Alumiinium ja tema sulamid (1)

Tarmo Soots
ALUMIINIUM
JA
TEMA SULAMID
REFERAAT
Õppeaines: TEHNOMATERJALID
Mehaanikateaduskond
Õpperühm: KMI11
Juhendaja : Annika Koitmäe
Tallinn 2011

1. SISSEJUHATUS

1827 a sai Saksa keemik, kes oli hariduselt arst, Friedrich Wöhler metalli, mida keegi polnud kunagi näinud. Algul eraldas ta metalli keemilisest ühendist halli pulbrina, mis peenestamisel omandas metalse läike. Katsed saada seda metalli kangina või suurte teradenajäid esialgu tulemuseta . Alles 1845 a, peale 18 aastat püsivaid otsinguid sai Wöhler uut metalli nööpnõelapea suuruste teradena. Väliselt oli see sarnane hõbedaga, kuid 4 korda kergem. Kuna uue metalli saamise lähteaineks oli ammu tuntud maarjased ( ladina keeles alumen), siis hakati ka seda metalli kutsuma alumiiniumiks.
Veel 100 aastat tagasi oli alumiinium väga haruldane ja hinnaline metall , millest valmistati vaid luksusesemeid. Tänapäeval kasutatakse alumiiniumit väga erinevatel elualadel alustades toiduainetööstusega ja lõpetades lennukiehitusega. Masinaehituse kasutatakse enamasti alumiiniumisulameid. Kuna alumiinium on ka hea peegeldusvõimega kasutatakse teda peeglite valmistamisel.

2. LEIDUMINE LOODUSES

Looduses ei leidu alumiiniumi ehedana ehk lihtainena. Suure keemilise aktiivsuse tõttu esineb ta vaid ühenditena savide ja mineraalide koostises. Alumiiniumiühendid on looduses väga laialt levinud. Ta on hapniku ja räni järel levikult kolmas element maakoores. Seega on alumiinium kõige levinum metalne element looduses ja ta moodustab keskmiselt 8,2% maakoore massist. Alumiinium kuulub ka vulkaaniliste kivimite koostisesse.
Tuntuim alumiiniumi tootmise lähteaine on boksiit . Boksiit on tahke kristalne ja valge aine, mis lisandite tõttu võib olla ka pruunikas. Puhast valget savi tuntakse kaoliini nime all ja kasutatakse portselani valmistamiseks.
Alumiiniumoksiidi võib looduses esineda mitmes erinevas kristallvormis. Puhast kristalset alumiiniumoksiidi nimetatakse korundiks. Korund on keemiliselt vastupidav, kõrge sulamistemperaatuuriga ja väga kõva mineraal, mis jääb kõvaduselt alla ainult teemandile. Peeneteralist, tumeda värvusega ja läbipaistmatut korundi nimetatakse smirgliks. Korundi ja smirglit kasutatakse palju lihvimis- ja poleerimisvahenditena (lihvimiskäiad, luisud, lihvimispastad, smirgelpaber, smirgelriie jm.).

3. FÜÜSIKALISED OMADUSED

Alumiinium (Al) on hõbevalge värvusega kerge metall, mida saadakse boksiidist elektrilise rafineerimise teel. Ta on tänapäeval üks tuntumaid ja enamkasutatavaid metalle (tähtsuselt teisel kohal raua järel). Alumiinium on keemiliste elementide perioodilisussüsteemi III rühma element. Järjenumber on 13, aatommass 26,98154. Sulamistemperatuur 660 0C. Sulamisel ei muuda värvi. Alumiinium on teisest väga tuntud värvilisest metallist vasest (Cu) 3,3 korda kergem. Alumiiniumi tihedus on 2,7 kg/cm3. Ta lahustub hapetes ja alustes . Elavhõbedas laguneb täielikult. Ta on aktiivne metall, oksüdeerub intensiivselt õhu käes juba toatemperatuuril, kuid tekkiv oksiidi kiht on väga tihe ja kaitseb edasise oksüdeerumise eest.. Puhas alumiinium on plastne ja mitte eriti kõva. Ta juhib hästi elektrit.

4. KEEMILISED OMADUSED

Alumiinium on keemiliselt aktiivne metall, kuid tänu teda katva tiheda oksiidi kihi tõttu on ta keemiline aktiivsus mõnevõrra väiksem. Oksiidi kiht kaitseb alumiiniumi edasise oksüdeerumise eest ja see muudab ta ka vastupidavamaks nii õhu , vee kui ka mõnede hapete suhtes.

4.1. Reageerimine hapnikuga
Kuumutamisel reageerib alumiinium hapnikuga ning tekib alumiiniumoksiid. Veelgi kergemalt reageerib alumiiniumpulber. Reaktsioon on väga eksotermiline ning temperatuur võib selle käigus tõusta isegi 3000 0C-ni. Alumiiniumoksiid on väga väga püsiv valge värvusega tahke aine. Veega ta ei reageeri ning on küllaltki vastupidav nii hapete , kui leeliste suhtes.

