Alumiiniumi tootmine, tema sulamid ja kasutamine (0)

Alumiiniumi tootmine, tema sulamid ja kasutamine
REFERAAT
Õppeaines: Tehnomaterjalid
Tehnikainstituut
Õpperühm:
Juhendaja :
Esitamiskuupäev:…………….
Üliõpilase allkiri:……………..
Õppejõu allkiri: ………………
Tallinn 2017

Sisukord

Tiitelleht ..........................................................................................................................................1
Sisukord 1
Sissejuhatus 2
Alumiinium 4
Omadused 4
Alumiiniumi levik looduses ning tema tootmine 5
Alumiiniumi kasutamine 5
Ajalugu 6
Sulamid 7
Kasutatud kirjandus 11

Sissejuhatus

Antud referaat on koostatud õppeaine tehnomaterjalid raames. Referaat on jaotatud kuueks peatükiks, alumiiniumit tutvustav osa, alumiiniumi omadused, alumiiniumi levik looduses ning tema tootmine, alumiiniumi kasutamine, ajalugu ning sulamid. Referaadi eesmärk on ise õppida rohkem alumiiniumit tunda kui ka samas lugejale tutvustada alumiiniumit, alumiiniumi kasutusalasi ning tema sulameid . Referaat on koostatud internetist põhineval infol, mis on viidatud referaadi lõpus.

Alumiinium

Alumiinium kuulub keemiliste elementide hulka järjenumbriga 13. Alumiinium oma välimuselt on hõbevalge ning ta on samas ka pehme ja plastne metall . Maakoores on alumiinium kolmas kõige levinum element ning metalliliste elementide hulgast on ta kõige levinum element maakoores. [1]
Alumiinium on keemiliselt niivõrd aktiivne metall, et puhtal kujul seda looduses ei leidu. Alumiiniumit on võimalik leida umbes 270 erinevas mineraalist. Peamiseks alumiiniumi maagiks on boksiit . [1]
Alumiiniumil on mitmeid isotoope, mille massiarvud on 21st 42ni. Nendest ainult kaks, Al27 ning Al26 esinevad looduslikult. 99,9% looduses esinevates juhtudest tegemist Al27 isotoobiga. Alumiiniumi isotoope kasutatakse näiteks ookeanisetete, meteoriitide ja jääliustike dateerimisel. [1]

Omadused

Alumiiniumi on oma omaduselt suhteliselt pehme, vastupidav, kerge, plastne, mis teeb temast hästi sepistatav metalli. Alumiinium ei ole magnetiline ja süttib raskelt . Puhta alumiiniumi voolavuspiir on 7–11 MPa ning sulamite oma 200–600 MPa. Alumiiniumi tihedus 2,7g/cm3, mis on umbes 1/3 terase omast. Alumiinium on kergesti pressitav, valatav ja freesitav, seetõttu on ta tihedalt levinud materjal, mida kasutatakse tööstuses. Alumiinium on väga hea soojus - ja elektrijuht. Alumiiniumil on 59% vase soojus- ja elektrijuhtivusvõimest 3 korda väiksema tiheduse juures. Alumiinium on suuteline olema ülijuht. Alumiiniumil on hea korrosioonikindlus , sest oksüdeerumisel tekib õhuke pindmine alumiiniumoksiidi kiht, mis takistab edasist oksüdeerumist. Suure tugevusega alumiiniumi sulamid on korrosioonile vastuvõtlikumad. [1]

