Alumiiniumi referaat (0)

Janno Reilik
ALUMIINIUM
REFERAAT
Õppeaines: TEHNOMATERJALID
Mehaanikateaduskond
Õpperühm: MI11
Juhendaja : lektor Annika Koitmäe
Esitamiskuupäev: 29.10.2014
Üliõpilase allkiri :…………….
Õppejõu allkiri: ……………..
Tallinn 2015
SISUKOR
SISSEJUHATUS 3
1. ALUMIINIUM 4
1.1.Tootmine 4
1.2.Ajalugu 5
1.3. Aatomi ehitus 5
1.3.1.Kristallvõreehitus 6
1.4.Alumiiniumi kasutamine 6
1Alumiiniumi ühendid 7
1.6.Alumiiniumi sulamid 7
1.6.1. Alumiiniumisulamid 8
1.6.2.Alumiiniumsulamite termotöötlus 8
1.6.3.Alumiiniumi deformeeritavad sulamid 9
1.6.4.Alumiiniumi valusulamid 10
1.7.Alumiiniumi omadused 12
Kokkuvõte 14
Viidatud allikad 15
SISSEJUHATUS 3
1. ALUMIINIUM 4
1.1. Tootmine 4
1.2. Ajalugu 5
1.3. Aatomi ehitus 5
1.3.1. Kristallvõreehitus 6
1.4. Alumiiniumi kasutamine 6
1.5. Alumiiniumi ühendid 7
1.6. Alumiiniumi sulamid 7
1.6.1. Alumiiniumisulamid 8
1.6.2. Alumiiniumsulamite termotöötlus 8
1.6.3. Alumiiniumi deformeeritavad sulamid 9
1.6.4. Alumiiniumi valusulamid 10
1.7. Alumiiniumi omadused 11
Kokkuvõte 14
Viidatud allikad 15

SISSEJUHATUS

Käesolev töö annab ettekujutuse alumiiniumist, selle ehitusest ning tootmisest. Lisaks sellele on lahti seletatud tema sulamid, omadused ning räägitud on ka ajaloost. Referaadis on kasutatud peamiselt välismaa allikaid .

ALUMIINIUM

Alumiinium on hõbevalge metall , keemiline element, järjekorra numbriga 13. Alumiinium on kõige levinum metall maakoores (8%). Samuti on ta kolmandal kohal, hapniku ja räni järel, keemilise elemendina, mida leidub maakoores. Puhtal kujul alumiiniumi ei leidu, kuna see seguneb väga lihtsalt teiste elementidega. [1] Alumiiniumil on üks stabiilne looduslik isotoop massiarvuga 27. Radioaktiivne isotoop massiarvuga 26 tekib looduses kosmiliste kiirte mõjul. Alumiiniumil on metalli kohta märkimisväärselt väike tihedus ja hea vastupidavus korrosioonile. Alumiinium ja selle sulamid on olulised lennunduses ja muudes transpordisektorites. Kõige kasulikumad alumiiniumiühendid on oksiidid ja sulfaadid . Vaatamata alumiiniumi laiale levikule looduses ei ole teada ühtegi eluvormi, kes tarbiks alumiiniumi soolasid. Laia leviku tõttu on alumiiniumühendite bioloogiline kasulikkus siiani teadlaste huviobjektiks. [2]

Tootmine

Puhast alumiiniumi ei esine looduses puhtal kujul. Alumiiniumi toodetakse peamiselt elektriga , mis kujunes välja aastal 1886 ning on kasutusel tänaseni. [3]
Alumiiniumi tootmise protsess algab boksiidi kaevandamisest, mis on alumiiniumirikas mineraal , nimega alumiiniumhüdroksiid. Umbes 90% maailmas asub boksiit troopilistes piirkondades. [3]
Alumiiniumhüdroksiidi tootmisel boksiit purustatakse, kuivatatakse ja jahvatatakse veskites, kus segatakse seda väikese koguse veega. Selle tulemusel tekib kuum, paks pasta ning seejärel kuumutatakse, et eemaldada sealt räni. Maagi laaditakse autoklaavides ja töödeldud lubjaga seebikivina. Alumiiniumoksiid jääb peale ning ülejäänud mineraalid tekitavad põhja punase muda . Naatriumalumiidi lahust segatakse sadestajas mitu päeva ning lõpuks puhas alumiiniumoksiid, Al2O3, settib allosas. [3]
Vähendamise protsessil valatakse alumiiniumoksiid vormidesse ja pannakse ahju 950 kraadi juures. Elektrit kasutades 400kW või rohkem, eemalduvad hapnik ja alumiinium üksteisest ning poti põhja jääb puhas alumiinium. [3]