4.2. Reageerimine teiste mittemetallidega
Enamike halogeenidega reageerib alumiinium toatemperatuuril, kuid joodi, väävli,ja teiste mittemetallidega toimub reaktsioon ainult kuumutamisel.

4.3. Reageerimine veega
Toatemperatuuril alumiinium teda katva oksiidikihi tõttu veega ei reageeri. Alles kõrgel temperatuuril (üle 180 0C) hakkab kulgema alumiiniumi reaktsioon veega. Siiski üsna varsti lakkab seegi reaktsioon kuna alumiiniumi pinnale tekib tihe alumiiniumhüdroksiidi kiht. Alumiiniumhüdroksiid on valge värvusega, vees praktiliselt lahustumatu , nõrkade aluseliste omadustega tahke aine.

4.4. Reageerimine lahjendatud hapetega
Lahjendatud hapetega reageerib alumiinium energiliselt. Algselt reageerib hape alumiiniumi pinnal oleva oksiidikihiga ja alles siis alumiiniumi endaga. Seepärast ei tohigi hoida happeid sisaldavaid toiduaineid ( mahlad , hapukapsad jt.) alumiiniumnõudes.

4.5. Reageerimine kontsentreeritud hapetega
Toatemperatuuril kontsentreeritud ja lahjendatud lämmastikhappega ega kontsentreeritud väävelhappega alumiinium ei reageeri, sest nende mõjul tekib tema pinnale eriti püsiv ja hapetele oksiidikiht. Metall passiveerub ja ei reageeri isegi enam tavaliste lahjendatud hapetega. Seepärast ongi võimalik alumiiniumtsisternides transportida lämmastikhapet. Siiski kõrgematel temperatuuridel alumiinium reageerib nii väävelhappe kui lämmastikhappega kuni redutseerub SO2 ja NO2.

5. KASUTUSALAD

Vanasti peeti alumiiniumi väärismetalliks, kuna teda suudeti toota vähe. Seepärast kuni 19. sajandi lõpuni kasutati teda tänu hõbeda sarnasusele erinevate ehete valmistamiseks. Nagu eelpool juba mainitud , kasutatakse alumiiniumi tänapäeval laialdaselt erinevate vajaduste rahuldamiseks:

• hea soojus - ja elektrijuhtivuse tõttu elektrijuhtmetes
  
• kõrge peegeldumisvõime tõttu peeglites ja reflektorites
  
• kerge kaalu tõttu lennuki- ja autotööstuses (peamiselt siiski sulameid)
  
• alumiiniumipulbrit kasutatakse hõbevärvi pigmendina
  
• toidu valmistamisel kasutatakse alumiiniumnõusid
  
• alumiiniumfooliumit kasutatakse toiduainete pakkimisel
  

6. BIOTOIME

Alumiinium , kui keemileine element ei kuulu bioelementide (elutegevuseks vajalike elementide) hulka, kuna ei ole kindlalt teada tema osavõtt ühestki bioprotsessist. Aga siiski on alumiiniumiühendeid kasutatud juba ammu raviainetena. Burow' vedelikku (8%-line alumiiniummetanaadi lahus) kasutatakse kompressivedelikuna ja desinfitseeritakse sellega haavu . Alumiiniumhüdroksiidiga neutraliseeritakse mao ülihappesust. Maarjajääga (alumiiniumkaaliumsulfaat) või sellest valmistatud pulgakestega tõkestatakse verejooksu näiteks kriimustuste või väikeste vigastuste korral habemeajamisel.
Viimastel aastakümnetel on hakatud alumiiniumiühendite mõju inimorganismile seostama Alzheimeri tõvega. Uuringutel on selgunud , et seda tõve põdevatel inimestel on alumiiniumiühendite sisaldus kaks kuni viis korda kõrgem, kui normaalseks peetakse. Eriti oluliselt on alumiiniumi sisaldus tõusnud närvirakkudes ja peaajus. Uurimused on kinnitanud, et neis regioonides, kus alumiiniumi sisaldus joogivees on suurem (üle 0,1 mg/l) oli ka suurem oht haigestuda Alzheimeri tõppe.
Alumiiniumiühendeid on maakoores väga palju, ent lahustuvas vormis on neid vähe. Ka toitainetes on neid ülivähe. Ent toitu ja jookidesse võivad alumiiniumiühendid sattuda , siis kui alumiiniumnõudes valmistatakse ja hoitakse happelisi toite ja jooke . Seetõttu ei tohigi alumiiniumnõudes keeta suppe , kisselle, hapendada piima ega kurke, aurutada mahlu, kuna nendes sisalduvate hapete mõjul pääseb alumiinium lahusesse ja viimasega omakorda organismi. Alumiiniumpotis võib aga keeta putru ja alumiiniumfooliumis võib küpsetada kala või liha, sest nendega kokku puutumisel alumiinium ei reageeri.
Alumiiniumi suure sisalduse korral organismis koguneb ta luudesse ning hakkab seal asendama kaltsiumi ja magneesiumi, takistades luude kujunemist ning muutes need hapramaks. Samuti võivad organismi sattunud alumiiniumiühendid põhjustada aneemiavorme, ajukoore funktsiooni häireid ning takistada mitmete eluks vajalike elementide ( kaltsium, fosfor , raud, fluor , magneesium) omastamist.

