Технология производства алюминия

ВВЕДЕНИЕ 

Алюминий  – серебристо-белый металл плотностью 2,7 г/см³, отличается достаточной химической стойкостью, низкой прочностью (ơ_в = 100 МПа) и твердостью (НВ 20...40), высокой пластичностью (δ =35%), легко прокатывается в листы. Температура плавления 658,7°С, кипения 2327ºС. Для алюминия и его сплавов характерны высокие электро- и теплопроводность.

На воздухе  алюминий быстро образует тонкую прочную  пленку окиси, которая защищает его  от дальнейшей коррозии. Алюминий –  самый распространенный и поэтому  один из наиболее доступных и относительно дешевых металлов. Промышленный алюминий подразделяют на алюминий особой чистоты (А999), высокой чистоты (А995, А99, А97, А95) и технической чистоты (А85, А8, А7, А6, А5, А0). Последний получают электролизом. Для производства алюминия более высоких марок требуется его дополнительное рафинирование. Алюминий высокой чистоты, применяемый для лабораторных целей, содержит 99,99% Al, для технических – 99,50% Al.

Алюминий  хорошо сваривается, но плохо обрабатывается резанием. Из него вырабатывают тонкую фольгу. Технический алюминий применяют в электротехнике в качестве проводникового материала. Высокая коррозионная стойкость обусловила применение алюминия для бытовой посуды, упаковки, транспортировки и хранения молочных продуктов, пива, конфет и др. Все шире используют алюминий для производства консервных банок, они дешевле и легче жестяных на основе олова. Тончайший слой алюминия, нанесенный на ткань, задерживает тепловые лучи, пропуская лишь световые. Из такой ткани изготовляют палатки, защитные костюмы и комбинезоны.

В качестве конструкционных материалов широко применяют сплавы на основе алюминия, которые по способу получения  заготовок и изделий подразделяют на деформируемые и литейные.

 ПРИМЕНЕНИЕ СПЛАВОВ  АЛЮМИНИЕВЫХ ЛИТЕЙНЫХ В СФЕРЕ ПРОИЗВОДСТВА ИЛИ ПОТРЕБЛЕНИЯ. 
 

Технический алюминий (АД и АД1) ввиду низкой прочности  применяют для изготовления элементов  конструкции и деталей, не несущих  нагрузки, когда требуются высокая  пластичность, хорошая свариваемость, сопротивление коррозии и высокие теплопроводность и электрическая проводимость. Так из технического алюминия изготовляют различные трубопроводы, палубные надстройки морских и речных судов, кабели, электропровода, шины, конденсаторы, корпуса часов, фольгу, витражи, перегородки в комнатах, двери, рамы, посуду, цистерны для молока и др. 

Алюминий  высокой чистоты предназначается  для фольги, токопроводящих и кабельных  изделий. Более широко используют сплавы алюминия. Сплавы бывают деформируемые и литейные. 

Сплавы  алюминия, обладая хорошей технологичностью во всех стадиях передела, малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и вязкости нашли широкое применение в авиации, судостроении, автостроении, строительстве и других отраслях народного хозяйства. 

Сплавы  Al – Si. Эти сплавы, получившие название силумины, близки по составу к эвтектическому сплаву, и потому отличаются высокими литейными свойствами, а отливки – большой плотностью. Наиболее распространен сплав, содержащий 10-13% Si (АЛ2), обладающий высокой коррозионной стойкостью.

Средненагруженные детали из слава АЛ4 подвергают только искусственному старению, а крупные  нагруженные детали (корпуса компрессоров, картеры и блоки цилиндров  двигателей и т.д.) – закалке и  искусственному старению.

Силумины  применяют для отливки цилиндров, корпусов, поршней, кронштейнов и  других деталей авиационных и  автомобильных двигателей, агрегатов, приборов и т.д. 

Сплавы  Al – Cu. Литейные свойства сплавов низкие (большая усадка, склонность к образованию горячих трещин и т.д.). Сплав АЛ7 используют для отливки небольших деталей простой формы, например, арматура, кронштейн и т.д. Сплав склонен к хрупкому разрушению вследствие выделения по границам зерен грубых частиц CuAl₂ и Al₇Cu₂Fe, поэтому его применяют в закаленном состоянии, когда эти соединения переведены в твердый раствор. 

