Технология производства алюминия

Термически  упрочняемые сплавы применяются  для нагруженных деталей и  элементов конструкций в судостроении, авиастроении, транспортном машиностроении, строительстве и т.д.  

Сплавы  на основе системы  алюминий – прочие компоненты. В эту группу входят жаропрочные сплавы на основе сложных систем.

Широкое применение в технике получил  самозакаливающийся сплав на основе системы Al-Zn-Mg марки АЦ4Мг. Он сочетает высокую прочность и коррозионную стойкость с удовлетворительными литейными свойствами и хорошей свариваемостью. Недостаток сплава марки АЦ4Мг – склонность к коррозии под напряжением. Сплав можно применять без специальной закалки в литом и естественно или искусственно состаренном состоянии. Из него можно изготавливать объемные детали с применением сварки.

Цинковый  силумин АК7Ц9 имеет хорошие литейные свойства и способность самозакаливаться. Механические свойства его выше, чем простого силумина АК12.

сплав марки АК21М2,5Н2,5 содержит 20-22% кремния. Он имеет хорошие литейные свойства, высокую твердость и износостойкость. Добавка хрома и никеля сообщает сплаву высокую жаропрочность (300-320°С). Применяется для поршней и других ответственных деталей.

 

  Кодирование алюминиевых литейных сплавов в соответствии с «Товарной номенклатурой внешнеэкономической деятельности» 

Раздел  XV – Недрагоценные металлы и изделия из них.

Группа 76 – Алюминий и изделия из него.

Позиция 7601 – Алюминий необработанный.

Субпозиция  7601.20 – Сплавы алюминиевые. 
 

  Кодирование алюминиевых литейных сплавов в соответствии с «Общегосударственным классификатором Республики Беларусь» 

Секция  D – Продукция перерабатывающей промышленности.

Подсекция DJ –Основные металлы и готовые металлические изделия.

Раздел 27 – Основные металлы.

Класс 27.42 – Алюминий и полуфабрикаты  из алюминия.

Категория 27.42.1 – Алюминий необработанный; глинозем.

Подкатегория  27.42.11 – Алюминий необработанный.

Подвид  27.42.11.500 – Сплавы алюминиевые необработанные.

 

ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ АЛЮМИНИЕВЫХ  ЛИТЕЙНЫХ. 
 

Для алюминиевых  сплавов характерна малая плотность (до 2,85 г/см³) при удельной прочности (ơ_в/γ), которая для некоторых марок близка к прочности высокопрочных сталей. Из сплавов на основе алюминия получили распространение сплавы с медью, марганцем, кремнием. Для повышения прочности, коррозионной стойкости, жаропрочности алюминиевых сплавов используют литий, никель, титан, бериллий/

Алюминиевые литейные сплавы содержат чаще всего кремний, медь и магний.

Силумины  жидкотекучи, имеют малую усадку, их состав близок к эвтектическому (марки АЛ2, АЛ9, АЛ4). Упрочнение их достигается модифицированием, состоящим в добавке к расплавленному силумину модификаторов – натрия или смеси фтористых солей натрия и калия. Небольшая (0,01%) присадка натрия резко меняет структуру силумина: зерна становятся мелкими, а излом бархатистым на вид. Немодифицированный силумин имеет грубозернистую структуру и худшие механические свойства. Механические свойства модифицированного силумина характеризуются следующими данными: 50-70 НВ, ơ_в = 150-200 МПа, δ = 2-5%. Добавки магния до 0,6% и марганца до0,03% еще более упрочняют сплав.

Литейные  сплавы алюминия с медью содержат 4-11% Cu и состоят из твердого раствора α-меди в алюминии и алюминида CuAl₂. Фаза α пластична и по механическим свойствам сходна с алюминием; фаза CuAl₂ твердая и хрупкая (сплав АЛ7). После термической обработки эти сплавы имеют высокие механические свойства; недостатком их является большая литейная усадка, поэтому применяют их для изготовления небольших деталей.

Сплавы  алюминия с магнием для литья содержат 4,5-11% Mg. Эти сплавы прочие, коррозионно-стойкие (например, сплав АЛ8).

Упрочнение  отливок из алюминиевых сплавов производят закалкой и старением; внутренние напряжения в отливках из этих сплавов снимают отжигом.

