Применение алюминия

admin 23291 Views

Где и как применяют алюминий?

В наше время в мире производится более 50 миллионов тонн алюминия в год, например, в 2008 году по данным американской Алюминиевой Ассоциации – 53 миллиона тонн.

Куда же идет весь этот алюминий?
В каких отраслях промышленности применяется?
Где мы с ним сталкиваемся в повседневной жизни?

Потребление алюминия на душу населения

Душевое потребление алюминия в развитых странах мира по состоянию на 1997 года показано на рисунке ниже.

Потребление алюминия на душу населения в Японии, США и Европе (1997 год) [4]

Потребление в промышленности и жизни

На рисунке ниже показаны восемь секторов промышленности и строительства, в которых применение алюминия происходит особенно активно. Процентные доли по различным секторам промышленности в общем потреблении представлены по статистическим данным Международного Института алюминия за 2007 год. С тех пор, думается, картина в целом не изменилась, и эти данные вполне актуальны.

Применение алюминия в готовой промышленной продукции [1]

Основными отраслями промышленности, которые активно применяют алюминий, являются:

Строительство
Упаковывание продукции
Электрическая промышленность
Транспортное машиностроение
Производство машин и оборудования
Производство товаров для повседневной жизни
Порошковая металлургия
Раскисление стали в черной металлургии

Строительство

Алюминиевые окна и фасады

Основными алюминиевыми сплавами, которые находят применение в строительной промышленности, являются сплавы 6063 и 6060, а также сплав 6082 (в Европе) и сплав 6061 (в Северной Америке). Они обладают довольно высокой прочностью (6082 и 6061 – до 400 МПа) и хорошей коррозионной стойкостью.

Оконные алюминиевые экструдированные профили с терморазвязкой (сплавы 6060/6063)

Важнейшие конструкционные характеристики алюминия, которые определяют применение алюминия как материала для оконных и дверных рам:

прочность для обеспечения жесткости и безопасности;
способность принимать сложные формы (обеспечивается экструзией);
привлекательный внешний вид;
коррозионная стойкость;
минимальная потребность в техническом обслуживании.

Навесной фасад с алюминиевым каркасом (сплавы 6060/6063)

Стоечно-ригельный фасад

Алюминиевая кровля и алюминиевая облицовка зданий

Декоративные и защитные профилированные облицовочные материалы часто изготавливают из катаных алюминиевых листов. Различные виды декоративных и защитных покрытий делают их идеальными материалами для применение в качестве кровельного материала.

Применение для кровли и облицовки зданий обеспечивают следующие свойства алюминия:

низкая масса, благодаря низкой плотности;
стойкость к воде;
коррозионная стойкость;
декоративный вид.

Алюминиевая кровля

Транспорт

Алюминий в легковых автомобилях

Средняя масса алюминия в легковых автомобилях в Европе в 2006 составляла около 118 кг и продолжала увеличиваться. Его доля в различных компонентах и деталях автомобилей составляет (в килограммах на один автомобиль):

блоки цилиндров двигателей: 40,3
трансмиссия: 16,3
шасси, подвеска и управление: 12,5
колеса: 17,7
теплообменник: 12,3
тормоза: 3,7
кузов: 6,8
тепловые экраны: 1,4
бамперы: 2,8
другие компоненты: 3,9.

Алюминиевый блок цилиндров автомобиля

Алюминиевый автомобильный колесный диск

Применение алюминия для изготовления автомобильных деталей обусловлено следующими его свойствами:

низкая плотность;
прочность;
жесткость;
вязкость;
стоимость;
коррозионная стойкость.

Алюминиевая рама автомобиля

Алюминиевые сплавы для грузовых автомобилей

Алюминиевые сплавы для автомобильных цистерн [5]

Производство алюминиевых автомобильных цистерн [5]

Алюминиевые сплавы для кузовов самосвалов [5]

Производство алюминиевых кузовов самосвалов [5]

Алюминиевые сплавы для автомобильных фургонов [5]

Алюминиевые сплавы для шасси грузовых автомобилей [5]

Алюминий в вагоностроении

Конструкция высокоскоростного поезда Intercity Express
из прессованных алюминиевых профилей – Германия, 1992

Алюминиевый вагон городского рельсового транспорта [7]

Грузовой алюминиевый вагон для перевозки угля [7]

Алюминий в судостроении

Алюминевый патрульный катер

Круизный лайнер с алюминиевой надстройкой [5]

Алюминиевая яхта-катамаран [5]

Алюминиевые сплавы для самолетов

Первый самолет братьев Райт в 1903 году был в основном деревянным с алюминиевым двигателем.

Среди алюминиевых сплавов, которые применяют в самолетостроении доминируют высокопрочные деформируемые сплавы, такие как, сплав 2024 (содержащий медь и магний) и сплав 7075 (содержащий магний, цинк и немного меди). Большинство алюминиевых сплавов, которые применяются в самолетостроении, являются несвариваемыми и их соединяют в основном заклепками.

