Свойства алюминия

Свойства алюминия

Алюминий - серебристо-белый легкий металл. Расположен в III группе Периодической системы элементов Д.И.Менделеева под номером 13; атомная масса алюминия - 26,98. Конфигурация внешней электронной оболочки 3s²3р; атомный радиус - 0,143 мм, ионный радиус А1 ³⁺ (в скобках указаны координационные числа) 0,053 нм (4); 0,062 нм (5); 0,067 нм (6); энергия ионизации А1 -» А1 ⁺ -> А1 ²⁺ —> А1 ³⁺ - соответственно 5,984; 18,828; 28,44 эВ; сродство к электрону 0,5 эВ; электроотрицательность по Поллингу - 1,5; поперечное сечение захвата тепловых нейтронов - 215*10^-25 м² [3]. Алюминий имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку с параметрами: а = 0,40403 нм, z = 4, пространственная группа Fm3m. В природе существует один стабильный изотоп ²⁷А1.

Отличительные особенности алюминия - высокая электропроводимость, теплопроводность, коррозионная стойкость, малая плотность и отличная обрабатываемость давлением в холодном состоянии.

Физические свойства алюминия [2-6]

Плотность (99,996% А1), г/см³, при температуре:
20 °С	2,6989
1000 °С	2,289
Температура, °С:
плавления	660
кипения	~2452
Теплота кДж/моль:
плавления	10,55
испарения	291,4
Давление пара, Па, при температуре:
660 °С	0,266
1123 °С	13 3
1279 °С	133
*Удельная теплоемкость, Дж/(кгК), при температуре:**
20 °С	929,46
100 °С	931,98
Коэффициент линейного расширения при температуре 20-100 °С, К^-1	24,58*10^-6
*Теплопроводность, Вт/( мК), при температуре:**
20 °С	217
190 °С	343
Электропроводность по отношению к меди при температуре 20 °С	65,5%
Удельное электросопротивление, мкОмм	0.0265
Температурный коэффициент электросопротивления	0,042
*Динамическая вязкость (99,85% А1), Нс/м², при температуре:**
800 °С	2*10^-3
1123 °С	1,540^-3
1279 °С	1,3*10^-3
Модуль нормальной упругости Е, МПа, при температуре:
180 °С	7,8*10⁴
20 °С	7,1*10⁴
100 °С	7,0*10⁴
200 °С	6,6*10⁴
400 °С	5,6*10⁴
500 °С	5,0*10⁴
600 °С	4,4*10⁴
Модуль сдвига при температуре 20 °С	2,7*10^{4 МПа}
Магнитная характеристика алюминия	Слабо парамагнитен

Механические свойства алюминия [4-6]

Временное сопротивление разрыву σ_в,МПА:
в отожженном состоянии	50
в деформированном (холоднокатаном) состоянии	115
Предел текучести s _0,2:
в отожженном состоянии	50-80
в деформированном состоянии	120
*Предел усталости (50010 ⁶ циклов),σ_-1:**
в отожженном состоянии	40
в деформированном состоянии	50
Предел ползучести, при температуре:
15 °С	50
100 °С	27
200 °С	7
Предел прочности при срезе,σ_ср:
в отожженном состоянии	60
в деформированном состоянии	100
Относительное удлинение,δ:
в отожженном состоянии	30-40%
в деформированном состоянии	5-10%
Относительное сужение, ψ:
в отожженном состоянии	70-90%
в деформированном состоянии	50-60%
Ударная вязкость при температуре 20 °С _a_м	140
Твердость по Бринеллю, НВ:
в отожженном состоянии	25
в литом состоянии	20
в деформированном состоянии	30-35

При охлаждении алюминия до температуры ниже 120 К его прочностные свойства в отличии от большинства металлов возрастают, а пластичность не изменяется (табл. 1.7).

Таблица 1.7.

Механические свойства алюминия различной чистоты

Состояние	Содержание Аl, %	Предел прочности при растяжении σ_в2МПа	Предел текучести при растяжении σ._00,2, МПа	Относительное удлинение δ, %	Твердость по Бринеллю, НВ
Литой в землю	99,996	50	-	45	13-15
Литой в землю	99,5	75	-	29	20
Литой в землю	99.0	85	-	20	25
Литой в кокиль	99,0	90	-	25	25
Деформированный и отожженный	99.0	90	30	30	25
Деформированный	99,0	140	100	12	32
Литой в землю	98,0	90	35	12,5	28

Технологические свойства алюминия [6]

Температура	°С
литья горячей обработки отжига отпуска Линейная усадка, % Допускаемая деформация (холодная и горячая), % Начало рекристаллизации, °С Жидкотекучесть, мм.	690-710 350-450 370-400 150 2,7 75-90 150 317

Коррозионные свойства алюминия [6].

Алюминий и его сплавы характеризуются высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях как сельской местности, так и городских промышленных районов.

Сернистый газ, сероводород, аммиак и другие газы, находящиеся в воздухе промышленных районов, не оказывают заметного влияния на скорость коррозии алюминия и его сплавов. Алюминий практически не корродирует в дистиллированной и чистой пресной (естественной) воде даже при высоких температурах (до 180 °С). Действие пара на алюминий и его сплавы также незначительно.

Вода, содержащая примеси щелочей, резко повышает скорость коррозии алюминия. При комнатной температуре скорость коррозии алюминия в аэрированной воде содержащей 0,1% едкого натрия - 16 мм/год; 0,1% соляной кислоты - 1 мм/год и 1% соды - 4 мм/год.

Алюминий и его сплавы, не содержащие меди, достаточно стойки в естественной (не загрязненной) морской воде. Сернокислые соли магния, натрия, алюминия, а также гипосульфит практически не действуют на технический алюминий. Скорость коррозии алюминия возрастает в присутствии в воде солей ртути, меди или ионов хлора, разрушающих защитную оксидную пленку на алюминии.