Алюминиевые сплавы, обрабатываемые давлением, подразделяются на Неупрочняемые и упрочняемые  термической обработкой. Сплавы с  марганцем и магнием относятся к неупрочняемым. Высокая пластичность после отжига (δ до 30%, ψ до 70%) и невысокая прочность (ơ_в =  110 МПа) определяют их применение для деталей, подвергаемых глубокой вытяжке, не несущих больших напряжений; эти сплавы стойки к коррозии.

К упрочняемым сплавам относится дюралюмин (Д1, Д16). Основными компонентами, упрочняющими дюралюмин после термической обработки, являются медь, магний и марганец. При нагреве до температуры 500-520°С дюралюмин из двухфазного превращается в однофазный по мере растворения в α-фазе (сложном твердом растворе магния и меди в алюминии) алюминида CuAl₂ . При последующей закалке образуется пересыщенный твердый раствор α. С течением времени в таком растворе даже при комнатной температуре происходит концентрация атомов меди внутри кристаллической решетки в определенных зонах раствора – «дисках» диаметром около 5 мм. Такие «диски» с повышенном массовым содержанием меди располагаются более или менее равномерно в пределах каждого кристалла; в результате твердый раствор становится неоднородным. Это явление называют естественным старением. Оно сопровождается повышением твердости и прочности дюралюмина при некотором понижении его пластичности. Старение можно ускорить путем подогрева сплава – искусственное старение. Наибольшую прочность сплава имеют в состоянии неоднородного твердого раствора, поэтому после закалки их подвергают выдержке при комнатной температуре в течение 5-7 сут или при температуре 150°С (искусственное старение) в течение нескольких часов. При искусственном старении важно ограничить его до начала образования CuAl₂ так как выделение этой фазы сопровождается понижением прочности.

В результате закалки и старения механические свойства дюралюмина повышаются до показателей среднеуглеродистой стали (до 120 НВ, ơ_в= 420÷470 МПа; δ= 15÷17%). Дюралюмин обрабатывают давлением в горячем (440-480°С) и в холодном состояниях. Обработку в холодном состоянии рекомендуется делать до старения. Дюралюмин широко применяют в промышленности, особенно в авиационной и ракетной.

Спеченные алюминиевые порошки (САП) получают методами порошковой металлургии. САП состоит из алюминия и оксида алюминия. Оксид алюминия не растворяется в алюминии, равномерно распределен в алюминиевой матрице, тормозит движение ее дислокаций, в результате чего предотвращается ползучесть, уменьшается пластичность и повышается прочность сплавов. В различных марках САП Al₂О₃ содержится от 6 до 22%, что определяет предел прочности от 300 до 460 МПа и относительное удлинение от 8 до 1,5%. По жаропрочности САП превосходит все алюминиевые сплавы, его используют для изготовления деталей, работающих при температурах до 500°С, когда требуется также высокая прочность и коррозионная стойкость. САП хорошо обрабатывается давлением, резанием и удовлетворительно сваривается.

Сплавы  на основе магния. Из сплавов на основе магния получили распространение его сплавы с марганцем, алюминием и цинком. Для повышения механических свойств магниевых сплавов добавляют цирконий, церий, неодим, торий и др. Магниевые сплавы  упрочняют закалкой и дисперсным твердением. При закалке соединения AL₂Mg₃ и MgZn переходят в раствор, а при старении происходит распад пересыщенного твердого раствора.

Механические  свойства некоторых магниевых сплавов, обрабатываемых давлением, после термической обработки характеризуются пределом прочности ơ_в = 270÷350 МПа и относительным удлинением δ = 6÷14%.

Для магниевых  сплавов характерна низкая сопротивляемость коррозии, поэтому готовые изделия защищают от коррозии оксидированием и последующим покрытием специальными лаками, красками, эпоксидными пленками.

Главным преимуществом их является высокая  удельная прочность. Сплавы магния применяют  для изготовления различных деталей  самолетов, вагонов, автомобилей, решающее значение при этом имеет малая плотность сплавов (1,75-1,8г/см³).

Приведем  примеры использования деформируемых  магниевых сплавов. Сплав МА1 (1,3-2,5% Mn; ơ_в = 240 МПа; δ = 4%) применяют для малонагруженных деталей (масло- и бензобаки, арматура). Сплав МА8 (1,3-2,2% Mn; 0,15-0,35% Ce; ơ_в = 260 МПа; δ = 7%) применяют для средненагруженных деталей самолетов (рулей, обшивок элерона).

Титановые сплавы. Титан имеет две аллотропические модификации: Ti_α, существующую до 882°С, с гексагональной решеткой, и Ti_β – dsit 882°C, с решеткой объемно-центрированного куба.