На рисунках ниже показано применение сплавов серии 2ххх для изготовления фюзеляжа самолета и сплавов серии 7ххх – для крыльев.

(a)

(б)

Применение алюминиевых сплавов в самолетостроении:
а – сплавы серии 7ххх для фюзеляжа и б – сплавы серии 2ххх для крыльев [2].

Аэробус А380

Основные требования к алюминиевым сплавам в аэрокосмической промышленности:

низкая плотность;
высокая прочность;
точность механической обработки;
коррозионная стойкость;
стоимость.

Armour aluminium

There are several benefits that make aluminum an material in many kinds of armor:

Aluminum has light (about one third that of steel).
Aluminium offers a high strength-to-weight ratio.
Ballistic performance must be balanced with light weight for vehicles that need to be transported by air, such as troop carriers.
High corrosion resistance.

Космическая техника

Первым, кто понял огромный потенциал алюминия для космоса, был великий писатель-писатель Жюль Верн. В своем романе «Путешествие на Луну» от еще в 1865 году детально описал ракету из алюминия.

Алюминиевые сплавы для космических аппаратов

Корпус первого советского спутника, который был запущен в октябре 1957 года, был изготовлен из алюминиево-магниевого сплава АМг6 с содержанием магния 6 %. Алюминиево-магниевые сплавы остаются основным материалом для изготовления корпусов ракет. Во внутренних отсеках ракет применяются и дюралевые алюминиевые сплавы.

Первый искусственный космический объект – советский Спутник 1

В последние десятилетия 20-го века в космических аппаратах стали применяться алюминиево-литиевые сплавы. Плотность лития составляет всего 0,533 г/см³ – он легче воды. Добавки лития в алюминий в количестве до 2,5 % снижают плотность алюминиевого сплава , а также повышают его модуль упругости. Так, сплав 8090 имеет плотность на 10 % ниже, а модуль упругости на 11 % выше, чем у популярных в самолетостроении сплавов 2024 и 2014. На рисунке ниже показано колесо марсохода Curiosity из алюминиевого сплава 7075.

Колесо марсохода Curiosity из алюминиевого сплава 7075-Т7351 [7]

Алюминий применяется также в качестве связующего материала в бороалюминиевых композитах, которые в настоящее время также применяются в космической технике.

Бороалюминиевый композит (40 % волокон бора)

Порошковый алюминий – компонент ракетного топлива

Высокая химическая активность алюминия дает возможность применять его в составе ракетного топлива для твердотопливных ускорителей в разрабатываемой NASA системе космических запусков (SLS).

В ракетных ускорителях алюминиевый порошок и перхлорат аммиака соединяются вместе с помощью специального связующего вещества. Эта смесь, похожая на материал стирательной резинки, помещается затем в стальной корпус [3].

Когда эта смесь загорается, кислород из перхлората аммиака соединяется с алюминием с образованием оксида алюминия, хлорида алюминия, водяного пара и газообразного азота, а также с выделением огромного количества энергии.

Алюминий входит в состав твердого топлива для ракетных ускорителей NASA [3]

Упаковка продуктов

Катаный алюминий – ленты и фольга – применяют в упаковке сыпучих и жидких продуктов. Алюминиевая упаковка сопровождает нас повсюду в нашей жизни – это, например, алюминиевые банки и бутылки, фольга в упаковке продуктов и лекарств. Алюминий обладает низкой плотностью, совместимостью с продуктами и напитками и привлекательным внешним видом. Это делает его идеальным материалом для различных видов упаковки: жестких (банки) и мягких (фольга).

Алюминиевые банки для упаковки пищевых продуктов [6]

Алюминиевые банки

Из алюминия изготавливают 75 % банок для напитков и 15 % емкостей для аэрозолей. Алюминиевые банки обеспечивают значительное снижение веса упаковки по сравнению с аналогичными стальными банками.

Корпус банки изготавливают из сплава серии 3000 (алюминиево-марганцевые сплавы), который после глубокой высадки раскатывают до толщины стенки 0,27 мм.

Крышка банки составляет 25 % ее веса. Ее изготавливают из более прочного алюминиево-магниевого сплава. Встроенный в банку рычаг-“открывашка”, который крепится к банке на интегральной заклепке, состоит из другого алюминиево-магниевого сплава. Эту заклепку накатывают из тела крышки при ее изготовлении.

Алюминиевая банка для упаковки пива и прохладительных напитков

Требования к алюминиевым сплавам для упаковочного сектора промышленности:

низкая плотность;
прочность;
хорошая формуемость;
совместимость с продуктами и напитками;
декоративность (способность к нанесению рисунков и надписей);
стоимость.

