Алюминий: производство и применение

Алюминий и сталь являются наиболее распространенными металлическими материалами. Однако только в конце 19 века алюминий стал способен экономически конкурировать со сталями в технических промышленных проектах. Что делает алюминий таким востребованным материалом?

Рисунок 1.1 – Содержание алюминия в земной коре [5]

Все об алюминии: Encyclopedia of Aluminum and Its Alloys, Two-Volume Set (2019)

Важнейшие свойства

Алюминий предлагает широкий спектр свойств, которые легко находят ему применение во многих конкретных технических проектах. Это обеспечивается широким выбором сплавов, их состояний и технологии изготовления. Свойства алюминия и его сплавов, которые дают им широкое применение включают следующие:

• Легкий. Их плотность составляет только одну треть от плотности стали.
• Доступен в широком интервале величин прочности. От пластичного и мягкого  технически чистого алюминия до высокопрочных сплавов с пределом прочности на растяжение до 690 МПа.
• Высокая удельная прочность, то есть прочность на единицу массы.
• Ссохраняет свою прочность при низких температурах и часто применяется в криогенных условиях.
• Имеет высокое сопротивление коррозии в большинстве условий эксплуатации. При этом, в отличие от стали, он не образует продуктов коррозии, которые портят внешний вид изделий и конструкций
• Хороший проводник тепла и электричества.
• Высокая отражательная способность.
• Немагнитный. Это свойство является важным в электротехнической и электронной промышленности.
• Не является самовоспламеняющимся. Это важно при работе с воспламеняющимися или взрывчатыми материалами.
• Нетоксичный. В большом количестве он применяется в качестве контейнеров для продуктов и напитков.
• Привлекательный внешний вид в своем естественном виде. Его естественная поверхность может быть обработана до матовой, блестящей или зеркальной. Легко поддается  нанесению защитно-декоративных покрытий, например, анодированию или порошковой окраске.
• Легко и многократно подвергается вторичной переработке, то есть переплавке и изготовлению новой готовой продукции. Это дает большие экономические и экологические выгоды.
• Легко обрабатывается. Алюминий можно формовать и обрабатывать всеми известными методами обработки металлов, а также способами их соединения.  

Прочность

Прочность при растяжении

Промышленный чистый алюминий имеет прочность при растяжении около 90 МПа. Поэтому полезность нелегированного алюминия как конструкционного материала в значительной степени ограничена. После обработки металла, например, холодной прокаткой, его прочность может быть увеличена в 1,5-2 раза (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Влияние холодной деформации (нагартовки)
на прочностные и пластические свойства марки алюминия 1050 [5]

Намного большее увеличение прочности может быть получено путем легирования алюминия не большими количеством одного и нескольких других элементов, таких как, марганец, кремний, медь, магний или цинк. Подобно чистому алюминию некоторые сплавы также можно упрочнять путем холодной пластической обработки. Другие сплавы получают свою высокую прочность путем их термического упрочнения (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Сравнение прочности характерных алюминиевых сплавов и низкоуглеродистой стали [5]

На рисунке 1.3 показаны уровни прочности характерных алюминиевых сплавов в сравнении со сталями, титановыми сплавами и магниевыми сплавами.

Рисунок 1.3 – Сравнение прочности при растяжении
алюминия и алюминиевых сплавов
с основными конкурирующими металлами [1]

Удельная прочность

Алюминий имеет плотность только 2,7 грамма на кубический сантиметр по сравнению с 7,9 для сталей, 8,93 для меди и 8, 53 для латуни. Важной характеристикой для конструкционных материалов является их удельная прочность, то есть отношение их прочности к массе (рисунок 2).

Рисунок 2 – Сравнение удельной прочности
алюминия и алюминиевых сплавов
с основными конкурирующими конструкционными металлами [1]

Промышленный металл

Революционная технология электролитического восстановления оксида алюминия (Al₂O₃), растворенного в расплавленном криолите, была независимо открыта в 1886 году американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру. Это событие совпало с тремя не менее революционными прорывами в технике [1]:

• Как раз в это время появились первые транспортные средства на двигателях внутреннего сгорания и ценность алюминия, как конструкционного материала, резко возросла.
• Во-вторых, электрификация потребовала огромного количества легкого электропроводного материала для передачи электроэнергии на большие расстояния и строительства опор для поддержки электрических кабелей.
• В третьих, братья Райт, в те же времена дали толчок развитию новой отрасли промышленности – самолетостроению, в которой алюминий был просто не заменим. Из алюминия изготавливали самолетные рамы, двигатели и другие детали и агрегаты. Вслед за самолетами появились ракеты, а затем и космические аппараты, в которых легкий алюминий является основным конструкционным материалом.

