Wat is aluminium? Eigenschappen, legeringen en industrieel gebruik

Wat is aluminium? Een complete gids voor eigenschappen, legeringen en gebruik

aluminium is het meest overvloedige metalen element in de aardkorst vormen ongeveer 8.1% in massa Beginnend van de romp van een Boeing 737 tot het blikje van u de hand, dit silverywhite metaal maakt zichzelf steeds zichtbaarder in moderne toepassingen De lage dichtheid in combinatie met corrosieweerstand en uitstekende elektrische geleidbaarheid maakt aluminium hoop, ruimtevaart, auto, maar ook de bouw en andere industrieën Deze gids geeft u alles wat u nodig hebt weten-de wetenschap achter, enkele van de bepalende eigenschappen, productieprocedures, relevante legeringskwaliteiten en de toepassingen ervan in de productie.

Wat is aluminium? De basisprincipes van element 13

aluminium ook wel Askau (Tokkizup) of aluminium (Enus) heeft het symbool Al en atoomnummer 13 Het is een Sufuhig Jovenive waarvan de positie in het periodiek systeem net na het boor in de groep (18. Groep 13) ligt En het bezet de derde toppositie na zuurstof en silicium in de aardkorst, maar toch bestaat het niet vrij in de natuur. In plaats daarvan vormt het gewoonlijk de bindingen en combineert het met organische elementen in aluminiummineralen, zoals bauxiet, veldspaat of kryoliet.

Zuiver aluminium is een silverywhite, licht metallic element met een dichtheid van 2,70 g/cm³ Zijn FCC kristal veroorzaakt excel mate ductiliteit en vervormbaarheid tot 92.2%. Zijn FCC kristalliniteit met de Greatsov vorm flexibilities en kneedbaarheid als het maakt de betekenis van zijn atomen en maakt het mogelijk om te worden geperst en vorm met buigen zonder breuken Dankzij het bi-product, aluminium metaal is een van de flexibele economische ingrediënten.

De zeer recente geschiedenis van aluminium als bruikbaar materiaal is relatief kort Het isolement door de Deense chemicus, Hans Christian in 1825 De volgende drie tien jaar; hetzelfde materiaal was duurder en minder beschikbaar dan zelfs goud Natuurlijk, in het geval van Europese mensen zoals keizer Napoleon III, de warme chocolademelk moet worden geserveerd op aluminium Kleinere gewassen nemen goud als standaard serviesgoed Tot 1886, toen Charles Martin gal en Paul hroult als goochelaar, de elektrolyse-uitvinder Componenten van in het aluminiumoxide Ten slotte werden meer dan 99.9% van de productie opgelost met het traditionele Hall-Hroult Kilogiser-proces uitgevonden door deze twee chemici De cyclus was nog steeds een buitengewoon succes en de aluminium-methode.

Of het nu gaat om het spellen van aluminium (Enus-versie) of aluminium (Amerikaanse versie) is passender, het is dezelfde Sufuhig Jovenive In 1990 conformeerde IUPAC officieel het meer formele aluminium De Amerikaanse chemische samenleving accepteert aluminium echter als de standaardversie of algemeen gebruik. Deze gids zal dus het gebruik van “ als volgt afleiden.

Belangrijkste eigenschappen van aluminium

Wat maakt ingenieurs? hoe komt het dat iedereen aluminium wil gebruiken? onderstaande tabel laat u de fysische, thermische, elektrische, mechanische en chemische parameters zien die dit element uniek maken.

Fysieke eigenschappen

zuiver aluminium heeft een dichtheid van 2,70 g/cm³ wat ongeveer 1⁄3 is van het staal dat 7,85 g/cm³ omhoog is en minder dan 1⁄3 koper van 8,96 g/cm³ Voor hetzelfde volume van de bovengenoemde metalen zal een component in aluminiummateriaal slechts 33% van de groene component wegen. Terugkerend van het gewicht en de meest praktische aspecten is het niet-magnetisch en vonkvrij, daarom kan het worden gebruikt rond elk brandbaar materiaal en als gevoelige elektronische verpakking of structuur.

Thermische Eigenschappen

aluminium heeft een thermische geleidbaarheid van 237 W/(mK) en kan dus bijna vier keer sneller warmte overbrengen dan koolstofstaal (50 W/(mK)). Dit heeft een smeltpunt van 660,3 °C (1.220,5 °F) en een kookpunt van 2.519 °C. Dit heeft de thermische eigenschappen die aluminium ideaal maken voor toepassingen zoals koellichamen, warmtewisselaars en kookgerei.

Elektrische eigenschappen

de elektrische geleiding van aluminium is 37,7 MS/m, dus is 61% van de International Annealed Copper Standard (IACS) Metallic Copper wordt het gemakkelijkst gebruikt voor elektrische geleiding met 100% IACS. aluminium heeft een geleiding van ongeveer 2/3 van het koper per gewicht1/3 van het gewicht2. Om deze reden is het meest voorkomende gebruik in bovengrondse elektriciteitstransmissielijnen.

