1.2. Свойства алюминия
Алюминий представляет собой серебристо-белый металл с синеватым оттенком. Уникальное сочетание свойств алюминия - малая плотность, высокая тепло- и электропроводность, коррозионная стойкость, хорошая механическая прочность в сочетании с высокой пластичностью — обеспечили широкое применение, как чистого металла, так и сплавов на его основе. Рассмотрим подробнее свойства алюминия [1, 6].
1.2.1. Физические свойства. Теоретическая плотность алюминия, рассчитанная по параметрам его кристаллической решетки, 2698,72 кг/м3, а экспериментальные значения находятся в пределах 2696,6-2698,8 кг/м3. Зависимость между плотностью алюминия и его составом имеет линейный характер, что позволяет достаточно точно определять расчетную плотность как сумму плотностей каждого элемента с учетом его содержания в алюминии [7].
Коэффициент термического расширения а отожженного алюминия чистотой 99,99 % при температуре 20 °С составляет 23*10-6К-1 и линейно возрастает до 37,3*10-6К-1 при температуре 627°С [7].
Теплопроводность отожженного алюминия в твердом состоянии снижается по мере роста температуры с 2,37 (при 25 °С) до 2,08 Вт • см -1 • К -1 (при 933,5 °С) [7].
Электрическое сопротивление алюминия чистотой 99,996 % при температуре 20°С составляет 2,6548*10 -8 Ом • м (0,0265 мкОм • м). В интервале температур 0-25°С температурная зависимость электрического сопротивления чистого алюминия почти линейна при постоянном коэффициенте 1,15*10~8 Ом • м • "С"1. Электропроводность и теплопроводность алюминия зависят от чистоты металла, причем влияние различных примесей на эти показатели неодинаково. Наиболее сильно повышают сопротивление алюминия примеси хрома, лития, марганца, магния, титана и ванадия [7]. Удельное электросопротивление р (мкОм • м) отожженной алюминиевой проволоки в зависимости от содержания примесей (%) можно приближенно определить по следующей формуле [8]:
р = 0,0264 + 0,007Si + 0,0007Fe + 0,04 (Ti + V + Сг + Mn).
Электропроводность технического алюминия высока и уступает только благородным металлам (золото, платина, серебро), а также меди и ртути. В зависимости от чистоты алюминия она составляет 62-65 % от электропроводности меди, но алюминий легче меди в 3,3 раза и поэтому для изготовления проводников одинаковой электропроводности алюминия расходуется в 2,16 раза меньше, чем меди. Если же учесть, что алюминий дешевле меди, становится понятным его широкое применение в электротехнике в качестве проводникового материала. Алюминий при температуре 1,175 ± 0,001 К переходит в сверхпроводящее состояние, т.е. при протекании тока в алюминиевом проводнике в нем не происходит потерь энергии. Однако эта столь привлекательная особенность алюминия не может быть использована практически, поскольку достижение таких температур связано с труднопреодолимыми препятствиями и пока нереально.
Большой практический интерес представляют физические свойства расплавленного алюминия. Так, плотность расплавленного алюминия чистотой 99,996 % на 6,6 % меньше, чем у твердого металла и зависит от температуры, что характеризуется следующими данными [7]:
Температура, °С Плотность, кг/м
660 2368
700 2357
750 2345
800 2332
850 2319
900 2304
При нагревании алюминия и переходе его из твердого состояния в жидкое у него резко снижается теплопроводность: с 2,08 до 0,907 Вт • см -1 • К -1, но далее по мере роста температуры она возрастает и при 1000°С составляет уже1,01 Вт • см -1 • К -1.
Температура плавления алюминия очень чувствительна к чистоте металла и для алюминия чистотой 99,996% составляет 660,3°С, а температура начала кристаллизации алюминия по Международной шкале температур 1968 г. считается равной 660,37°С. Температура кипения алюминия около 2494°С. Скрытая теплота плавления для чистого алюминия 397 Дж • г -1 (95,4 кал • г -1), а скрытая теплота испарения 9462 Дж • г -1 (2260 кал*г-1).
Удельная теплоемкость Ср алюминия при 0° составляет 0,90 Дж • г -1 • К -1 и по мере увеличения температуры возрастает и определяется уравнением
ср = со+ьт,
где Со - теплоемкость при температуре 0 °С; b - 2,96 • 10 -3; Т - температура, К.
Поверхностное натяжение и вязкость расплавленного алюминия с ростом температуры снижаются. Однако вязкость алюминия увеличивается при наличии даже небольшого количества оксида алюминия (глинозема) и нерастворимых примесей. Легирующие добавки Ti, Fe, Си увеличивают, a Si и Mg снижают вязкость сплава [7].
1.2.2. Химические свойства. Порядковый номер алюминия в Периодической системе Д.И. Менделеева 13 и по последним Данным [7] его атомная масса составляет 26,9815 (по углероду 12С и 26,98974 (по кислороду 16О).