Первичный алюминий

Процесс

Современный процесс производства слитков первичного алюминия показан на рисунке 3.1. Метод Байера применяется для превращения боксита в оксид алюминия, который в алюминиевой промышленности называют глиноземом (верхняя часть рисунка 1). Затем глинозем восстанавливают до металлического алюминия методом Холла-Эру (нижняя часть рисунка 1).

Рисунок 3.1 – Схема производства первичного алюминия:
от исходных бокситов до готового алюминия [2]

• Из исходной руды – бокситов – получают обогащенное сырье – глинозем.
• Глинозем растворяют в ванне с криолитом и добавками различных солей фтора, чтобы контролировать температуру ванны, плотность, электрическое сопротивление и растворимость глинозема.
• Затем через ванну пропускают электрический ток, чтобы путем электролиза разделить оксид алюминия – глинозем –  на кислород и алюминий.
• Образующийся кислород реагирует с графитовыми анодами, а жидкий алюминий собирается на дне этого электролизного агрегата, которое служит в этом процессе катодом (рисунки 4.1 и 4.2).
• Жидкий алюминий периодически откачивают с помощью сифона или специальных вакуумных агрегатов в накопительные печи и передают далее на разливку слитков.

Рисунок 3.2 – Производство глинозема – метод Байера [5]

Рисунок 4.1 – Функциональная схема выплавки первичного алюминия [3]

Рисунок 4.2 – Поперечное сечение электролитической ячейки [5]

Неизбежные примеси

Основными примесями выплавленного первичного алюминия являются железо и кремний, однако цинк, галлий, титан и ванадий обычно всегда присутствуют в том иди другом количестве. Чистота алюминия оценивается максимально допустимым количеством примесей. Например, алюминий 99,70 % содержит не более 0,30 % примесей.

Рафинирование алюминия

Чтобы получить более высокие степени чистоты алюминия применяют специальные технологии. Чистоту 99,99 % достигают путем зональной плавки или обработки жидкого алюминия методом Хупса (Hoopes).

Метод очистки Хупса

Метод Хупса – это трехслойный электролитический процесс, в котором применяют расплавленную соль с плотностью более высокой, чем у жидкого алюминия (рисунок 5). Комбинацией этих двух методов очистки можно достигать чистоты алюминия 99,999 %.

Рисунок 5 – Печь для рафинирования алюминия по методу Хупса [3]

Нижний слой служит в качестве анода. Он состоит из рафинированного (очищенного) алюминиевого сплава с медью. Медь вводится для того, чтобы увеличить плотность нижнего слоя. Средний слой – это расплавленный электролит. Его плотность ниже, чем плотность анодного сплава и выше, чем плотность уже очищенного алюминия, который “плавает” сверху электролита.

Очистка алюминия происходит за счет растворения примесей на аноде в результате электрохимических реакций.

Очистка алюминия зонной плавкой

Принцип зонной плавки заключается в повторяемых проходах зоны плавления вдоль алюминиевого слитка. Примеси, которые снижают точку плавления алюминия, скапливаются в зоне плавления и постепенно перемещаются к концу слитка. К таким примесям относятся, например, олово, бериллий, кальций, железо, кобальт, никель, магний, медь, кремний, цинк. Примеси, которые повышают точку плавления, концентрируются в начале слитка. К таким примесям относятся, например, хром, титан, молибден, ванадий. Марганец не изменяет температуру плавления и поэтому не двигается под воздействием зоны плавления. Зонной плавкой достигают чистоты алюминия 99,9999 % [2].

Вторичный алюминий

Источником для вторичного алюминия является алюминиевый лом и отходы алюминия во всех формах и видах изделий, а также шлаки и другие отходы алюминиевых литейных производств. Первичное и вторичное производство алюминия тесно связаны. Многие алюминиевые сплавы, деформируемые и литейные, предполагают наличие различных примесей, которые могут присутствовать во алюминиевом ломе и алюминиевых технологических отходах. В последние десятилетие применение алюминиевых отходов при производстве различной алюминиевой продукции неизменно возрастает. Примером этого является производство алюминиевого листа для производства банок для упаковки пива и прохладительных напитков.