Сплавы  Al – Mg. Сплавы алюминия с магнием имеют низкие литейные свойства, так как не содержат эвтектики. Сплавы АЛ8 и АЛ27  предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере. Добавление к сплавам Al-Mg до 1,5% Si (сплавы АЛ13 и АЛ22) улучшает литейные свойства в результате образования тройной эвтектики. Сплавы применяют в судостроении и авиации, для изготовления различных деталей самолетов, вагонов, автомобилей. 

Жаропрочные сплавы. Наибольшее применение получил сплав АЛ1, из которого изготовляют поршни, головки цилиндров и другие детали, работающие при температуре 275-300ºС. Для крупногабаритных деталей, работающих  при 300-350ºС, применяют сплав АЛ21. Отливки сложной формы из сплава подвергают отжигу при 300ºС. 

Титановые сплавы. Помимо высокой прочности, титановые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах; они получили широкое применение при изготовлении деталей реактивных авиационных двигателей, обшивки сверхзвуковых самолетов, их используют в судостроении, криогенной технике.

  КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ  ПРИЗНАКИ СПЛАВОВ  АЛЮМИНИЕВЫХ ЛИТЕЙНЫХ. 
 

Алюминиевые литейные сплавы делятся на пять групп:

I – сплавы на основе системы алюминий – кремний – магний;

II – сплавы на основе системы алюминий – кремний –медь;

III – сплавы на основе системы алюминий – медь;

IV – сплавы на основе системы алюминий – магний;

V – сплавы на основе системы алюминий – прочие компоненты. 

Сплавы  на основе системы  алюминий – кремний – магний. Сплавы системы Al-Si известны под общим названием силумины.

Силумины  характеризуются хорошими литейными  свойствами и герметичностью, средней  прочностью и достаточной коррозионной стойкостью. Они применяются для  изготовления сложных отливок.

Для измельчения зерна и, следовательно, улучшения механических свойств силумины модифицируют обычно натрием в количестве 0,05-0,08% от массы сплава. Модификатор вводят в расплав в виде смеси галоидных солей натрия и калия. В силумины вводят также модифицирующие добавки иттрия, стронция, циркония, бора, титана и др.

Простые силумины, содержащие только алюминий и кремний (марка АК12), относятся  к термически неупрочняемым. Введение в силумины магния делает их термически упрочняемыми – они подвергаются закалке и искусственному старению.

Силумины, содержащие кроме алюминия и кремния  другие компоненты, называются специальными.

Простой силумин марки АК12 благодаря эвтектической  структуре имеет отличные литейные свойства (наиболее высокую жидкотекучесть среди всех алюминиевых сплавов) при невысоких механических свойствах. Из сплава получают плотные герметичные отливки сложной формы, не испытывающие в процессе эксплуатации значительных нагрузок.

Кроме сплава марки АК12 в промышленности широко применяют силумины марок  АК9 и АК7ч. Введение в эти сплавы магния делает их термически упрочняемыми, а пониженное содержание кремния (по сравнению со сплавом марки АК12) снижает хрупкость.

Превосходя  простой силумин по механическим свойствам, сплавы марок АК9 и Ак7ч уступают ему по технологичности. Из-за повышенной склонности к газонасыщению и образованию пористости для получения отливок из сплава марки АК9ч рекомендуется применять кристаллизацию под давлением.

Сплавы  марок АК9пч и АК7пч отличаются от основных модификаций АК9ч и АК7ч добавками титана и меньшим содержанием примесей, что улучшает их механические свойства (прочность и пластичность) и коррозионную стойкость. Наоборот, сплавы марок АК9 Ак7 отличаются от сплавов марок АК9ч и Ак7ч повышенным содержанием примесей. Их не рекомендуется применять для деталей, работающих в условиях повышенных вибрационных нагрузок, из-за пониженной пластичности.

Наиболее  прочным из силуминов является сплав  марки АК8л, в котором увеличено  содержание магния и введены добавки  титана и бериллия. Сплав обладает высокой герметичностью и применяется для литья корпусных деталей, работающих под высоким внутренним давлением жидкостей и газов.

Детали  из сплавов на основе системы Al-Si могут длительно работать при температурах не более 150-200ºС. 