В концентрированной азотной кислоте при комнатной температуре алюминий и его сплавы устойчивы, но быстро разрушаются в разбавленных кислотах.

Слабые растворы серной кислоты, концентрацией до 10%, при комнатной температуре незначительно влияют на технический алюминий, но с повышением концентрации и температуры скорость коррозии резко возрастает. В концентрированной серной кислоте алюминий практически устойчив.

Соляная кислота быстро разрушает алюминий и его сплавы, особенно с повышением температуры. Такое же действие на алюминий оказывают растворы плавиковой и бромистоводородной кислот. Слабые растворы фосфорной (менее 1%), хромовой (до 10%) и борной (при всех концентрациях) кислот на алюминий и его сплавы действуют незначительно.

Органические кислоты - уксусная, масляная, лимонная, винная, а также кислые (незагрязненные) фруктовые соки, вино оказывают слабое действие на алюминий и его сплавы, за исключением щавелевой и муравьиной кислот.

Алюминий и его сплавы быстро разрушаются в растворах едких щелочей, однако в растворах аммиака они довольно стойки, особенно сплавы, содержащие магний. Амины на них действуют также незначительно.

Следует отметить, что алюминий и однофазные сплавы на алюминиевой основе более стойки в коррозионном отношении, чем сплавы двухфазные и многофазные.

Влияние примесей на свойства алюминия. На коррозионные, физические, механические и технологические свойства алюминия оказывают значительное влияние примеси различных элементов. Так, например, большинство примесей снижают электропроводность алюминия (рис. 1.1). Основные примеси в алюминии - железо и кремний. Железо снижает коррозионную стойкость, электропроводность и пластичность алюминия, но несколько повышает его прочность. Диаграмма состояния системы Al-Fe, приведенная на рис. 1.2, показывает, что железо незначительно растворяется в алюминии в твердом состоянии. При температуре эвтектики (655°С) растворимость железа достигает 0,052% и с понижением температуры граница твердого раствора а резко сдвигается в сторону алюминия. Железо в алюминии присутствует в виде самостоятельной фазы Al₃Fe.

Железо - вредная примесь не только в алюминии, но и в сплавах алюминия с кремнием и магнием. Однако в жаропрочных алюминиевых сплавах железо (в сочетании с никелм) является полезной примесью.

Обычная примесь в алюминии - кремний. В сплавах на алюминиевой основе кремний наряду с медью, магнием, цинком, а также марганцем, никелем и хромом вводится в качестве основного компонента. Образующиеся при этом соединения CuAl₂, Mg₂Si, CuMgAl₂ и др. являются эффективными упрочнителями алюминиевых сплавов.

Из диаграммы состояния алюминий-кремний (рис. 1.3) видно, что при температуре эвтектики 577°С в алюминии растворяется до 1,65% кремния. С понижением температуры область твердого раствора α резко уменьшается.

Примеси кальция и других элементов, присутствующих в стандартных марках алюминия в незначительном количестве, не имеют практического значения. Небольшие добавки церия, натрия и титана оказывают существенное влияние на структуру и свойства определенных алюминиевых сплавов.

Водород хорошо растворяется в алюминии и оказывает отрицательное влияние на его свойства, вызывая при литье пористость. Азот при высоких температурах вступает в реакцию с алюминием с образованием тугоплавкого соединения.

Токсикологические свойства алюминия [7]. В соответствии с ГОСТом по степени воздействия на организм человека алюминиевую пыль относят к III классу опасности. Предельно-допустимая концентрация (ПДК) в воздухе пыли металлического алюминия и его оксидов составляет 2 мг/м³.

При постоянном вдыхании пыли металлического алюминия и его оксида может возникнуть алюминоз легких. Рабочие, подвергшиеся воздействию пыли, должны проходить периодически флюорографическое обследование. У рабочих, занятых в производстве алюминия, часты катары верхних дыхательных путей (рипиты, фарингиты).

Наибольшую опасность для здоровья представляет процесс электролиза глинозема, протекающий в расплавленном криолите (Na₃AlF₆) при температуре 950 °С. Электролиз расплавленных солей может сопровождаться выбросами большого количества фторидной пыли, фторсодержащих газов, а также паров и частиц битума-компонента анодной массы. Рабочим, занятым на этой операции, также грозят ожоги кожи и глаз при попадании на них расплавленного металла. Во избежании несчастных случаев электролизные ванны необходимо надежно изолировать, рабочие должны иметь средства индивидуальной защиты:, противопылевые маски, очки,,, перчатки, фартуки, сапоги и т.д. В электролизных цехах должен регулярно проводиться контроль за содержанием пыли в воздухе.

ПДК алюминия и его оксида по ГОСТу и нормативам США приведены ниже:

Стандарт	Вещество	Агрегатное состояние	ПДК, мг/м 1 (в пересчете на металл)
ГОСТ 12. 1.005	Алюминий	Пыль	2
STEL ACGIH*	Алюминий, оксид алюминия	Пыль	20
TLV ACGIII**	То же	То же	10
TLV ACGIH	Алюминий	Порошок (от 00,2 до 0,04 мкм)	5
TLV ACGIH	Алюминий	Пары	5
* Предел кратковременного влияния, т.е. максимальная концентрация, воздействию которой человек может подвергаться не более 15 минут подряд при условии, что в течении дня допускается не более 4-х таких воздействий с промежутками не менее 60 минут. ** Величина порогового предела концентрации вещества, устанавливаемая американской конференцией государственных гигиенистов и определенная для 8-часового рабочего дня и 40-часовой рабочей недели.

Статьи

Свойства алюминия