Рисунок 6 – Алюминиевый лом: банки для упаковки пива и напитков

Подробно о алюминиевом ломе и вторичном алюминии:

Handbook of aluminium recycling /Ch. Schmitz – 2014

Aluminium recycling /M. Schlesinger – 2017

Алюминиевые сплавы

Чем легируют алюминий

Чистый алюминий имеет очень низкую прочность и его применение как конструкционного материала весьма ограничено.

Когда в алюминий добавляют другие элементы — легирующие элементы — он повышает свою прочность благодаря различным упрочняющим механизмам.

Алюминий, в принципе,  возможно легировать большинством металлических элементов. Однако только некоторые из них имеют достаточную растворимость в твердом состоянии, чтобы быть основными легирующими элементами.

Наиболее важными легирующими элементами алюминия являются:

• медь;
• марганец;
• магний;
• кремний и
• цинк.

Вместе с тем, значительное число других элементов оказывают заметный эффект на улучшение свойств алюминиевых сплавов. Их добавляют в небольших количествах. Эти элементы включают хром, тот же марганец и цирконий, которые применяют в основном для контроля зеренной структуры.

Максимальная растворимость легирующих элементов в алюминии обычно, но не всегда,  достигается при эвтектической температуре.  Растворимость легирующих элементов в твердом алюминии снижается со снижением температуры. Это изменение растворимости в твердом алюминии является основой для упрочнения алюминиевых сплавов за счет механизма старения.

Откуда железо в алюминии

Все промышленные сплавы содержат примерно от 0,1 до 0,4 % железа (по массе). Обычно железо в алюминиевом сплаве считается примесью. Его содержание зависит от исходной руды и технологии электролиза при его выплавке. Иногда железо добавляют намеренно для придания материалу особых свойств, например, до 1 % в сплавах для изготовления алюминиевой фольги.

Для чего добавки в алюминии

В комбинации с одним или более основными легирующими элементами часто применяют дополнительные элементы:

• висмут,
• бор,
• хром,
• свинец,
• титан и
• цирконий.

Эти элементы обычно применяют в малых количествах, как правило, до 0,1 %. Однако в некоторых алюминиевых сплавах содержание бора, свинца и хрома может достигать 0,5 %. Благодаря этим малым добавкам сплавы получают необходимые свойства для конкретных условий, такие как, хорошая текучесть при литье, высокое качество механической обработки, теплостойкость, коррозионная стойкость, высокая прочность.

Категории алюминиевых сплавов

Удобно разделять алюминиевые сплавы на две основных категории:

• литейные сплавы и
• деформируемые сплавы.

В каждой из этих категорий дальнейшее разделение основано главном механизме, который отвечает за формирование их свойств – термически упрочняемые сплавы и термически неупрочняемые сплавы. Сплавы последней группы получают свои конечные свойства в результате деформационной обработки – нагартовки. Поэтому иногда их называют более позитивно — деформационно упрочняемые или даже «нагартовываемые».

О сплавах 6060, 6063, АД31

«Рулят» в мировом производстве алюминиевых профилей сплавы серии 6ххх — алюминиевые сплавы легированные магнием и кремнием — каждым по около одного процента. Европейский стандарт EN 573-3 насчитывает их около 30 штук. Из этих тридцати сплавов наиболее широко применяются алюминиевые сплавы:

• 6060 и
• 6063, а также
• 6005А,
• 6061 и
• 6082.

Из этих пяти сплавов в мире изготавливается более 90 % всех прессованных алюминиевых профилей.

Рисунок 7 – Популярные алюминиевые сплав серии 6ххх

Зарубежные алюминиевые сплавы

В настоящее время общепризнанной является система обозначений алюминиевых сплавов, которая была введена  Американской Алюминиевой Ассоциацией (AA). Этой системы придерживаются и международные стандарты ISO, и европейские стандарты EN.

Каждый деформируемый сплав обозначается сочетанием четырех цифр, например, 2024. Первая цифра обозначает серию сплавов. Каждая из семи серий сплавов имеет один или два основных легирующих элементов. Например, в случае сплава 2024 из серии 2ххх – это медь.