Ajalugu

Aastal 1808 inglise keemik Sir Humphry Davy palkas elektrolüüsijad, kes tuvastasid mitmeid metalle ning sealhulgas ka seda, et alumiiniumoksiidist saab metalli ning ta nimetas selle alumiiniumiks.Aastal 1821 avastati boksiit, mis sai nime oma asukohast Les Bauxi provints, mis asub lõuna Prantsusmaal. Avastuse, et boksiidist saab alumiiniumi, tegi geoloog Pierre Berthier. Aastal 1825 25. märtsil teatas taani füüsik Hans Christian Oersted, et elektrolüüsijad on tootnud esimese alumiiniumi, kuid jäi teadmatuks, kas see oli puhas alumiinium või mitte. Aastal 1845 Friedrich Wöhler, saksa keemik, jätkas Taani füüsiku katseid ning sai alumiiniumi sulamist väikesed pallid, kuid see ei olnud puhas alumiinium, vaid sisaldas ka plaatina , elavhõbe ning kaaliumi . Aastal 1854 saadi esimene puhas alumiinium, mida hakkas kasutama Napoleon III ning oli kallim kui kuld või hõbe , seetõttu nimetati see väärismetalliks. Edaspidi hakati tootma alumiiniumi suurtes kogustes , kasutades seda rakettides, poodiumite ja muu sellise tegemiseks. [4]

Aatomi ehitus

Joonis 1 Aatomi ehitus [5]
Alumiiniumil on aatomis 13 prootonit ja 14 neutronit (Joonis 1). Prootonid jagunevad järgmiselt: 2 esimeses kihis, 8 teisies kihis ja 3 kolmandas kihis. Neutronid on laenguta elementaarosakesed. Alumiinium on mitteülemineku metall ehk ta saab ära anda 3 elektroni või mitte midagi, kui tast saab sulam , nt boksiit.

Kristallvõreehitus

Joonis 2 Kristallvõre ehitus [6]
Alumiiniumi kristallvõre on omane tahkkesendatud kuupvõre (K12). Igal tahul asetseb oma aatom (Joonis 2).

Alumiiniumi kasutamine

Alumiiniumi ja alumiiniumi sulameid kasutatakse peamiselt kõikjal.
Transpordis kasutatakse alumiiniumi igalpool alustades jalgrattast lõpetades kosmoselaevaga. See metal laseb meil ületada kiiruseid, lennata üle ookeonite ja lahkuda isegi planeedilt. Transport moodustab ka suurima alumiiniumi tarbe (27%). [7] “The speed was power , the speed was joy, and the speed was pure beauty” [8]. Alumiiniumi kasutatakse veel suures koguses ehitistes (25%), pakendustes, igasuguses elektroonikas ja muudes ühiskonna vajadustes (spordi varustus, telekad, telefonid, peeglid jne). Tänu alumiiniumile on meil elekter, sellest on tehtud elektrijaamad ja kaablid .

Alumiiniumi ühendid

Sulfaadid
Alumiiniumsulfaati (Al2(SO4)3(H2O)18) toodetakse igal aastal miljardeid kilogramme. Umbes pool toodangust kasutatakse ära veepuhastuses. Veel kasutatakse alumiiniumsulfaati paberi tootmiseks, toidulisandites, tulekindlustoodetes ja naha parkimiseks. [9]
Oksiidid
Enamik alumiiniumoksiidi toodangust kasutatakse alumiiniumi ümbertöötlemiseks. Samuti kasutatakse alumiiniumoksiidi katalüsaatorina. [9]
Kloriidid
Alumiiniumkloriidi ( AlCl3 ) kasutatakse nafta rafineerimiseks ning sünteetilise kummi ja polümeeride tootmiseks. [9]