Основным изотопом является 27А1, который устойчив и состоит из 14 нейтронов и 13 протонов. Кроме одного изотопа А1, период полураспада которого равен 106 лет, установлено существование еще шести изотопов с массовыми числами 23, 24, 25, 26, 28 и 29 с малыми периодами полураспада (от 0,13 до 396 с), которые очень мало распространены в природе (от 2 • 10 -5 до 1,5 • 10 -4 %).Алюминий трехвалентен и его 13 электронов расположены на оболочках Is2, 2s2, 2p6, 3s2, 3pl. На внешнем электронном слое М находятся три валентных электрона: два на ЗS-орбите с потенциалами ионизации 1800 и 2300 кДж/моль и один на 3р-орбите с потенциалом 574,5 кДж/моль. Поэтому в химических соединениях алюминий обычно трехвалентен, а при высоких температурах устойчивы и одновалентные соединения (субсоединения).
Кристаллическая решетка алюминия - гранецентрированный куб, которая устойчива при температуре от 4 К до точки плавления. В алюминии нет аллотропических превращений, т.е. его строение всегда постоянно. Примеси в алюминии незначительно влияют на значения параметров решетки.
Алюминий обладает большой химической активностью; энергия образования его соединений с кислородом, серой и углеродом весьма велика. В ряду напряжений он занимает место среди наиболее электроотрицательных элементов, и его нормальный электродный потенциал равен -1,67 В. В обычных условиях, взаимодействуя с кислородом воздуха, алюминий покрыт тонкой (2•10 -5 см) и прочной пленкой оксида алюминия А12О3, которая защищает от дальнейшего окисления и обусловливает его высокую коррозионную стойкость. Однако при наличии в алюминии или окружающей среде Hg, Na, Mg, Ca, Si, Си и некоторых других элементов прочность оксидной пленки и ее защитные свойства резко снижаются.
Теплота образования А12О3 очень высока и равна 1670 кДж/моль, что позволяет эффективно использовать алюминий для восстановления других металлов из оксидов (алюминотермия). При нагревании, взаимодействуя с серой, алюминий образует сульфид алюминия A12S3. Хлорид А1С13 и фторид A1F3 образуются при взаимодействии с соответствующими элементами с выделением значительного количества тепла: 680 и 1385 кДж/моль соответственно. При нагревании этих соединений в присутствии алюминия идут реакции образования субхлорида А1С1 и субфторида A1F алюминия.
С азотом алюминий взаимодействует при нагревании выше 800°С и образует нитрид алюминия A1N. Взаимодействие алюминия с углеродом при температуре 1200°С приводит к образованию карбида алюминия А14С3. В присутствии же расплавленных солей (криолит и др.) эта реакция протекает при более низкой температуре - около 1000°С. Алюминий химически не взаимодействует с водородом, но этот газ в значительных количествах растворим как в твердом, так и в жидком алюминии. Считается [7], что и другие газы могут присутствовать в алюминии, если неметаллические соединения, находящиеся в расплаве, вступают в реакцию с окружающей атмосферой. Расплавленный алюминий активно реагирует с оксидом и диоксидом углерода и парами воды.
Таблица 1.3 Растворимость водорода в алюминии, см3/100 г AI
Температу-
pa, C
|
Данные Ренслея с
сотр.
|
Данные Эйхенауэра
с сотр.
|
400
|
0,004
|
0,003
|
500
|
0,01
|
0,01
|
600
|
0,025
|
0,03
|
660(твердый)
|
0,04
|
0,05
|
660(жидкий)
|
0,69
|
0,46
|
700
|
0,91
|
0,63
|
800
|
1,68
|
1,23
|
Наибольший интерес представляет растворимость водорода в алюминии, так как его присутствие в металле ухудшает механические свойства алюминия и сплавов. В табл. 1.3 [7] показана растворимость водорода в твердом и жидком алюминии. Водород в алюминии в количествах, превосходящих растворимость в твердом состоянии, рассматривается как вредная примесь.
Алюминий обладает амфотерными свойствами, т.е., реагируя с кислотами, образует соответствующие соли, а при взаимодействии со щелочами - алюминаты. Данная особенность существенно расширяет возможности извлечения алюминия из руд различного состава. Алюминий растворяется в серной и соляной кислотах и в щелочах, но органические и концентрированная азотная кислота на алюминий не действуют.
1.2.3. Механические свойства алюминия в значительной степени зависят от количества примесей в нем, от предварительной механической обработки (наклеп, отжиг и пр.) и температуры. Прочностные свойства алюминия растут, а пластичность уменьшается с увеличением содержания примесей, причем эти свойства проявляются даже при изменении чистоты алюминия 99,5-99,99 %.
Основные механические свойства алюминия характеризуются следующими показателями:
• модуль упругости (или модуль Юнга) Е - отношение приложенного усилия к линейной деформации в пределах упругого участка растяжения. Для алюминия чистотой 99,25 % при комнатной температуре он равен 710 МПа, а для алюминия чистотой 99,98 % составляет только 670 МПа;
• предел прочности σв - напряжение, соответствующее
наибольшей нагрузке перед разрушением, при комнатной температуре составляет для алюминия чистотой 99,99 % - 4,5; 99,8 % - 6,3; 99,7% - 6,7; 99,6 % - 7,0 МПа;
• относительное удлинение характеризует пластичность металла и составляет при комнатной температуре для алюминия чистотой 99,5% - 45%, а при чистоте алюминия 99,99 % - 61 %, увеличиваясь при температуре 427°С до 131%.
|