Alumiiniumi levik looduses ning tema tootmine

Alumiinium on kolmas kõige levinum element, temast rohkem leidub ainult hapniku ning räni ning maakoores on ta kõige levinum metalne element, moodustades maakera massist 8,3%. Alumiinium ei esine peaaegu mitte kunagi puhta elemendina, vaid enamasti oksiidi või silikaadina. Kuigi alumiinium on väga tavaline ja laialt levinud element, ei ole tavalised alumiiniumi mineraalid eriti otstarbekad allikad. [1]
Alumiiniumi toodetakse boksiidi maagist. Boksiit on settekivim, mis koosneb peamiselt alumiiniumoksiidist ja alumiiniumhüdroksiidist, ta tekib troopilises kliimas madala raua- ja ränisisaldusega aluspõhja kivimite murenemise tulemusena. [1]
Alumiiniumit toodetakse Hall-Heroulti meetodil, Selline Alumiiniumi elektrolüüsimine tarbib väga suurtes kogustes energiat. Keskmine energiatarve 1 kg alumiiniumi tootmiseks on 15 kilovatt -tundi. Hall-Heroult meetodil on võimalik toota 99% sisaldusega alumiiniumi. Edasi saab alumiiniumi puhastada Hoope protsessi käigus, kus elektrolüüsitakse sulanud alumiiniumi naatriumi, baariumi ja fluoriidi elektrolüütidega. Tulemuseks on 99,99% puhas alumiinium. [1]

Alumiiniumi kasutamine

Alumiinium on maailmas enim kasutatud mitte-raudmetall. Aastal 2005. oli alumiiniumi kogutoodang 31,9 miljonit tonni. See ületab kõikide metallide toodangu peale raua, mida toodeti 837,5 miljonit tonni. [1]
Alumiiniumil on palju eeliseid , mis teevad temast kasuliku materjali: kergus, vastupidavus õhuhapniku ning vee suhtes, hea elektri- ning soojusjuhtivus ja nii edasi. Suurt rolli mängib ka tema odavus võrreldes mõne teise materjaliga . Samas on alumiiniumil ka puudusi: pehmus, vähene mehhaaniline vastupidavus, keemiline aktiivsus hapete suhtes. Alumiiniumi tugevust on võimalik tõsta. Kuna tavaline alumiinium on ehituskonstruktsioonide jaoks liiga pehme siis kasutatakse alumiiniumit ehitus sulamite näol. Alumiiniumi sulamid on palju paremate mehhaaniliste omadustega kui alumiinium. Kõvaduselt on ta sarnane terasele seejuures on ta terasest mitu korda kergemad. Alumiiniumi tähtsaim sulam on duralumiinium . Peale põhikoostisaine sisaldab see ka natuke vaske, magneesiumi ja veel mõnda metalli. Duralumiiniumil on eriline koht lennukiehituses aga ka laevadetailide valmistamisel, ehituses ja mujal. Kuna alumiinium on niivõrd praktiline siis kasutatakse teda väga palju igapäevaelus, sellest valmistatakse näiteks elektrijuhtmeid, alumiiniumfooliumi, alumiiniumnõusid ja nii edasi. [1], [2]
Tööstuses kasutatakse alumiiniumit peaaegu alati sulamina, sest seeläbi on võimalik anda talle paremad omadused. Põhilised sulami komponendid on vask, tsink , magneesium, mangaan ning räni. Puhta metallina kasutatakse alumiiniumit vaid siis, kui on vaja korrosioonikindlust ning töödeldavus on tähtsam kui vastupidavus. [1]
Alumiiniumit kasutatakse näiteks, transpordi valdkonnas autode, lennukite, veoautode, rongivagunite ja muude sõidukite valmistamisel. Ehitusel, akende uste raamides ning konstruktsioonides. Pakendamisel, fooliumid, erinevad purgid ja taara. Tarbeesemed , köögitarvetest kuni spordivahenditeni. Tänavavalgustid, elektriliinid, Elektroonika . Samuti kasutatakse alumiiniumipuru värvides metalliläike saamiseks. Alumiiniumi kasutatakse peamiselt kõikjal ning see ümbritseb meid igal pool, kus me ka ei viibiks. [1]