Alumiiniumi sulamid

Lähtuvalt toodete valmistamise moodustamisest jaotatakse alumiiniumsulamid [10]:
- deformeeritavad (survetöödeldavad) sulamid
- valusulamid
Termotöödeldavuse põhjal liigitatakse alumiiniumsulamid
- termotöödeldavad (karastatavad ja vanandatavad)
- mittetöödeldavad (mittekarastatavad ega –vanandatavad)
Alumiiniumi sulameid kasutatakse palju konstruktsioonides.
Enamik deformeeritavaid alumiiniumsulameid 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. [10]
Alumiiniumi sulamite tugevus ja vastupidavus varieerub . Erinevused ei tulene ainult koostisest, vaid ka tootmisprotsessist ning töötlemiskuumusest. Teadmatusest valesti disainitud konstruktsioonid on loonud alumiiniumile halva maine. [10]
Põhiline alumiiniumisulami puudus on tugevuse väsimine. Seetõttu määratakse alumiiniumkonstruktsioonidele eluiga, erinevalt näiteks terasest , mis võib olla igavene . [10]
Teine alumiiniumi puudus on soojustundlikkus. Erinevalt terasest hakkab alumiinium sulama enne hõõgumist, seetõttu ei ole visuaalseid märke metalli jõudmisest sulamislähedasele temperatuurile. Nagu teistel metallidel, tekivad ka alumiiniumil kuumutamise tagajärjel sisemised pinged . Kuna alumiiniumi sulamispunkt on väga väike, muudab see alumiiniumi töötlemise ja keevitamise raskeks. [10]

Alumiiniumisulamid

Järgnevalt toodud alumiiniumsulameid [10] :
AlSi (silumiin) – räni 10–13%, lihtsate detailide valmistamiseks
AlSiCu – vastutusrikaste valandite valmistamiseks ( plokk )
AlMg – kõrge korrosioonikindlus ja head mehaanilised omadused, halvem valatavus
AlCu – hea valatavus, madalam korrosioonikindlus
AlMg, AlMn, AlSi – kasutatakse ilma termotöötluseta, plastsed , korrosioonikindlad
AlCuMg – duralumiinium ; kasutusel alates 1907. aastast
AlZnMgCu – kõrgtugev alumiiniumi sulam (vanandatav)

Alumiiniumsulamite termotöötlus

Alumiiniumisulamite tugevdamiseks rakendatakse karastamist ja vanandamist, ebapüsivate struktuuride ja kristallilise ehituse deformatsioonidefektide kõrvaldamiseks ka lõõmutamist. [11]
Karastamine seisneb kuumutamises temperatuurini, mil sulami intermetallilised(keemiline ühend) faasid lahustuvad alumiiniumis kas täielikult või osaliselt, sellel temperatuuril seisutamises ja seejärel kiires jahutamises üleküllastatud tardlahuse saamiseks. [11]
Vanandamine on karastamisel järgnev toatemperatuuril seisutamine mõned ööpäevad. Vanandamise käigus toimuvad üleküllastunud a-tardlahuses muutused, mille tulemusena sulam tugevneb. [11]
Loomulikul(20 °C) ja madalatemperatuursel kunstlikul(100...150 °C) vanandamisel ei täheldata üleküllastunud tardlahusest liigse vase eraldumist – toimub vaid vase aatomite ümberpaigutus tardlahuse kristallivõres ja vaserikaste tsoonide teke. Kuumutamisel 200...250 °C toimub stabiilse ühendi CuAl2 teke. [11]
Vanandamine põhineb asjaolul, et süsteemi sulamites esineb piiratud lahustuvus , mis erineb suuresti madalal ja kõrgel temperatuuril. [11]
Vanandamisel tõuseb sulami kõvadus , tõmbetugevus ja voolavuspiir . Seejuures väheneb plastsus ja sitkus. [11]
Lõõmutamine võib olla homogeniseeriv või rekristalliseeriv. [11]
Homogeniseeriva lõõmutamise eesmärk on kõrvaldada dendriitset likvatsiooni(metalli kristallide koostise ebaühtlust). Lõõmutatakse temperatuuril 450...520 °C kestusega 4...40 h ning jahutatakse õhus või koos ahjuga. [11]
Rekristalliseeriva lõõmutamise eesmärk on kõrvaldada kalestumine ja peenendada tera. Lõõmutatakse temperatuuril 350...500 °C kestusega 0,5...2 h. [11]
Karastamise ja vanandamise efekt kaob, kui lõõmutada temperatuuril 350...450 °C kestusega 1...2 h. [11]

Alumiiniumi deformeeritavad sulamid

Deformeeritavad sulamid jagunevad [11]:

• sulamid, mida termotöötlusega ei tugevda: Al-Mn ja Al-Mg
  
• termotöötlusega tugevdatavad sulamid: Al-Cu, Al-Cu-Ni, Al-Mg-Si, Al-Zn-Cu ja Al-Li
  

Ühendid [11]:

Al-Mn - magnaalimid
Sisaldavad 1..2% Mn, on puhtast alumiiniumist 15% tugevamad ning veidi suurema korrosioonikindlusega.