Упаковочная фольга

Алюминиевую фольгу обычно изготавливают из марок технического алюминия серии 1000. Свойства алюминия, которые обеспечивают возможность его применения в качестве материала для изготовления фольги, следующие:

прочность и непроницаемость для жидкостей и газов при малой толщине;
низкая плотность;
термическая проводимость;
теплостойкость;
стойкость к проникновению газов и жидкостей;
совместимость с продуктами и напитками;
эстетический и декоративный потенциал.

Алюминиевая упаковочная фольга

Провода и кабели

Высокая электрическая проводимость марок алюминия серии 1000, а также алюминиевых сплавов серии 8000, делает их весьма подходящими для изготовления электрических проводников. Алюминиевые проводники применяют в следующих случаях:

распределительные электрические подстанции;
силовые системы высотных зданий;
высоковольтные линии электропередач;
большинство подземных линий электропередач;
силовые кабели для промышленного применения.

Большая часть алюминия в электротехнической промышленности применяется в виде кабелей (8 из 13 %). Однако его применяют также и в виде электрических шин для оборудования с большой силой тока, а также для питания электричеством больших зданий. Кроме того, кабели для промышленных, торговых и жилых зданий могут содержать много изолированных проводников, которые помещают в общий защитный алюминиевый рукав.

Требования к алюминию, который применяется для электротехнических приложений:

приемлемая стоимость;
достаточно высокая электрическая проводимость;
коррозионная стойкость;
прочность.

Машины и оборудование

Отопительные и вентиляционные системы

Алюминиевые сплавы серий 3000, 5000 и 6000 обладают хорошей термической проводимостью. В комбинации с высокой прочностью эти сплавы являются хорошим выбором для применения в системах обогрева и вентиляции. Эти системы включают следующие компоненты, в которых применяют алюминиевые сплавы:

компрессоры;
конденсеры/испарители;
расширительные клапаны;
вентиляторы;
трубы.

Свойства алюминия, которые важны для отопительных и вентиляционных систем:

высокая теплопроводность;
высокий контактный коэффициент;
малая плотность;
высокая коррозионная стойкость.

Потребительские товары

Алюминий в больших объемах применяется при изготовлении различных компонентов, деталей и корпусов многих потребительских изделий, которые окружают нашу жизнь – бытовых товаров, например, холодильников, морозильников, посудомоечных машин. Холодильники и морозильники содержать холодильные агрегаты, которые, как упоминалось выше, также содержат значительное количество алюминия. Важными свойствами алюминия для потребительских товаров являются:

эстетические свойства;
коррозионная стойкость;
прочность;
высокая теплопроводность (для холодильных агрегатов).

Медицина

Оборудование и инструменты

Анодированный алюминий широко применяется для изделий и деталей в медицинском и зубоврачебном оборудовании, в том числе:

Внутренняя отделка больничных палат и медицинских кабинетов
Инструменты, которые способны выдерживать регулярную стерилизацию в автоклаве
Больничные кровати, носилки, коляски и другие средства для перемещения пациентов
Оборудование для медицинского кислорода
Зубоврачебное оборудование и инструменты
Рентгеновские аппараты
Оборудование для диализа.

Упаковка лекарств

Алюминиевая фольга является непревзойденным барьером, который надежно защищает лекарства от микроорганизмов, солнечного света, кислорода и других газов. Поэтому эта фольга является основным материалом для защитной упаковки лекарств и фармацевтических материалов.

Лекарственные таблетки в алюминиевой упаковке

Порошковая металлургия

Порошковая металлургия – это процесс, который позволяет производить изделия как сложной, так и постой формы с минимальными допусками на размеры, что позволяет исключить последующую механическую обработку.

Важными техническим требованиями, которые предъявляются к алюминиевым порошкам являются:

низкая плотность;
способность воспринимать различные виды отделки, например, окраски;
термическая проводимость.

Раскисление стали

Для удаления кислорода из расплавленной стали в расплав добавляют так называемые раскислители. В качестве раскислителя часто применяют алюминий, а также марганец и феррокремний.

Обычно алюминий добавляют в расплавленную сталь в виде 10-килограммовых брусков. Для раскисления одной тонны стали требуется около одного килограмма алюминия.

Свойства алюминия, которые определяют его применение в металлургической промышленности как раскислителя стали:

активно реагирует с кислородом в расплавленной стали;
стоимость;
влияние на металлургию стали.

Источники:

WellMet, University of Cambridge, July 2010
Lightweight Materials—Understanding the Basics /ed. F.C. Campbell – ASM International, 2012
https://blogs.nasa.gov/Rocketology/tag/aluminum/
TALAT 1100.01
Aluminium in Commercial Vehicle – European Aluminium Association – 2011
TALAT 3710
https://vibrationdata.wordpress.com/2014/10/31/mars-curiosity-rover-wheels-low-cycle-fatigue-cracks/