Mechanische Eigenschappen

zuiver aluminium is plastisch zacht (15 HB van Brinell. Dit kan aanzienlijk worden gewijzigd door legering).Bij 70 GPa was de Youngs-modulus van aluminium 70 GPa of ongeveer 1/3 van staal (200 Gpa).aluminium is het op een na meest kneedbare metaal (Goud is het beste) en slechts het 6e meest ductiele. Dit verklaart waarom het zo populair is als een gewalste plaat, een geëxtrudeerd profiel en een folie zo dun als 6 µm.

Corrosieweerstand

oxidelaag wordt gevormd bij blootstelling aan lucht 2binnen enkele seconden Het is 4-10 nm dik (ASM Handbook) terwijl het zichzelf onmiddellijk herstelt wanneer het wordt bekrast Het hecht zich sterk aan aluminium en beschermt het tegen oxidatie Dit is de bron van de Viselan Gapap van aluminium.

Chemische eigenschappen

aluminium is amfoteer van aard wat betekent dat het reageert met zowel zuren als alkaliën2 Sterke zuren vallen door het aluminiumoxide en vernietigen het onderliggende basismetaal om een aluminiumchloride of aluminiumsulfaatverbinding te produceren Sterke alkaliën bijvoorbeeld Natriumhydroxide vallen het aluminium nog sneller aan waardoor aluminiumhydroxide en aluminiumoxide oplossingen ontstaan3 Deze informatie is nuttig voor het selecteren van reinigings - en coatingmiddelen en het verbinden van verbindingen in aluminium componenten.

Vergelijking van aluminium versus staal versus koper

Bronnen: ASM International 's Aluminium en aluminiumlegeringen | Pubchem-aluminium

Hoe wordt aluminium gemaakt? van bauxiet tot metaal

aluminium wordt geproduceerd via drie hoofdfasen: mijnbouw, raffinage en smelten. Deze zetten erts elk om in het pure aluminiummetaal dat vervolgens kan worden ontworpen voor tal van toepassingen, zoals vliegtuigvleugels en telefoonframes.

Stap 1: Bauxieterts winnen

Commercieel aluminium is afkomstig van bauxiet; een roodbruine gehydrateerde aluminiumoxiden; bij elkaar gehouden in drie vormen: gibbsiet, bohemiet en diaspore. Wereldwijd is tussen de 55 en 75 miljard ton bauxiet verkrijgbaar1 met gecombineerde afzettingen in Australië, Guinee, Brazilië, Jamaica en India. Gemeenschappelijk voor alle aluminiumwinning is dagbouw vanaf een diepte van 4 tot 6 meter.

Stap 2: Het Bayerproces 2 Bauxiet aan Aluin

Vernoemd naar de Oostenrijkse chemicus Karl Josef Bayer in 1888, produceert aluminiumoxide (AlO) uit ruw bauxiet Het mineraal wordt vermalen en gecombineerd met een oplossing van heet natriumhydroxide (NaOH) bij 150-200 °C onder druk Deze oplossing lost vervolgens het aluminiumhydroxide op in het erts, waardoor ijzeroxiden, silica en andere onzuiverheden achterblijven als een “ De aluminaatoplossing wordt neergeslagen, gefiltreerd en gecalcineerd bij een temperatuur van ongeveer 1.000 °C om een wit poeder van aluminiumoxide te produceren. Er is doorgaans ongeveer 4-5 ton bauxiet nodig om 2 ton aluminiumoxide te produceren.

Stap 3: Het proces Hall-Héroult van Aluminiumoxide aan Aluminium

Elektrolytisch smelten is een elektrometallurgisch proces waarbij aluminiumoxide elektrolytisch wordt gereduceerd tot aluminium. Het aluminiumoxide wordt opgelost in een bad van gesmolten kryoliet (NaAlF) in grote stalen potten bekleed met koolstof bij ongeveer 960 °C. Honderd of meer kolommen met gelijkstroom (Khsadimpkodey) van 150.000-400.000 ampère worden door het bad geleid, waardoor het aluminiumoxide elektrochemisch wordt gereduceerd tot een vloeibaar aluminium dat op de bodem van de pot wordt verzameld. Het vloeibare aluminium wordt periodiek van de bodem van de cel in mallen gedraineerd en naar blokken gestuurd, waar het wordt gegoten.

De energiebehoefte van dit proces is enorm. De productie van 1 ton primair aluminium vereist 13.000-15.000 kWh elektriciteit (volgens het International Aluminium Institute).Het gemiddelde elektriciteitsverbruik van een Amerikaans huishouden bedraagt 959 kWh per maand; daarom kunnen we zeggen dat de aluminiumproductie voldoende energie verbruikt om de gemiddelde Amerikaanse huishoudens van Power 12,89 gedurende 1 maand te voeden voor elke geproduceerde kg..