Обозначения литейных сплавов также состоит из четырех цифр, однако между третьей и четвертой цифрами стоит точка, например,  380.0.

В России и других странах СНГ наряду с международной системой обозначений широко применяется и традиционная система буквенно-цифровая обозначений алюминиевых сплавов, например, АД31.

(Очень подробно и понятно об алюминиевых сплавах: Aluminum and Aluminum Alloys / ed. J.R. Davis – ASM International, 1993)

Некоторые свойства

Механические свойства

Технология изготовления алюминиевого изделия определяет не только его форму, но также и микроструктуру его материала. В свою очередь, микроструктура определяет  свойства изделия.

Некоторые свойства алюминия незначительно зависят от химического состава и технологии изготовления. Примерами таких характеристик являются:

• модуль Юнга (70 ГПа),
• плотность (2700 кг/м3) и
• коэффициент линейного термического расширения (24×10-6 м/(м·К).

Большинство других свойств очень чувствительны к микроструктуре материала и химическому составу. Эти свойства естественным образом делятся на четыре категории:

• прочность, пластичность и формуемость – объемные свойства;
• усталостная прочность и вязкость разрушения – локальные свойства;
• стойкость к высоким температурам и сопротивление ползучести – термомеханические свойства;
• коррозионная стойкость, сопротивление износу и качество поверхности – поверхностные свойства.

Химический состав сплава, способ формования изделия (литье, горячая прокатка, холодная прокатка, прессование, ковка) и термическая обработка все вместе определяют микроструктуру, а от микроструктуры, в свою очередь, зависят указанные выше свойства.

Конструктор алюминиевого изделия или детали должен быть знаком с закономерностями этих зависимостей. Он должен рассматривать микроструктуру материала изделия как важную часть проектирования. Это даст ему возможность «заказывать» у металлургов самый подходящий алюминиевый сплав с оптимальной микроструктурой.

Таблица 1 – Плотность и модуль упругости различных промышленных металлов [4]

 

Таблица 2 – Сравнение физических свойств деформируемых алюминиевых сплавов
с соответствующими свойствами чистого алюминия 99,99 %
(в квадратных скобках – цифровые обозначения сплавов) [4]

Температура плавления

Температура плавления алюминия очень чувствительна к его чистоте. Температура плавления сверхчистого алюминия 99,996 % составляет 660,37 °С. При содержании алюминия 99,5 %  плавление начинается при температуре 657 °С, а при содержании алюминия 99,0 % — при 643 °С.

Коррозия алюминия

Алюминий сопротивляется коррозии в виде постоянного окисления, которое у сталей называют ржавлением. Свежая алюминиевая поверхности мгновенно реагирует с кислородом и образует алюминиевом изделии прочную инертную пленку толщиной всего в несколько нанометров. Эта пленка блокирует дальнейшее окисление алюминия. Кроме того, в отличие от слоя ржавчины на стали, эта пленка не отслаивается хлопьями с обнажением свежей поверхности для окисления. Напротив, любая царапина на алюминий мгновенно залечивается сама собой.

Алюминиевая продукция

Виды продукции

Алюминий и его сплавы могут отливаться или формоваться в готовые изделия и полуфабрикаты практически любым из всех известных технологических процессов, применяемых для металлов. По их форме изделия делят на стандартные и «по чертежам заказчика».

Первые включают:

• листы,
• плиты,
• фольгу,
• прутки,
• проволоку,
• трубы и
• стандартные профили (уголки, тавры, двутавры и тому подобное).

Изделия «по чертежам заказчика» (по-английски их называют «engineered products») разрабатываются для какого-то специального применения и включают:

• прессованные профили,
• поковки,
• отливки,

а также в значительно меньших количествах изделия:

• порошковой металлургии,
• ударного прессования и других.

Около половины из них приходится на листы, плиты и фольгу, около 20 % — на прессованные профили и трубы.

Экструзия алюминия

Экструзия (или, более официально, по-русски и привычно, «прессование») алюминия и его сплавов — это процесс пластического деформирования, при котором заготовку, обычно часть круглого слитка («столба»), продавливают или выдавливают через одно или несколько отверстий матрицы – специального прессового инструмента.  Для этого применяют специальное оборудование – экструзионные прессы, как правило, гидравлические, которые обеспечивают на штоке (пресс-штемпеле, пуансоне), который непосредственно «давит, прессует» заготовку, усилие от 500 до 4000 тонн, а иногда и больше, в зависимости от назначения и производительности пресса.

