Алюминий — что это за металл, свойства и сферы применения

Алюминий — материал, который встречается повсеместно в бытовой технике, кухонной посуде, стройматериалах, автомобилях, самолетах и так далее. Но что представляет собой этот металл, какими свойствами обладает, как применяется в промышленности — вместе с Profbau ответим на важные вопросы об этом химическом элементе.

Общая характеристика алюминия

Самый распространенный металл на Земле — не железо, а алюминий (Al). В земной коре его массовая концентрация равна около 7,5–8%. Среди химических элементов занимает третье место по распространенности.

Вещество Al является химически активным. Поэтому в природе чистый металл не встретить. Он находится в различных группах соединений: бокситах, алунитах, полевом шпате, глине.

На заметку. Корунды, к которым относят рубины и сапфиры — это соединения Al. Полудрагоценный камень александрит относится к хризобериллам и также содержит Al.

Алюминиевые соединения содержатся в природной воде — это фториды алюминия. Вещества относятся к категории слабых токсинов. Их концентрация мала — 0,001 мг/л. Однако в некоторых пресных водоемах концентрация может возрастать до 10 мг/л.

После восстановления в Al содержится медь, железо, титан. От компонентов зависят свойства металла. Сплавы с высокой чистотой основного вещества хорошо проводят электроток и тепло, устойчивы к коррозии. Но и цена на такой металл будет высокой.

Еще одно отличие Al — легкая обработка. Заготовки из алюминиевого сплава можно варить, сверлить, резать, гнуть, шлифовать, фрезеровать. Кроме того, сплавы хорошо поддаются формовке. А чтобы материал получил максимальную устойчивость к ржавчине, окислению, его поверхность обрабатывают особым способом — анодируют.

Факты из истории. Датский физик Г. Эрстед в 1820-х годах проводил исследования, связанные с получением алюминия. И ученому удалось получить заветный металл. Для этого нужно было нагреть хлорид алюминия и амальгаму калия. При взаимодействии веществ произошло выделение нужного компонента.

Физические свойства алюминия

Металл легкий. Цвет — серебристо-белый с приятной матовой фактурой. К основным физическим свойствам Al относят:

температуру плавления — +658–660 градусов;

плотность — 2,7 г/см³;

высокую теплоемкость;

пластичность, что позволяет прокатывать материал в тонкие фольгированные листы, проволоку.

Al образует сплавы с большинством металлов.При соединении с кремнием получается силумин, а с медью и магнием — дюралюминий.

Что еще нужно знать об основных характеристиках материала:

Металл бывает разной степени очистки. Технический используется для получения разнообразных видов сплавов, производства металлопроката, проводников, кабелей, проводов. Алюминий высокой степени очистки применяется для производства микросхем, деталей специального назначения.

Благодаря высоким показателям электропроводности алюминий применяется в изготовлении электротоваров наравне с медью. Небольшая плотность позволяет использовать металл для кабелей, проводников.

При увеличении чистоты Al производители добиваются хороших показателей теплопроводности. Для снижения показателей в сплав добавляют марганец и магний, а для повышения — медь, серебро. Благодаря оптимальным показателям теплопроводности из алюминиевых сплавов производят радиаторные решетки автомобилей, батареи систем отопления.

Металл хорошо полируется, анодируется. Полированная поверхность эффективно отражает солнечные лучи.

Под действием кислорода алюминиевая поверхность покрывается прочной оксидной пленкой. Благодаря выделению оксида материал получает надежную защиту от поверхностной и сквозной коррозии, окисления.

Металл не вступает в реакцию с кислотой азота, органическими кислотами, солями, водой. Материал проявляет устойчивость к этим веществам, что позволяет его применять в рабочих условиях с агрессивной средой.

Несмотря на мягкость, Al остается прочным материалом, применение которого не ограничивается какой-либо сферой.

Химические свойства алюминия

Al в чистом виде — активное вещество, которое обладает восстановительными свойствами. Но чтобы металлвступил в реакцию, необходимо очистить его поверхность от оксидной пленки. Для очистки применяют соли аммония, горячие щелочные соединения, технологию амальгамирования, воздействие оловом, галлием.

При нагревании элемент взаимодействует со щелочами, кислотами, серой, галогенными соединениями. Без нагрева алюминийреагирует с йодом.

На заметку. В обычных условиях Al не вступает в реакцию с пресной и соленой водой. Поэтому металлподходит для производства лодок, катеров и других видов транспорта, спецтехники и оборудования, которым приходится взаимодействовать с водой.

Кроме того, алюминийвыступает в роли восстановителя. То есть он способен выделить другие металлыиз определенных соединений. Этот процесс называют алюминотермией.