7. ALUMIINIUMISULAMID

Kuna puhas alumiinium on suhteliselt pehme, siis kasutatakse ehitus- ja konstruktsioonimaterjalidena mitmeid tema sulameid. Need on oluliselt paremate mehhaaniliste omadustega ja lisaks kõvaduselt on nad lähedased terasele, olles ise terasest mitmeid kordi kergemad. Seepärast kasutataksegi alumiiniumisulameid laialdaselt lennukites , rakettides, ehituses, autotööstuses, kosmoses, taara ja pakkematerjalide valmistamisel. Kuna alumiiniumisulamitel löömise ja hõõrdumise tagajärel ei teki sädemeid kasutatakse neid ka kergesti süttivate materjalide ja lõhkeainete valmistamise tsehhides.
Alles hiljuti töötati välja väga huvitavate mehaaniliste omadustega alumiinium-tsingi sulam . See sulam on toatemperatuuril tahke, kuid mehaanilise surve rakendamisel valgub laiali nagu tärklise lahus. Sellist omadust nimetatakse superplastilisuseks. Muuhulgas kasutatakse seda sulamit ka efektiivse poolstatsionaarse seismilise summutina, mis kaitseb ehitisi maavärinate korral.
Lähtuvalt toodete valmistamise moodustamisest jaotatakse alumiiniumisulamid:

• deformeeritavad (survetöödeldavad) sulamid
  
• valusulamid
  

Termotöödeldavuse põhjal liigitatakse alumiiniumisulamid

• termotöödeldavad (karastatavad ja vanandatavad)
  
• mittetöödeldavad
  

Enamik deformeeritavaid alumiiniumisulameid on ka termotöödeldavad, millega saab suurendada nende sulamite tugevust ja kõvadust. Tugevuse tõstmiseks sulameid karastatakse ja vanandatakse kas loomulikult või kunstlikult. Seejuures saavutatakse tugevus mitte karastamisega , nagu terastel , vaid vanandamisega.

7.1. Duralumiinium
Duralumiinium (ladina keelest durus - kõva ; teistel andmetel esimese tootmiskoha järgi Saksamaal asuva Düreni linna järgi) on kõige tähtsam ja tuntum alumiiniumisulam . Tema valmistamise menetluse leiutas 1906. aastal saksa insener Alfred Wilm. Duralumiinium on deformeeritav ja termiliselt töödeldav. Ta on tugev, kerge, korrosioonikindel ja terasele lähedaste omadustega. Seepärast kasutatakse teda lennukites, kaatrites, allveelaevade ja auto keredes. Duralumiinium on alumiiniumi sulam, mis sisaldab kindlasti vaske (2,2- 5,7%) ja magneesiumi (0,2-2,7%) . Selleks , et anda duralumiiniumile tugevust ja sitkust tuleb teda karastada ja vanandada.
Eriti tugevad on kaks sulamit:

• Al + Cu (4,4%), Mg (1,5%), Mn (0,6%) - tõmbetugevus 470 MPa
  
• Al + Cu (1,6%), Mg (2,5%), Zn (5,6%), Cr (0,23%) - tõmbetugevus 570 MPa
  

Neid sulameid kasutatakse lennuki- ja autotööstuses.

7.2. Silumiin
Silumiin on tuntuim alumiiniumi valusulam. Silumiin sisaldab 85-90% alumiiniumi ja 10-15% räni. Sulamistemperatuur 580 0C. Ta on happekindel, hästi valatav ja korrosiooni kindel sulam ning teda kasutatakse masinatööstuse,mootorikolbide, käigukastide, mootoriplok ja seadmete valmistamisel. Tänu happekindlusele kasutatakse ka keemiatööstuses.

7.3. Magnaalium
Magnaalium on väga korrosiooni kindel sulam. Magnaalium sisaldab lisaks alumiiniumile ka 2-5% magneesiumi ja kuni 1% mangaani. Kui magneesiumi sisaldus sulamis on 10-30%, siis on ta valatav. Sellest sulamist valmistatakse konservipurke, karastusjookide purke, purgikaase, ehitusdetaile ja angaare. Ta on hästi keevitatav .

7.4. Aldrei
Aldrei on sulam, mis sisaldab kuini 1% magneesiumi, rauda ja räni. Sobib hästi juhtmete valmistamiseks, sest on puhtast alumiiniumist tugevam ja vasest kergem.

7.5. Alumel
Alumel on nikli (95%) ja alumiiniumi (2,3%) sulam, milles on veel räni ja mangaani. Alumeli sulamistemperatuur on 1315 -1390 0C. Kasutatakse termoelementide (temperatuurisensorid) valmistamisel.