Ajalugu

Taani keemik ja füüsik Hans Christian Ørsted tootis 1825. aastal esimest korda puhastamata alumiiniumi, pannes reageerima veevaba alumiiniumkloriidi ja kaaliumi sulami, selle tulemusena sai ta tina meenutava metallitüki. Hiljem viis Friedrich Wöhler läbi sama katse, kuid tõestas, et tulemuseks oli puhas kaalium. Wöhler viis 1827. aastal läbi sarnase katse, segades veevaba alumiiniumkloriidi kaaliumiga ning selle tulemusena sai ta alumiiniumi. Pierre Berthier avastas hiljem ka alumiiniumboksiidi, mida kasutatakse tänapäeval alumiiniumi tootmiseks. 1890. aastaks oli alumiiniumi hind juba langenud, ning see võimaldas alumiiniumi kasutada igapäeva tarvete tootmiseks. Juba varsti avastati, ka alumiiniumi sulamid, mis võimaldasid muuta alumiiniumi rohkem vastupidavaks. Esimeses maailmasõjas oli alumiiniumi järgi suur nõudlus, sest seda kasutati sõjatehnika valmistamiseks. 20. Sajandi alguseks oli alumiiniumist saanud igapäeva elu osa, millel oli suur roll ka kodumasinate tootmises. 20. Sajandi keskpaigaks oli alumiiniumist saanud üks põhilisi ehitusmaterjale, mida kasutati ehitiste konstruktsioonis kui ka interjööris. 1957 aastal ehiti esimene maa kunstlik satelliit, mille peamine ehitusmaterjal oli alumiinium. Samuti on ka kõik järgnevad kosmoseseadeldised ehitatud alumiiniumist. Tänapäeval on alumiinium maailmas enim kasutatud mitte-raudmetall ning seda võib leida igal pool meie ümbert. [1], [2]

Sulamid

Kuna alumiinium puhta metallina ei ole just kõige tugevam siis läbi sulamite on võimalik seda omadust parandada. Alumiiniumi sulameid kasutatakse palju konstruktsioonides, kus on just tähtis metalli kõvadus. Alumiiniumi sulamite tugevus ja vastupidavus varieerub , erinevus tuleb nii koostisest kui ka töötlemisprotsessist. Suurimaks alumiiniumisulami puuduseks on tugevuse väsimine, seetõttu ei ole ta igavene nagu teras. Teiseks alumiiniumi puuduseks on soojustundlikkus. Alumiinium hakkab sulama juba enne hõõgumist, seetõttu ei ole silmaga näha, kas metall hakkab jõudma sulamistemperatuurini. [1]
Alumiiniumi sulame liigitatakse lähtudes toodete valmistamise moodusest kaheks, nendeks on deformeeritavad sulamid ning valusulamid . Termotöödeldavuse järgi liigitatakse alumiiniumi sulamid termotöödeldavateks ja mitte termotöödeldavateks metallideks. Termotöötlemisel rakendatakse karastamist, mille läbi suurendatakse metalli plastsust , vanandamist, mis annab metallile suurema tugevuse ning lõõmutamist, mille eesmärgiks on struktuuri ühtlustamine ja kalestumise kõrvaldamine. [3]
Alumiiniumi ja tema sulamite tähistamisel eurostandardite järgi kasutatakse järgnevaid tähistusi. EN-AW – deformeeritavate sulamite korral ning EN-AC – valusulamite korral. [3]
Sellele lisatakse veel põhikomponendi ehk alumiiniumi tähis Al keemiline sümbol ning põhilisandite keemiliste elementide sümbolid ning nende keskmine sisaldus. Duralumiiniumi tähis on näiteks EN AW-AlCu4Mg1 ning silumiinil EN AC-AlSi11. Samuti antakse ka igale sulamile seerianumber. [3]
Deformeeritavad sulamid [3]:

• 1000 –puhas Al
  
• 2000 –Al-Cu-sulamid
  
• 3000 –Al-Mn-sulamid
  
• 4000 –Al-Si-sulamid
  
• 5000 –Al-Mg-sulamid
  
• 6000 –Al-Mg-Si-sulamid
  
• 7000 –Al-Zn-sulamid
  
• 8000 –Al-Fe-sulamid
  

Valusulamid [3]:

• 10000 –puhas Al
  
• 20000 –Al-Cu-sulamid
  
• 40000-48000 –Al-Si-sulamid
  
• 50000 –Al-Mg-sulamid
  
• 70000 –Al-Zn-sulamid
  

Puhas alumiinium (1xxx) on kalestatav, Tal on hea töödeldavus, korrosioonikindlus ning elektrijuhtivus, Samas on tal halvad mehaanilised omadused, sest ta kõvadus pole kõige parem. Ta on keevitatav ning joodetav. Kasutusalad on näiteks toidu foolium, nõud toidu pakendamiseks, keemiatööstus. [3]
Al-Cu sulamid (2xxx) legeerivateks elementideks on vask 3-6% ning Mg kuni 2%. Nad on termotöödeldavad, Toatemperatuuril ning kõrgematel temperatuuridel on neil head tugrvusomadused. Nad on mehaaniliselt liidetavad ning mõned sulamid on ka keevitatavad . Neid kasutatakse näiteks lennukitööstuses, autotööstuses ning liitmike tootmisel. [3]
Al-Mn-sulamid (3xxx) sisaldavad 1-2% Mn ning on puhtast alumiiniumist umbes 15% tugevamad ning natuke parema korrosioonikindlusega. Nad on hästi vormitavad. Tõmbetugevuseks on neil ca 250 Mpa. Need sulamid on hästi keevitatavad ja joodetavad. Kasutusaladeks on näiteks toidunõude valmistamine. [3]
Al-Si-sulamid ( 4xxx ) sisaldavad kuni 12% räni. Hästi keevitatavad. Suure ränisisaldusega alumiiniumi sulamid on tumehallid. [4]
Al-Mg-sulamid (5xxx) Alumiiniumisse lisatakse kuni 10% Magneesiumi. Sulami tootmisel on tähtsal kohal puhta alumiiniumi kasutamine. Väga hea korrosioonikindlusega isegi merevees , seetõttu kasutatakse ka laevaehituses. Hea sitkus, keevitatavus ning mõõdukas tugevus. Kasutatakse ka ehituskonstruktsioonide valmistamiseks, autotööstuses ning krüomaterjalina. [3]
Al-Mg-Si-sulamid (6xxx) on termotöödeldavad, suure tugevuse ning korrosioonikindlusega. Vanandamisega tõstetakse voolavuspiiri 3-5 korda, samas väheneb selle tulemusena sitkus. Neid sulameid kasutatakse nii auto-, lennukitööstuses kui ka konstruktsioonimaterjalidena ehituses. [3]
Al-Zn-sulamites (7xxx) on põhilisteks legeerivateks elementideks Zn ning Mg. Need sulamid on termotöödeldavad ning väga suure tugevusega. Neil on eriti hea sitkusnäitaja. Need sulamid on mehaaniliselt liidetavad. [3]
Al-Fe-sulamid (8xxx) väga suure jäikuse ja tugevusega. Kasutatakse näiteks kosmoses. [4]
Valusulamites on kõige levinumad silumiinid. Silumiinideks nimetatakse alumiiniumi ja räni 8-14% sulameid. Neil on head valuomadused, need sulamid on ka sitked ja korrosioonikindlad. Aldrei on sulam, mis sisaldab kuni 1% magneesiumi, rauda ja räni. Sobib juhtmete valmistamiseks sest on puhtast alumiiniumist tugevam ja vasest kergem.
Magnaalium sisaldab kuni 12% magneesiumi ja kuni 1% mangaani . Magnaalium on kerge ja tugev materjal. Hästi keevitatav. Alumell on nikli ja alumiiniumi sulam milles 2% alumiiniumi, mangaani ja räni. Suure kuumuskindluse ja elektritakistusega materjal. [5]Kokkuvõte
Referaadi koostamine täitis minu jaoks eesmärki, töö koostamise käigus sain kindlasti palju rohkem teadmisi alumiiniumi kohta kui mul varasemalt oli.

Kasutatud kirjandus

[1]
"Vikipeedia," [Online]. Available : https://et.wikipedia.org/wiki/Alumiiniu m. [Accessed 15. november. 2017].
[2]
"Wikipedia," [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Aluminiu m. [Accessed 15. november. 2017].
[3]
A. Koitmäe, "Mitteraudmetallid ja -sulamid: Al ja tema sulamid".
[4]
"Wuxi XSX metalli Materials," Wuxi XSX metalli Materials, [Online]. Available: http://ee.xsx-metals.com/info/properties-of-aluminum-alloys-1xxx-8xxx-se-15518703.html . [Accessed 15. november. 2017].
[5]
"Alumiinium," [Online]. Available: https://sites.google.com/site/terased/4-mittemustmetallid-ja-nende-sulamid/4-2-alumiinium-ja-alumiiniumi-sulamid . [Accessed 15. november. 2017].