В таблице мы указали, с какими веществами реагирует Al и что можно получить от этой реакции.

Вещество для взаимодействия	Результат реакции
Кислород	Оксидная пленка
Галогеновые соединения. Для получениявещества нагрев не требуется.	Хлорид, бромид
Фтор	Фторид
Сера	Сульфид
Азот	Нитрид
Углерод	Карбид

С металлическими соединениями и самими металлами алюминий реагирует только при нагреве температуры.

Растворить алюминий можно в серной и соляной кислоте. Реакция позволяет получить алюминиевые соли.

Как получить алюминий

Получение Al — поэтапная технология, которая требует большого потребления электроэнергии. Поэтому предприятия, занятые в производстве этого металла,строят рядом с электростанциями, которые могут дать нужное количество электричества.

Вещество выделяется под действием электролиза Al3O2. При этом оксид должен быть растворен в расправленном Na3AlF6. Криолит позволяет понизить температуру расплавленного состава.

Какие бывают соединения алюминия

Существует более 30 видов алюминиевых соединений, которые по-разному проявляютсебя в зависимости от назначения и рабочих условий. Например, алюминиевая пудра, гидрид, боранат, триметилалюминий — компоненты самолетного и ракетного топлива. Эти вещества способны воспламеняться при взаимодействии со свободным кислородом.

Фториды и фосфаты Al задействованы в изготовлении стекла. Также к соединениям, которые часто применяют в производстве, относят алюмокалиевые и алюмонатриевые квасцы, силикаты, гибриды, хлораты, карбиды и так далее.

А вот нитраты, хлориды, ацетаты и сульфаты — ядовитые вещества. Они способны накапливаться в воде и пище. При повышении предельно допустимой нормы вызывают у человека и животных токсическое отравление, поражают центральную нервную систему, приводят к патологии почек, мочеполовой системы.

Алюминиевые сплавы

В промышленности не используют чистый металл, а применяют сплавы на основе Al.

В таблице мы рассмотрели две категории, на которые разделяют алюминиевые сплавы.

Свойства	Деформируемые	Литейные
Сплав	Дюралюминий. В состав входит марганец, который повышает стойкость материала к ржавчине. Листовой металлопрокат дополнительно покрывают слоем алюминия высокой очистки. Авиаль. Пластичный материал, который уступает в прочности дюралюминию.	В составе литейных алюминиевых сплавов содержится большое количество легирующих элементов: хром, никель и другие.
Способы обработки	Ковка, прессование, прокатка. Некоторые сплавы хорошо свариваются, могут легко обрабатываться режущими инструментами.	Литье, ковка, штамповка, сварка.
Характеристики	Пластичность, прочность, устойчивость к воздействию повышенной температуры.	Текучесть, стойкость к ржавлению, появлению трещин при нагреве.
Применение	Металлопрокат: листы, прутки, трубы разного диаметра с квадратным, прямоугольным, круглым сечением. Металлоконструкции для самолетов, которые при эксплуатации воздушных судов подвергаются воздействию температуры свыше +100 градусов.	Корпусы автомобилей, спецтехники, промышленного оборудования, бытовой техники, электроприборов. Фасонные отливки.

Алюминий: область применения

Благодаря своим свойствам этот металл применяется во всех сферах промышленности.

Производство транспорта

Для конструирования самолетов применяют термоупрочняемые деформируемые сплавы Al, в составе которых большое количество цинка, меди. Металл должен быть прочным, устойчивым к перепадам температуры.

Для гидросамолетов используют металлы с содержанием магния.

Для производства космических шаттлов, спутников выбирают марочный алюминий 2219. Его особенность в том, что он выдерживает криогенное состояние. Может контактировать с жидким гелием, кислородом. Материал должен выдерживать воздействие условий открытого космоса.

Морские и речные суда также изготавливаются из алюминиевых сплавов, которые пришли на смену стали. Во-первых, Al — легкий металл, поэтому уменьшает вес конструкции. Во-вторых, подходит для корпусов, гидролокационного оборудования, систем коммуникаций, надпалубных конструкций.

В производстве железнодорожных подвижных составов также используют алюминий. Например, в алюминиевых цистернах перевозят технические и пищевые масла, продукты нефтепереработки, топливо, сырую нефть. Цистерны выдерживают воздействие агрессивной среды. Их поверхность не окисляется, не ржавеет.

Алюминиевые сплавы применимы и в автомобилестроении. Производители изготавливают кузовные детали, запчасти, элементы электроники и так далее.