Титан стоек в агрессивных средах (серной и соляной кислотах, их солях), поэтому  он используется в химическом машиностроении, электронике, ядерной и других областях техники. В авиа- и ракетостроении чистый титан не применяется из-за его невысокой жаропрочности.

Для легирования  титановых сплавов используют алюминий, олово, которые повышают температуру  полиморфного превращения титана и  называются α-стабилизаторами, а также  марганец, хром, ванадий, железо, которые понижают температуру полиморфного превращения и являются β-стабилизаторами.

Сплавы  с α-структурой термической обработкой не упрочняются; они обладают жаропрочностью и прочностью при низких температурах. 
 
 

  Определения свойств  сплавов алюминиевых литейных. 
 

Временное сопротивление разрыву  – предел прочности – механическое напряжение, выше которого происходит разрушение материала. 

Относительное удлинение – величина, показывающая на сколько процентов удлиняется материал. 

Твердость по Бринеллю – этот метод относится к методам вдавливания. Испытание проводится следующим образом: вначале дают небольшую предварительную нагрузку для установления начального положения индентора на образце, затем прилагается основная нагрузка, образец выдерживают под ее действием, измеряется глубина внедрения, после чего основная нагрузка снимается. При определении твердости методом Бринелля измерения производят до упругого восстановления материала. Индентор вдавливают в поверхность испытуемого образца (толщиной не менее 4 мм) с регламентированным усилием. Через 30 с после приложения нагрузки измеряют глубину отпечатка. Твердость по Бринеллю НВ рассчитывается как «приложенная нагрузка», деленная на «площадь поверхности отпечатка».

 

  ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА  СПЛАВОВ АЛЮМИНИЕВЫХ ЛИТЕЙНЫХ И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА. 
 
 

В природе  алюминий находится в виде алюминиевых  руд: бокситов, нефелинов, каолинов. Важнейшей  базовой рудой для мировой  алюминиевой промышленности являются бокситы (гидрат глинозема Al₂O₃ ∙ nH₂O в смеси с оксидами железа, кремния, титана и других элементов).

Получение алюминия из руд имеет два последовательно  проводимых этапа: сначала производят глинозем (Al₂O₃), а затем из него получают алюминий.

Известные в настоящее время методы получения  глинозема можно разбить на три группы: щелочные, кислотные и электротермические. Наиболее широкое применение получили елочные методы.

В одном  из щелочных методов боксит, обезвоженный при 200°С, измельчают в шаровых мельницах, смешивают в определенных пропорциях с содой и спекают для получения растворимого в воде твердого алюмината натрия по реакции

Al₂O₃ + Na₂CO₃ = Al₂O₃Na₂O + CO₂

Спекшуюся массу измельчают и выщелачивают водой, алюминат натрия при этом переходит  в раствор.

В других разновидностях щелочного метода глинозем, содержащийся в боксите, связывают в алюминат натрия путем непосредственной обработки руды щелочами. При этом сразу получается раствор алюмината в воде.

В других разновидностях щелочного метода глинозем, содержащийся в боксите, связывают  в алюминат натрия путем непосредственной обработки руды щелочами. При этом сразу получается раствор алюмината  в воде.

В общих  случаях образование водного  раствора алюмината натрия приводит к отделению его от нерастворимых компонентов руды, представляющих собой в основном оксиды и гидроксиды железа, кремния и титана. Отделение раствора от нерастворимого осадка, называемого красным шламом, осуществляют в отстойниках.

В полученный при 125°С и давлении 5 атмосфер раствор добавляют известь, что приводит к обескремниванию – CaSiO₃ уходит в осадок, образуя белый шлам.

Полученный  раствор после отделения его  от белого шлама обрабатывают углекислым газом при 60-80°С, в результате чего в осадок выпадает кристаллический гидрат окиси алюминия

Al₂O₃Na₂O + 3H₂O + CO₂ =  2Al(OH)₃ + Na₂CO₃

Его промывают, просушивают и прокаливают. Прокаливание приводит к образованию глинозема

2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O

Описанный способ обеспечивает довольно полное извлечение глинозема из боксита – около 80%.

Получение металлического алюминия из глинозема  заключается в его электролитическом разложении на составные части – алюминий и кислород. Электролитом в этом процессе является раствор глинозема в криолите (AlF₃ ∙ 3NaF или Na₃AlF₆).