Властивості алюмінію та області застосування в промисловості та побуті

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

"Властивості алюмінію та  області застосування в промисловості  та побуті"  
 
                              Зміст Вступ……………………………………………………………………………..

Розділ І. Загальні відомості про  алюміній……………………………………… 
1.1 Загальне визначення алюмінію ……………………………………….. 
1.2 Історія отримання алюмінію ……………………………………………. 
Розділ ІІ. Властивості алюмінію……………………………………………..

2.1 Властивості алюмінію……………………………………………………….

 Розділ ІІІ. Застосування алюмінію і його сплавів у промисловості та побуті 3.1Авіація ……………………………………………………………………… 
3.2 Суднобудування ………………………………………………………….. 
3.3 Залізничний транспорт ……………………………………………………….. 
3.4 Автомобільний транспорт ………………………………………………….. 
3.5 Будівництво………………………………………………………………………  
3.6 Нафтова та хімічна промисловість …………………………………………… 
3.7 Алюмінієвий посуд …………………………………………………………. 
Висновки…………………………………………………………………………….. 
Список використаних джерел ………………………………………………… 
 
                                                 Вступ

У своєму рефераті на тему "Властивості алюмінію та області застосування в промисловості і побуті" я хотів би вказати на особливість цього металу і його перевага перед іншими. Весь мій текст є доказом того, що алюміній метал майбутнього і без нього буде важким наше подальший розвиток.

1.1 Загальне  визначення алюмінію

Алюміній (лат. Aluminium, від alumen - галун) - хімічний елемент III гр. періодичної системи, атомний номер 13, атомна маса 26,98154. Сріблясто-білий метал, легкий, пластичний, з високою електропровідністю, tпл = 660 ° С. Хімічно активний (на повітрі покривається захисною оксидною плівкою). За поширеністю в природі займає 3-е місце серед елементів та 1-е серед металів (8,8% від маси земної кори). По електропровідності алюміній - на 4-му місці, поступаючись лише сріблу (воно на першому місці), міді і золота, що при дешевизні алюмінію має величезне практичне значення. Алюмінію вдвічі більше, ніж заліза, і в 350 разів більше, ніж міді, цинку, хрому, олова та свинцю разом узятих. Його щільність дорівнює всього 2,7 * 10 ³ кг / м ^3. Алюміній стійкий при температурах від - 269 ° С до точки плавлення (660 ° С). Теплопровідність складає при 24 ° С 2,37 Вт × см ^-1 × К ^-1. Електроопір алюмінію високої чистоти (99,99%) при 20 ° С становить 2,6548 × 10 ^-8 Ом × м, або 65% електроопору міжнародного еталона з обпаленого міді. Відбивна здатність полірованої поверхні становить більше 90%.  
 

1.2 Історія  отримання алюмінію 

Документально зафіксоване  відкриття алюмінію відбулося в 1825. Вперше цей метал отримав данський фізик Ганс Християн Ерстед, коли виділив  його при дії амальгами калія на безводний хлорид алюмінію (отриманий при пропусканні хлору через розжарену суміш оксиду алюмінію з вугіллям). Відігнавши ртуть, Ерстед отримав алюміній, правда, забруднений домішками. У 1827 німецький хімік Фрідріх Велер отримав алюміній у вигляді порошку відновленням гексафторалюміната калієм. Сучасний спосіб отримання алюмінію був відкритий в 1886 молодим американським дослідником Чарльзом Мартіном Холом. (З 1855 до 1890 було отримано лише 200 тонн алюмінію, а за наступне десятиліття за методом Холла в усьому світі отримали вже 28000т. Цього металу) Алюміній чистотою понад 99,99% вперше був отриманий електролізом в 1920р. У 1925 р. в роботі Едвардса опубліковані деякі відомості про фізичні і механічні властивості такого алюмінію. У 1938р. Тейлор, Уїллей, Сміт і Едвардс опублікували статтю, в якій наведено деякі властивості алюмінію чистотою 99,996%, отриманого у Франції також електроліз. Перше видання монографії про властивості алюмінію вийшло у світ в 1967р. Ще недавно вважалося, що алюміній як вельми активний метал не може зустрічатися в природі у вільному стані, проте в 1978р. в породах Сибірської платформи був виявлений самородний алюміній - у вигляді ниткоподібних кристалів завдовжки всього 0,5 мм (при товщині ниток кілька мікрометрів). У місячному грунті, доставленому на Землю з районів морів Криз і Достатку, також вдалося виявити самородний алюміній. Припускають, що металевий алюміній може утворитися конденсацією з газу. При сильному підвищенні температури галогеніди алюмінію розкладаються, переходячи в стан з нижчої валентністю металу, наприклад, AlCl. Коли при зниженні температури і відсутності кисню таке з'єднання конденсується, у твердій фазі відбувається реакція диспропорціонування: частина атомів алюмінію окислюється і переходить в звичне тривалентне стан, а частина - відновлюється. Відновитися ж одновалентних алюміній може тільки до металу: 3AlCl> 2Al + AlCl _3. На користь цього припущення говорить і ниткоподібна форма кристалів самородного алюмінію. Зазвичай кристали такої будови утворюються внаслідок швидкого зростання з газової фази. Ймовірно, мікроскопічні самородки алюмінію в місячному грунті утворилися аналогічним способом.  
 
