. Эру во Франции.

  Распространённость в природе. По распространённости в природе А. занимает 3-е место после кислорода и кремния и 1-е - среди металлов. Его содержание в земной коре составляет по массе 8,80%. В свободном виде А. в силу своей химической активности не встречается. Известно несколько сотен минералов А., преимущественно .Промышленное значение имеют , и .Нефелиновые породы беднее бокситов глинозёмом, но при их комплексном использовании получаются важные побочные продукты: сода, поташ, серная кислота. В СССР разработан метод комплексного использования нефелинов. Нефелиновые руды в СССР образуют, в отличие от бокситов, весьма крупные месторождения и создают практически неограниченные возможности для развития .

  Физические и химические свойства. А. сочетает весьма ценный комплекс свойств: малую плотность, высокие теплопроводность и электрическую проводимость, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Он легко поддаётся ковке, штамповке, прокатке, волочению. А. хорошо сваривается газовой, контактной и др. видами сварки. Решётка А. кубическая гранецентрированная с параметром а =4,0413 . Свойства А., как и всех металлов, в значительной степени зависят от его чистоты. Свойства А. особой чистоты (99,996% ): плотность (при 20°С) 2698,9 кг/м ³, t _пл660,24°С; t _kипоколо 2500°С: коэффициент термического расширения (от 20° до 100°С) 23,86•10 ^-6; теплопроводность (при 190°С) 343 вт/м• К(0,82 кал/см• сек• °С) ,удельная теплоёмкость (при 100°С) 931,98 дж/кг К (0,2226• кал/г•°С) ;электропроводность по отношению к меди (при 20°С) 65,5%. А. обладает невысокой прочностью (предел прочности 50-60 Мн/м ²) ,твёрдостью (170 Мн/м ²по Бринеллю) и высокой пластичностью (до 50% ). При холодной прокатке предел прочности А. возрастает до 115 Мн/м ²,твёрдость - до 270 Мн/м ²,относительное удлинение снижается до 5% (1 Мн/м ²» 0,1 кгс/мм ²) .А. хорошо полируется, анодируется и обладает высокой отражательной способностью, близкой к серебру (он отражает до 90% падающей световой энергии). Обладая большим сродством к кислороду, А. на воздухе покрывается тонкой, но очень прочной плёнкой окиси Al ₂O ₃, защищающей металл от дальнейшего окисления и обусловливающей его высокие антикоррозионные свойства. Прочность окисной плёнки и защитное действие её сильно убывают в присутствии примесей ртути, натрия, магния, меди и др. А. стоек к действию атмосферной коррозии, морской и пресной воды, практически не взаимодействует с концентрированной или сильно разбавленной азотной кислотой,с органическими кислотами, пищевыми продуктами.

  Внешняя электронная оболочка А. состоит из 3 электронов и имеет строение 3 s ²3р.