Сплавы  на основе системы алюминий – кремний – медь. Сплавы на основе системы Al-Si-Cu уступают сплавам группы I по литейным свойствам, герметичности и коррозионной стойкости, но превосходят их по жаропрочности и обрабатываемости резанием.

Сплавы  марок АК5М и АК5Мч имеют среднюю прочность при комнатной и повышенных температурах. Они являются наиболее жаропрочными среди специальных силуминов. Применяются без модифицирования для изготовления мало- средненагруженных деталей, работающих при температурах 250-275ºС.

Сплав марки АК8М с более высоким содержанием кремния при литье в песчаные формы нужно модифицировать. Сплав имеет среднюю прочность и жаропрочность и применяется для изготовления деталей агрегатов и приборов, работающих при температуре не выше 150°С.

Сплавы  марок АК5М2, АК5М7, АК6М2, АК5М4 имеют широкие пределы по химическому составу и, как следствие этого, нестабильность механических и литейных свойств. Применяются для малонагруженных деталей.

Сплав марки АК5М7 не рекомендуется к  использованию в новых конструкциях. Многокомпонентные поршневые сплавы марок АК12М2МгН и АК12ММгН обладают хорошими литейными свойствами и достаточной жаропрочностью. Поршни из них применяют в литом состоянии, т.е. без закалки. 

Сплавы  на основе системы  алюминий – медь. Основное достоинство сплавов на основе системы A-Cu – повышенная прочность и жаропрочность. Они хорошо обрабатываются резанием. Существенные недостатки сплавов данной группы – пониженные литейные свойства, герметичность и коррозионная стойкость.

Детали  из сплавов на основе системы Al-Cu следует анодировать и защищать лакокрасочными покрытиями. Сплав марки АМ5, содержащий кроме алюминия и меди еще марганец и титан, обладает повышенной прочностью и особенно жаропрочностью. Он хорошо сваривается и обрабатывается резанием. Применяется для нагруженных деталей, работающих при температурах до300°С.

Еще более  высокую жаропрочность имеет сплав марки АМ4,5Кд, дополнительно легированный кадмием. По прочности и жаропрочности он превосходит другие литейные алюминиевые сплавы. Сплав предназначен для изготовления ответственных деталей, длительно работающих при температурах до 350°С.

Сплавы  марок АМ5 и АМ4,5Кд упрочняются  закалкой и искусственным старением. 

Сплавы  на основе системы алюминий – магний. Сплавы на основе системы Al-Mg (магналин) обладают малой плотностью, высокой прочностью и пластичностью, удовлетворительной свариваемостью, хорошей обрабатываемостью резанием и высокой коррозионной стойкостью в атмосферных и морских условиях, в агрессивных средах на основе азотной кислоты. Однако они имеют ряд существенных недостатков: низкие литейные свойства; повышенную чувствительность к естественному старению, что ведет к значительной потере пластичности; низкую теплопроводность (по показателям жаропрочности сплавы занимают одно из последних мест среди алюминиевых сплавов). Рабочие температуры сплавов не должны превышать 100°С.

При общей  высокой коррозионной стойкости  сплав марки АМг10 подвержен коррозии под напряжением и коррозионному  растрескиванию.

Сплавы  средней прочности, содержащие 4,5-8% Mg (марки АМг5К, АМг6л, АМг6лч, АМг5Мц, АМг7), применяются в литом состоянии без термической обработки. Сплавы марок АМг6л и АМг6лч могут применяться и в закаленном состоянии, хотя эффект от закалки незначителен. Введение в сплавы марок АМг5К и Амг7 кремния улучшает их жидкотекучесть. Неупрочняемые сплавы применяются для изготовления малонагруженных и средненагруженных деталей. Сплавы марок АМг10, АМ10ч и АМг5К не рекомендуются к использованию в новых конструкциях.

Сплавы, содержащие 9,3-13% Mg, применяются в закаленном состоянии (марки АМг11, АМг10, АМг10ч). Уменьшая содержание вредных примесей железа и кремния в сплавах марки АМг10 и особенно марки АМг10ч, а также вводя добавки титана и цикория, повышают исходную пластичность сплавов и уменьшают их чувствительность к естественному старению. Кроме того, цикорий и титан, модифицируя структуру, повышают прочность сплава. Бериллий уменьшает окисляемость сплавов в жидком состоянии.