Применение алюминия и его сплавов

 

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 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.

primenenie-alyuminiyaРисунок – 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.

Рисунок — Оконные алюминиевые профили с терморазвязкой

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.

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 алюминия для кровли и облицовки обеспечивают следующие его свойства:

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

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.

Рисунок — Алюминиевый блок цилиндров автомобиля

Рисунок — Алюминиевый автомобильный колесный диск

Применение алюминия для изготовления автомобильных деталей обусловлено следующими его свойствами:

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


Рисунок — Алюминиевая рама автомобиля

Алюминий 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)

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

Основные требования к алюминиевым сплавам в аэрокосмической промышленности:

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

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.


Рисунок — 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. 

 

Рисунок — Колесо  марсоходаCuriosity из алюминиевого сплава 7075-Т7351

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

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.

Рисунок — 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

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.


Рисунок — 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.

 

Рисунок — Алюминиевая упаковочная фольга

Провода  и кабели

Высокая электрическая проводимость марок алюминия серии 1000 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.

Рисунок

Требования к алюминию, который применяется для электротехнических приложений:

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.


Рисунок

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.

Рисунок — 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:

  1.  WellMet, University of Cambridge, July 2010
  2. Lightweight Materials—Understanding the Basics /ed. F.C. Campbell — ASM International, 2012
  3. https://blogs.nasa.gov/Rocketology/tag/aluminum/