                                  Розділ ІІ. Властивості алюмінію

2.1. Властивості алюмінію

Алюміній за розповсюдженням у земній корі займає третє місце ( після неметалічних елементів Оксигену і Сицилію). Серед металічних елементів за поширенням у природі він на першому місці, проте у вільному стані не трапляється. В природі зустрічається винятково у вигляді сполук, входить до складу 270 мінералів. Найбільш розповсюдженими з них є подвійні силікати (польові шпати, слюди та ін.) і продукти їх вивітрювання — глини. З подвійних силікатів найважливіші: калієвий польовий шпат або ортоклаз K[AlSi3O8], натрієвий польовий шпат або альбіт Na[AlSi3O8], кальцієвий польовий шпат або анортит Ca[Al2Si2O8], плагіоклаз (ізоморфні суміші кальцієвого і натрієвого польового шпату: олігоклаз, андезин, лабрадорит); слюди: біотит, мусковіт, цінвальдит і лепідоліт. Близькі до польових шпатів нефелін Na[AlSiO4] і лейцит K[AlSi2O6]. Відомі подвійні силікати кальцію і алюмінію — цоїзит, епідот і везувіан, подвійний силікат магнію і алюмінію — кордієрит. Силікат алюмінію Al2SiO5 зустрічається у вигляді мінералів: кіаніту, силіманіту і андалузиту. З алюмосилікатів, що містять флуор можна відмітити топаз Al2(OH, F)2[SiO4].

Оксид алюмінію зустрічається у  вигляді корунду і наждаку. Найважливіше джерело добування алюмінію —  боксит — складається з мінералів  беміту і діаспору AlOOH і гідраргіліту (гібситу) Al(OH)3 (найбільші родовища в Австралії, Бразилії, Гвінеї, Ямайці). Важливим мінералом алюмінію є також кріоліт Na3AlF6.

Алюміній — сріблясто-білий  з виразним металевим блиском  метал. Має густину 2,7 г/мс3 і температуру  плавлення 660 °C. Легкий, м'який, ковкий, легко піддається прокату і штампуванню. Алюміній має кубічну гранецентровану кристалічну ґратку.

Теоретична густина алюмінію обрахована за параметрами його кристалічної гратки становить 2,69872 г/см3. Експериментальні дані густини для полікристалічного алюмінію 99,996% чистоти становлять 2,6989 (при 20 °C) г/см3, а для монокристалів — на 0,34% вище.

Так, густина розплавленого  алюмінію чистотою 99,996% на 6,6% менше, ніж  у твердого металу, і при температурі 973 К складає 2357 кг/м3 і майже лінійно знижується до 2304 кг/м3 при температурі 1173 К.

Коефіцієнт термічного розширення α відпаленого алюмінію чистотою 99,99% при температурі 293 К  складає 23·10−6 і практично лінійно  зростає до 37,3·10−6 К−1 при температурі 900 К.

Теплопровідність повністю відпаленого алюмінію в твердому стані знижується з ростом температури від 2,37 (298 К) до 2,08 Вт·см−1·К−1 (933,5 К) і при температурах вище 100 К вона малочутлива до чистоти металу.

При нагріванні алюмінію і переході його з твердого стану в рідкий у нього різко зменшується теплопровідність: з 2,08 до 0,907 Вт·см−1·К−1, а далі з ростом температури вона збільшується і при температурі 1000 °C складає вже 1,01 Вт·см−1·К−1.