Al-Mg
Sisaldavad kuni 10% Mg, kuna Mg lahustuvus alumiiniumis suurem. Tootmisel on oluline puhta
alumiiniumi kasutamine

Al-Cu
Vase lahustuvus toatemperatuuril on maksimaalselt 0,2 massiprotsenti, kuid temperatuuril 548 °C kuni 5,7%... vastavalt faasidagrammile

Alumiiniumi valusulamid

AlSi – silumiinid
Ei moodusta ega oma koostises keemilisi ühendeid. Sulamites alates ränisisaldusest 1,65% esineb eutektmuutus temperatuuril 577 °C, mil moodustub eutektikum ränisisaldusel 11,7%. [11]
Tardlahusest ja ränist moodustunud eutektikum ( a +Si) on plastne tänu tardlahusest maatriksile, vaatamata selles paiknevale haprale ränile. Eutektsulami voolavus on hea, mistõttu kasutataksegi neid valusulamitena. [11]
Enamkasutatavad Al-valusulamid sisaldavad 10...13% räni, mispuhul on need sulamid ligilähedased eutektkoostisele. [11]
Eutektstruktuur on üldiselt jämedateraline, mis teeb sulami hapraks. Struktuuri peenendamiseks või ka üleeutektse sulami struktuuri asemel eeleutektse struktuuriga sulami saamiseks lisatakse vedelmetalli väikeses koguses (ca 0,01%) naatriumi. Sellist töötlust nimetatakse modifitseerimiseks. [11]
Modifitseerimise tulemusena saadakse peeneteraline üleeutektsulameile omane haprate ränikristallideta struktuur. [11]
Modifitseerimine alandab ka eutektmuutuse temperatuuri, mis on Al-Si faasidiagrammil näidatud punktiiriga. [11]
Al-Cu
Põhiline eelis on hea kuumustugevus ning lõiketöödeldavus . Puuduseks on halb valatavus ja halb
korrosioonikindlus. Kasutatakse niisuguste detailide valmistamiseks, mis on ette nähtud tööks
temperatuuril kuni 350 °C (nt. sidurikarterid). [11]
Al-Mg - magnaaliumid
Väikese tiheduse, suure tugevuse ja plastsusega, hea keevitatavuse, lõiketöödeldavuse ning
korrosioonikindlusega. [11]
Puuduseks halb valatavus ja soojusjuhtivus ning madal kuumustugevus(lubatav töötemperatuur kuni 100 °C). [11]
Alumiiniumi valusulamite (nagu ka vase valusulamite) mehaanilised omadused sõltuvad suurel määral valuviisist ja pärastisest termotöötlusest. Viimane on sageli mitmeastmeline (nt. karastamine + loomulik vanandamine, karastamine + kunstlik vanandamine, astmeline karastamine + noolutamine ). [11]
Silumiinide valamisel rakendatav modifitseerimine peaaegu ei muuda sulami keemilist koostist, ent parandab oluliselt valandi mehaanilisi omadusi. Laialt kasutataval valusulamil 7% Si on sel viisil näiteks võimalik koos valamisjärgse termotöötlusega saavutada tõmbetugevus kuni 250 N/mm2 ja kõvadus kuni 70…80 HB. [11]

