Алюминий (лат. Aluminium, химический символ Al) — это химический элемент 13-й группы третьего периода периодической системы с атомным номером 13. Относится к легким цветным металлам, является самым распространенным металлом и третьим по распространенности химическим элементом в земной коре (после кислорода и кремния), составляя около 8% её массы.
Историческая справка и получение
Впервые алюминий в чистом виде был выделен датским физиком Гансом Эрстедом в 1825 году. Однако промышленный способ производства, сделавший металл доступным, — электролиз расплавленного оксида алюминия (глинозема) в криолите — был разработан почти одновременно Чарльзом Холлом (США) и Полем Эру (Франция) в 1886 году. Этот метод, известный как процесс Холла-Эру, остается основным и по сей день.
Современное производство состоит из двух ключевых стадий:
- Получение глинозема (Al₂O₃) из алюминиевых руд (преимущественно бокситов) по методу Байера.
- Электролитическое восстановление глинозема до чистого алюминия в электролизерах при температуре около 950°C.
Физико-химические свойства
Алюминий сочетает в себе уникальный комплекс свойств, определяющих его широкое применение:
Физические свойства:
- Низкая плотность: ~2700 кг/м³ (примерно в 3 раза легче стали и меди).
- Высокая электро- и теплопроводность: По электропроводности уступает только меди и серебру (~65% от проводимости меди), но при сопоставлении по массе удельная проводимость алюминия оказывается выше.
- Пластичность и обрабатываемость: Обладает отличной ковкостью, легко прокатывается в фольгу и вытягивается в проволоку. Имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку.
- Высокий коэффициент отражения (до 90%) для инфракрасного и видимого излучения.
- Немагнитность.
- Температура плавления: 660,32 °C.
Химические свойства:
- Коррозионная стойкость: На воздухе мгновенно покрывается тонкой (4-5 нм), но чрезвычайно прочной и химически стойкой оксидной пленкой (Al₂O₃), которая предотвращает дальнейшее окисление. Эта пассивирующая пленка может быть искусственно усилена методом анодирования.
- Амфотерность: Реагирует как с кислотами, так и со щелочами.
- Высокая химическая активность чистого металла (в отсутствие оксидной пленки).
Классификация и марки
Алюминий подразделяется по степени чистоты:
- Первичный алюминий (сырьевой): Высокой чистоты (А995, А99, А85 и др., где число обозначает минимальное содержание Al в процентах).
- Технический алюминий: Содержит небольшое количество примесей (железо, кремний), улучшающих литейные свойства (марки АД0, АД1 и т.д.).
- Деформируемые алюминиевые сплавы: Основная масса используемого алюминия — это сплавы, которые делятся на:
- Нетермоупрочняемые (нагартовываемые): Сплавы систем Al-Mg (магналии), Al-Mn (АМц). Упрочняются холодной пластической деформацией.
- Термоупрочняемые: Сплавы систем Al-Cu-Mg (дуралюмины, марки Д1, Д16), Al-Zn-Mg-Cu (высокопрочные, В95), Al-Mg-Si (авиали, АД31, АД33). Упрочняются закалкой с последующим искусственным или естественным старением.
Области применения
Благодаря своим свойствам алюминий является стратегическим металлом для многих отраслей:
- Авиационная и космическая промышленность: Основа современного самолето- и ракетостроения (фюзеляжи, обшивка, силовые элементы).
- Транспортное машиностроение: Производство легкосплавных дисков, радиаторов, блоков цилиндров, кузовов автомобилей, вагонов высокоскоростных поездов и судов.
- Строительство и архитектура: Оконные и дверные профили, фасадные системы (вентилируемые и структурные фасады), кровельные материалы, мостовые конструкции.
- Электротехника и энергетика: Провода воздушных линий электропередачи (ЛЭП), кабельная продукция, шинопроводы, обмотки трансформаторов, корпуса микросхем и теплоотводы.
- Упаковочная промышленность: Алюминиевая фольга, банки для напитков, тубы, крышки.
- Пищевая и химическая промышленность: Оборудование, не вступающее в реакцию с продуктами и агрессивными средами.
Преимущества и недостатки
Преимущества:
- Соотношение прочности к массе.
- Коррозионная стойкость в большинстве сред.
- Высокая электропроводность и технологичность.
- Полная и бесконечная рециклируемость (переработка требует лишь 5% энергии от первичного производства).
- Эстетичный внешний вид.
Недостатки:
- Высокая энергоемкость первичного производства.
- Ограниченная усталостная прочность по сравнению со сталью.
- Низкая температура плавления и потеря прочностных характеристик при нагреве.
- Склонность к электрохимической коррозии в контакте с другими металлами.
Тенденции и перспективы
Развитие алюминиевой промышленности идет по пути:
- Создания новых высокопрочных и жаропрочных сплавов (в т.ч. алюминиево-литиевых).
- Развития аддитивных технологий (3D-печати) металлическими порошками на основе алюминия.
- Внедрения «зеленых» технологий производства с минимальным углеродным следом.
- Расширения применения композитов с алюминиевой матрицей (AMC).
- Совершенствования методов поверхностной обработки для повышения износо- и коррозионной стойкости.
Стандартизация
Основные регулирующие документы в РФ:
- ГОСТ 11069-2019: «Алюминий первичный. Марки»
- ГОСТ 4784-2019: «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки»
- ГОСТ 1583-93: «Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия»
Синонимы и связанные термины: Крылатый металл, глинозем (Al₂O₃), боксит (руда), электролиз, анодирование, дуралюмин, авиаль, силумин (литейный сплав).
«Вернуться к списку глоссария