Питомий опір алюмінію високої чистоти (99,99%) при температурі 20 °C складає 2,6548·10−8. Електропровідність алюмінію сильно залежить від його чистоти, причому вплив різних домішок залежить не тільки від концентрації цієї домішки, а й від того чи вона знаходиться в твердому розчині чи поза ним. Найбільш сильно підвищують опір алюмінію домішки хрому, літію, мангану, магнію, титану і ванадію. Питомий опір ρ (мкОм·м) відпаленого алюмінієвого дротика в залежності від вмісту домішок (%) можна приблизно визначити за наступною формулою:

ρ = 0,0264 + 0,007Si + 0,0007Fe + 0,04(Ti + V + Cr +Mn)

При температурі 1,175 ± 0,001 К алюміній переходить в надпровідний стан.

Питомий опір алюмінію при  переході з твердого стану в рідкий стрибком зростає з 11 до 24 МкОм·см.

Температура плавлення  алюмінію дуже чутлива до чистоти  металу і для високо чистого алюмінію (99,996%) становить 933,4 К (660,3 °C), а температура початку кристалізації алюмінію за Міжнародною шкалою температур (1968 р.) вважається рівною 660,37 °C і використовується протягом десятків років для калібрування термопар. Підвищення зовнішнього тиску збільшує температуру плавлення алюмінію, і вона досягає 700 °C при тиску близько 100 МПа.

Температура кипіння  алюмінію становить приблизно 2452°C, прихована теплота плавлення  чистого алюмінію — 397 Дж·г−1, а прихована  теплота випаровування 9462Дж·г−1.

В'язкість алюмінію при  температурі плавлення становить 0,012 Па·с і збільшується при наявності  навіть невеликого вмісту твердих включень, наприклад, оксиду алюмінію і нерозчинних  домішок. З ростом температури в'язкість  знижується. Легуючі добавки Ti, Fe, Cu збільшують, а Si і Mg знижують в'язкість сплаву.

Алюміній належить до головної підгрупи третьої групи  періодичної системи елементів, його порядковий номер — 13. Електронна формула алюмінію — 1s22s22p63s23p1. На зовнішньому  енергетичному рівні знаходиться три валентних електрони, тому в хімічних сполуках алюміній зазвичай трьохвалентий. Менш характерні ступені окиснення +1 і +2, можливі тільки вище 800 °C в газовій фазі. Енергія іонізації алюмінію Al0 → Al+ → Al2+ → Al3+ відповідно дорівнює 5,984, 18,828, 28,44 еВ.

Алюміній — хімічно  активний елемент. У електрохімічному ряді напруг він стоїть поруч з  лужними і лужноземельними елементами. Його стандартний електродний потенціал  рівний −1,67 В.

При звичайних умовах алюміній легко взаємодіє з киснем повітря і вкривається тонкою (2·10−5 см), але міцною оксидною плівкою Аl2О3 (пасивація), яка захищає його від дальшого окислення, обумовлюючи цим високу корозійну стійкість, надає йому матового вигляду і сіруватого кольору. Однак при вмісті в алюмінію чи навколишньому середовищі ртуті, натрію, магнію, кальцію, силіцію, міді і деяких інших елементів міцність оксидної плівки і її захисні властивості різко знижуються.

При 25 °C алюміній реагує з хлором, бромом, йодом утворюючи  відповідно хлорид алюмінію AlCl3, бромід алюмінію AlBr3, йодид алюмінію AlI3, при 600 °C — з фтором утворюючи фторид алюмінію AlF3.

Порошкоподібний алюміній при температурі вище 800 °C утворює  з азотом нітрид алюмінію. При взаємодії  атомарного водню з парами алюмінію при −196 °C утворюється гідрид (AlH)x (x=1, 2). Вище 200 °C алюміній реагує з сіркою даючи сульфід Al2S3. З фосфором при 500 °C утворює фосфід AlP. При взаємодії розплавленого алюмінію з бором утворюються бориди AlB2, AlB12. При 1200 °C алюміній реагує з вуглецем утворюючи карбід алюмінію Al4C3. В присутності розплавлених солей (кріоліт та ін.) ця реакція протікає при меншій температурі — 1000 °C

З рядом металів і  неметалів алюміній утворює сплави, в яких містяться інтерметалічні сполуки — алюмініди, зазвичай досить тугоплавкі і володіють високою твердістю і жаростійкістю.

Механічні властивості  алюмінію в значній мірі залежать від кількості домішок в ньому, його попередньої механічної обробки  і температури. З збільшенням  вмісту домішок міцнісні властивості  алюмінію зростають, а пластичність зменшується, причому ці властивості проявляються навіть при невеликій зміні чистоти алюмінію від 99,5 до 99,00%. При охолодженні нижче 120 К міцнісні властивості алюмінію на відміну від більшості металів зростають, а пластичні не змінюються.