Alumiiniumi omadused

Kaal
Alumiiniumi tihedus on 2,7 g/cm3, kõigest umbkaudu kolmandik terase tihedusest. [12]
Tõmbetugevus
Alumiiniumisulamite tõmbetugevus jääb vahemikku 70–700 MPa. Pressimiseks kasutatakse enamasti sulameid tõmbetugevusega 150–300 MPa. Erinevalt paljudest terasesulamitest ei muutu alumiinium madalatel temperatuuridel rabedaks, vaid vastupidi – tugevamaks. Kõrgetel temperatuuridel metalli tugevus väheneb. Kui temperatuur on pidevalt üle 100 °C, väheneb alumiiniumi tugevus nii palju, et seda momenti tuleb juba elemendi projekteerimisetapis arvesse võtta. [12]
Soojuspaisumine
Võrreldes teiste metallidega on alumiiniumi soojuspaisumise kordaja suhteliselt suur. Mõne osa kavandamisel tuleb sellega arvestada. [12]
Vormitavus
Lisaks pressimisele saab alumiiniumi nii külmas kui ka soojas keskkonnas rullida ja painutada. [12]
Mehaaniline töötlemine
Alumiinium allub hästi enamikule töötlemisviisidele: freesimisele, puurimisele, lõikamisele , mulgustamisele, väänamisele ja painutamisele. Töötlemise energiakulu on väike. [12]
Liitmine
Liitekohad on tihti profiili juba sisse kavandatud. Lisaks saab alumiiniumelemente liita keevitamise (sula- ja hõõrdkeevitus ), teipimise ja liimimise teel. [12]
Elektrijuhtivus
Alumiinium on väga hea soojus - ja elektrijuht . Alumiiniumist juht on kaks korda kergem kui sama elektrijuhtivuse näitajaga vasest juht. [12]
Peegeldamisvõime
Alumiinium peegeldab hästi nii nähtavat valgust kui ka soojuskiirgust. [12]
Varjestamine ja elektromagnetiline ühelduvus
Alumiiniumkorpused neelavad tõhusalt elektromagnetilist kiirgust või kaitsevad selle eest. [12]
Korrosioonikindlus
Kui alumiinium reageerib õhus sisalduva hapnikuga, tekib metalli pinnale väga õhuke oksiidikiht , mille paksuseks on vaid paar sajandikku µm (1 µm on üks tuhandik millimeetrist ). See kiht on väga vastupidav ja tagab suurepärase korrosioonivastase kaitse. Kihi kahjustamise korral taastub see kiiresti. Anoodimisega suurendatakse oksiidikihi paksust ja tugevdatakse nii veelgi alumiiniumi loomulikku korrosioonikindlust. Alumiinium on väga vastupidav materjal neutraalsetes ja mõõdukalt happelistes keskkondades . Aluselistes ja väga happelistes keskkondades korrodeerub see kiiresti. [12]

Kokkuvõte

Lugedes seda referaati, saame järeldada seda, et alumiiniumi kasutatakse igalpool, kus võimalik ning ei lõpetata selle kasutamist. Puhast alumiiniumi ei ole kerge teha ning seda ei leidu looduses puhtal kujul. Alumiiniumi kasutamine saab minna ainult efektiivsemaks ja igapäev mõeldakse välja uusi võimalusi, kuidas seda maksimaalselt ära kasutada.

Viidatud allikad

[1]
"alumiinium," [Online]. Available : http://aluminiumleader.com/about_aluminium/what_is_aluminum/ .
[2]
H. O, Aluminum Compounds, Inorganic, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2007.
[3]
"alumiiniumi tootmine," [Online]. Available: http://aluminiumleader.com/production/aluminum_production/ .
[4]
"ajalugu," [Online]. Available: http://aluminiumleader.com/history/timeline/ .
[5]
"aatomi struktuur," [Online]. Available: http://www.saburchill.com/chemistry/visual/atoms/013.html .
[6]
"kristallvõre," [Online]. Available: https://www.webelements.com/aluminium/crystal_structure.html .
[7]
"transpordis kasutamine," [Online]. Available: http://aluminiumleader.com/application/transport/ .
[8]
R. Bach .
[9]
[Online]. Available: https://et.wikipedia.org/wiki/Alumiinium#.C3.9Chendid .
[10]
wikipedia, [Online]. Available: https://et.wikipedia.org/wiki/Alumiinium#Sulamid .
[11]
[Online]. Available: http://huge.planet.ee/ttu/materjalid/materjalitehnika/materjalitehnika_konspekt.pdf .
[12]
"alumiiniumi iseloomustus," [Online]. Available: http://www.sapagroup.com/ee/sapa-profiilid-as/alumiiniumist/alumiiniumi-omadused/ .
[13]
" Aluminium production ," [Online]. Available: http://aluminiumleader.com/production/aluminum_production/ .
[14]
"Alumiiniumi tootmine," [Online]. Available: http://aluminiumleader.com/production/aluminum_production/ .
[15]
"alumiiniumi ajalugu," [Online]. Available: http://aluminiumleader.com/history/timeline/ .
[16]
"alumiiniumi aatomi struktuur," [Online]. Available: http://www.saburchill.com/chemistry/visual/atoms/013.html .
[17]
"alumiiniumi kristallvõre struktuur," [Online]. Available: https://www.webelements.com/aluminium/crystal_structure.html .
[18]
"Al kasutamine transpordis," [Online]. Available: http://aluminiumleader.com/application/transport/ .
[19]
R. Bach.
[20]
Wikipedia, [Online]. Available: https://et.wikipedia.org/wiki/Alumiinium#.C3.9Chendid .