Металлургия

В металлургической промышленности алюминий служит эффективным восстановительным элементом, который необходим для получения хрома и кальция. Алюминиевые порошки позволяют раскислять сталь. При переплавке железа из него удаляют соединения кислорода, которые снижают прочность металла.

Также из качественного алюминия производят металлопрокат: листы, круги, шестигранники, швеллеры, уголки, трубы разного диаметра и формы сечения, проволоку и другие виды проката.

Химическая и нефтеперерабатывающая промышленность

Из алюминиевых сплавов изготавливают емкости, резервуары для хранения химикатов, нефтепродуктов, технических жидкостей. Кроме того, производят насосы, компрессоры, бурильные установки.

Производство электротехники

В электротехнической промышленности из Al изготавливают проводники, кабели, провода, которые по свойствам электропроводности не уступают меди, а стоят дешевле.

Изготовление товаров бытового назначения

Из алюминиевых сплавов производят посуду, столовые приборы, тару для консерваций, пищевую фольгу, материалы для упаковки, бытовую электротехнику.

Фармацевтика

При добавлении в препараты вакцинирования соединений Al усиливается их действие. Также металл добавляют в лекарства, предназначенные для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта.

Применение алюминия в строительной сфере

Около 30% от общего количества мирового алюминиевого металлопроката используется в сфере строительства для возведения жилых комплексов, офисных центров, административных и общественных зданий, спортивных сооружений и так далее.

В многоэтажных бизнес-центрах, небоскребах каркас изготавливается из легкого алюминиевого металлопроката, а для облицовки применяется ударопрочное стекло. Конструкция получается прочной, устойчивой.

Строительство торговых центров, выставочных павильонов также невозможно без применения алюминиевого каркаса. Конструкции подходят для возведения крытых спортплощадок, аквапарков, бассейнов. При этом форма, высота здания может быть любой.

Почему Al так прочно закрепился в строительстве:

Каркас имеет малый вес, поэтому оказывает незначительное воздействие на фундамент. При одинаковой жесткости алюминиевые пластины (в сравнении со стальными) будут в несколько раз легче. Кроме того, использование фундамента меньшей глубины (так как не требуется дополнительное укрепление) позволяет удешевить строительство многоэтажных объектов. Если дом строится из стальных или железобетонных конструкций, то фундамент должен быть глубоким.

Материал поддается всем видам обработки. Детали каркаса можно сваривать, сверлить, резать и так далее.

Экструзионная обработка позволяет получать детали любой формы, что невозможно проделать с металлом или деревом.

Металл долго служит, устойчив к воздействию влаги, ультрафиолета, химикатов, коррозии. Выдерживает большие механические нагрузки, давление. Срок эксплуатации конструкций составляет до 100 лет и более.

Рабочая температура строительных металлоконструкций, при которых он сохраняет эксплуатационные свойства, составляет от –80 до +300 градусов.

Металл отличается огнестойкостью. Высокая температура не разрушает конструкции, изготовленные из Al.

Стройматериалы из алюминия идеально подходят для эксплуатации в условиях низких температур. Например, сайдинг и теплоизоляция из Al обеспечивают эффективную защиту от проникновения внутрь помещения холода. В сравнении с кирпичом и камнем толщиной до 200 мм сайдинг и алюминиевая теплоизоляция в четыре раза эффективнее держат тепло.

Кроме каркаса алюминиевые сплавы применяют для облицовочных стройматериалов: стеновых панелей для внутренней и внешней отделки, декоративной облицовки. Алюминий подходит и для изготовления водосточных труб, кровельных материалов.

Однако применение металла не ограничивается строительством домов. Из алюминиевых конструкций возводят разводные и пешеходные мосты, лестницы, перекрытия и так далее.

Факты из истории. Нью-Йоркский небоскреб Empire State Building был возведен в 30-х годах прошлого века. Это первое здание, в строительстве которого применялись алюминиевые металлоконструкции.
Еще один факт из истории Empire State Building — использование Al для внутренней отделки. Фрески на стенах небоскреба сочетают алюминиевые и золотые элементы.

Заключение

Заказать обработку алюминиевого металлопроката, производство металлоконструкций, деталей разного назначения, единичных опытных образцов и серийных металлоизделий можно в компании «Профбау».

Почему выбирают Profbau:

Большой выбор услуг: токарные, сварочные и фрезерные работы, лазерная резка, рубка и гибка, покраска, оцинковка, сверление, термообработка и штамповка — 24 вида обработкидля черного или цветного металлопроката.

Оказание услуг 3D-печати образцов и готовой продукции из металла. Работа с чертежами клиента. Создание проектов с нуля с учетом технологических требований.