Основні механічні властивості алюмінію характеризуються такими показниками:

• модуль пружності (Юнга) E — відношення прикладеного зусилля до лінійної деформації в межах пружньої ділянки розтягу. Для алюмінію чистотою 99,25% при кімнатній температурі він дорівнює 710 МН/м2, а для алюмінію чистотою 99,98% тільки 670 МН/м2;
• стискуваність алюмінію характеризується зміною об'єму при високому тиску (V) до об'єму при нормальному тиску (V0).
• твердість за Брінелем для відпаленого алюмінію становить 170 МПа, для холоднокатаного — 270 МПа;
• границя міцності σм — напруження, відповідне найбільшому навантаженню перед руйнуванням, при кімнатній температурі для алюмінію чистотою 99,99% становить 4,5; 99,8% — 6,3; 99,7% — 6,7; 99,6% — 0,7 МН/м2;
• відносне видовження характеризує пластичність алюмінію і при кімнатній температурі для відпаленого алюмінію чистотою 99,5% становить 45%, а при чистоті алюмінію 99,99% — 61%, збільшуючись при температурі 427 °C до 131%. Для холоднокатаного алюмінію відносне видовження становить 5,5% при кімнатній температурі.

 

Розділ ІІІ. Застосування алюмінію і його сплавів у промисловості  та побуті

3.1 Авіація

Сучасна авіаційна техніка - це техніка для тривалої експлуатації (понад 40 000 льотних годин). Її вироби знаходяться під впливом циклічних  навантажень, температури та атмосферного середовища. Через сильний аеродинамічного нагріву матеріал обшивки і окремі елементи нагріваються до дуже високої температури при надзвукових швидкостях до 153 С і при гіперзвукових - до 390 С. Останнім часом не без підстави віддають перевагу матеріалам середньої міцності при високих значеннях їх пластичності.  
При виборі матеріалу однієї з найважливіших експлуатаційних характеристик для польотних конструкцій є статистична витривалість і втомна міцність. Невисокі значення втомної міцності алюмінієвих сплавів - один з основних недоліків при використанні їх у деталях, підтверджених високим динамічним навантаженням.  
Матеріали, застосовувані в літакобудуванні, повинні також мати високі корозійними властивостями: при цьому контакт матеріалу з навколишнім середовищем (атмосферою) слід розглядати з урахуванням температурно-часового чинника. Надзвукова авіація, поряд із переліченими, висуває додаткові, більш жорсткі вимоги до матеріалів: працездатність при підвищених акустичних навантаженнях, повзучість і її вплив на зміну геометричних розмірів конструкції в процесі експлуатації (з урахуванням тривалості ресурсу), рівень температурних і втомних напружень, які виникають в конструкції при польоті на надзвукових швидкостях.  
У Росії при виготовленні авіаційної техніки успішно використовуються зміцнюється термічною обробкою високоміцні алюмінієві сплави Al-Zn-Mg-Cu та сплави середньої і підвищеної міцності Al-Mg-Cu. Вони є конструкційним матеріалом для обшивки і внутрішнього сплавного набору елементів планера літака (фюзеляж, крило, кіль і ін.)  
При виготовленні гідролітаків передбачено застосування зварюються корозійно-стійких магнолієвих сплавів (Aмг 5, АМГ 6) і сплавів Al-Zn-Mg (1915, В92, 1420). Планер легкого літака (фюзеляж, крила і хвостове оперення), як правило, виготовляються з алюмінієвого сплаву Д16.  
У конструкції літаків цивільного флоту використовують переважно сплави Д16, Д19, В95, В96 в якості матеріалів для фюзеляжу, даху і кіля. Обшивка верхній поверхні крила виконується зі сплавів типу В95, добре працюють на стиск. Деталі розтягнутої зони крила і обшивка фюзеляжу, допоміжні лонжерони і неровори виготовляються з високоміцного сплаву типу Д16, В95. Сплави ці рекомендуються для силових деталей, які сприймають великі експлуатаційні навантаження. Пресовані напівфабрикати зі сплавів В95 і В96 надходять на виготовлення кіля великогабаритних літаків. Обшивка в зоні двигуна, піддається нагріванню, в основному, виготовляються із сплавів Д16, Д19.  
Конструкція надзвукових літаків при швидкостях польоту понад 2,2 М піддається аеродинамічному нагріванню до 120оС і значним перевантаженням. Основним матеріалом в конструкції літака даного типу є сплав АК4-1.  
 
3.2 Суднобудування