Подробная информация об экструзии алюминия:

Aluminum Extrusion Technology / P. Saha

Extrusion of Aluminium Alloys / T. Sheppard

Алюминиевые отливки

Алюминиевые отливки обычно производят следующими методами:

• литье под давлением;
• литье в постоянные формы (литье в кокили);
• литье в песчаные формы;
• литье в гипсовые формы;
• литье в расплавляемые формы.

Эти процессы включают различные варианты и разновидности, такие как вакуумные технологии, литье под низким давлением, центробежное литье.

Рисунок 8 – Литье алюминиевых колесных дисков

Все о литье алюминия и алюминиевых сплавов:
Aluminum Alloy Castings: Properties, Processes And Applications – J. Gilbert Kaufman, Elwin L. Rooy

Алюминиевые поковки

Алюминиевые поковки производят созданием пластического течения металла путем приложения к нем кинетических, механических или гидравлических усилий в открытой или закрытой матрице. Поковки, выполняемые вручную, имеют простые геометрические формы – прямоугольники, цилиндры, диски. Более сложные формы куют в закрытых формах

Обработка поверхности алюминия

Натуральная металлическая поверхность алюминия является эстетически привлекательной для многих изделий и без дополнительной обработки. Это натуральное защитное оксидное покрытие является прозрачным и его можно сделать толще путем анодирования. Этим достигается дополнительная защита поверхности без ущерба для внешнего вида изделия.

Категории

Алюминий позволяет применять большое количество способов обработки его поверхности.  Типы обработки поверхности разделяют на четыре широкие категории:

• механические,
• химические,
• электролитические покрытия и
• неэлектролитические покрытия.

Одни из них изменяют ее внешний вид, другие дают поверхности заданные свойства, например, коррозионную стойкость. Механически и химически можно создавать различную текстуру поверхности: от грубой до зеркально гладкой.

Анодирование

Анодирование алюминия дает возможность сделать естественную поверхность матовой или цветной.  Технология анодирования алюминия включает применение различных электролитов и электрических параметров — напряжения и силы тока (рисунок 9).

Рисунок 9 – Принцип анодирования алюминия

Окраска

Для алюминия широко применяют различные методы окраски: от нанесения «мокрой» краски до порошковой окраски (рисунок 10) и электролитического нанесения покрытий из других металлов.

 

Рисунок 10 – Вертикальная порошковая окраска алюминиевых профилей

Применение

Главные рынки алюминиевой продукции

• Строительство зданий и сооружений
• Транспортная отрасль
• Производство товаров для дома и спорта
• Электротехническая промышленность
• Машиностроение
• Много алюминия идет на упаковку различных жидких и сыпучих продуктов; это, в том числе,  фольга, алюминиевые банки и бутылки
• Изготовление велосипедных рам. Алюминиевые велосипедные рамы изготавливают главным образом из алюминиевых сплавов 6061 и 7005. Реже применяют некоторые другие алюминиевые сплавы, например, 7075 и 2014, более прочные, чем оба сплава 6061 и 7005.

Морской алюминий

В конструкциях морских судов, а также сооружений на морском берегу и в открытом море, применяются следующие виды изделий из деформируемых алюминиевых сплавов:

• листы,
• плиты,
• профили,
• трубы и
• прутки.

Рисунок 10 – Алюминиевая яхта Стивена Джобса

В этих изделиях применяют специальные сплавы — часто их красиво называют морским алюминием. «Морские» алюминиевые листы и плиты производятся методами как холодной, так горячей прокатки. Алюминиевые профили, прутки и трубы могут производиться методами прессования, прокатки или волочения.

Источники:

1. Corrosion of Aluminum and Aluminum Alloys – ASM Speciality Handbook /ed. J.R. Davis, 1999
2. Aluminum Electrical Conductor Manual – Aluminum Association, 1989.
3. Handbook of Aluminum, Volume 1 – Physical Metallurgy and Processes / ed. George E. Totten, D. Scott MacKenzie, 2003.
4. Материалы Алюминиевой ассоциации Германии
5. TALAT 1101