Recycling: de energiesnelkoppeling

Voor de secundaire aluminiumproductie (recyclingschroot) is naar schatting slechts ongeveer 2.277 kWh elektriciteit per ton nodig, oftewel ongeveer 16% van de energiebehoefte voor de productie van primair aluminium; (de conclusie is dat een niet-gerecyclede aluminiumproductie alleen al aan elektriciteit ruim 86 miljard dollar per jaar zou kosten). Omdat aluminium herhaaldelijk kan worden gerecycled zonder kwaliteitsverlies, komt nu ongeveer 1/3 van het wereldaanbod uit recyclingprocessen en stroomt nieuw schroot terug in het systeem, ongeacht het soort consumentenproduct waar het vandaan komt..

Gemeenschappelijke Aluminiumlegeringen en Grades

Vrijwel al het aluminium dat wereldwijd ooit wordt geproduceerd, wordt vandaag de dag nog steeds gebruikt Omdat een lichte sterkte-gewichtsverhouding het beste geschenk van het mineraal is, is het relatief eenvoudig om scheuten op sorteren te scheiden. Al het schroot kan ook worden vervormd om het terug te brengen naar de standaardvorm van de meeste productietoepassingen. Aluminium is gemakkelijk te overwinnen 9/6 houdt het Koards-programma vast. De duurzaamheid van aluminium is zodanig dat het mogelijk is gegoten onderdelen in blokken te schrapen en opnieuw te smelten en opnieuw in vorm te brengen, laadt het keer op keer zonder dat het een van zijn eigenschappen verliest. Voor het recyclen van aluminium is dus slechts ongeveer 51TP3 ton nodig van de energiewaarde die werd gebruikt om het primaire product te produceren.

Het systeem van de legeringsreeks

zuiver aluminium (1xxx-serie, 99%+ Al) is te zacht voor de meeste structurele toepassingen en de werksterkte van de spoel wordt verhoogd tot machines Gemeenschappelijke technische sterkte komt van de toevoeging van kleine hoeveelheden legeringselementen zoals koper, ijzer, mangaan, silicium, magnesium, of zink om dramatisch verschillende mechanische profielen te produceren.

• Volgens de aluminium Association worden legeringen die in de eerste acht series zijn vervaardigd, gecategoriseerd op basis van de primaire warromise-operatie:
• 1xxx-99%+ zuiver aluminium Zeer corrosiebestendigheid, uitstekende geleiding.
• 3xxx 3 Mangaanlegeringen Matige sterkte, goede vervormbaarheid.
• 2xxx-Koperlegeringen Hoog werk vereist en hoge sterkte.
• 4xxx-Siliciumlegeringen Beter in het vasthouden van warmte en zwakker in de Resubwooshsswe Gebruikt als lasvuller en in het Solderen.
• 5xxx-legeringen van legeringornaxium, Xudus Zinetic Zeer corrosiebestendigheid en gemakkelijk te lassen.
• 7xxx Zinc legeringen Hoogste sterkte aluminium legeringen Lucht- en ruimtevaartkwaliteit.
• 8xxx Andere elementen (lithium, ijzer) Gespecialiseerde toepassingen.

Legering Vergelijking van echte prestatiegegevens

6xxx-Magnesium en silicium Algemene doelreeks (hoge bewerkbaarheid, verwerkbaarheid, en corrosieweerstand.

Industrieel gebruik van aluminium

aluminium wordt gevonden in vrijwel elke grote industrie Combineren van lichtgewicht, corrosiebestendigheid, recycleerbaarheid, en geleidbaarheid, aluminium is een van de meest gebruikte metalen op aarde 1e alleen na staal door tonnage Hier zijn de belangrijkste industrieën waar aluminium wordt gebruikt om topprestaties te stimuleren.

Luchtvaart

De lucht - en ruimtevaart verbruikt ongeveer 35% van al het Machining aluminium Een enkele Boeing 737 bevat 80.000 lb (36.300 kg) aluminium binnen de romphuid, het casco, de motorgondels en de vleugelconstructies Alleen staal overtreft het voor gewicht in deze sector legeringen 2024-T3 en 7075-T6 (hier 2024 voor vermoeiingsgerelateerde romppanelen, 7075 voor vleugelliggers en onderdelen van landingsgestellen) nemen het grootste deel van de geschatte $28 miljard aan aluminium van lucht - en ruimtevaartkwaliteit op dat elk jaar wordt gekocht.

Automotive

aluminium heeft een enorme impact op zowel de auto-industrie als de manier waarop we kijken naar “green motorrijden” Tegenwoordig bevat een gemiddelde Noord-Amerikaanse auto 208 kg (459 lbs) aluminium, vergeleken met slechts 84 kg in 1995. Hoogwaardige voertuigen met lage emissies hebben meer, waarbij steeds geavanceerdere legeringen worden gebruikt om het gewicht te verminderen (en brandstofbesparing aan te moedigen). Die besparingen variëren momenteel van 6-8% voor elke gewichtsdaling van 10%; Ford gebruikte de legering in zijn best verkochte F-150-vrachtwagens in 2015 en bespaarde duizenden kilogrammen.

Construction

de corrosiebestendigheid, sterkte en schone, gelaste verbindingen van aluminium maken het een ideale optie voor tal van commerciële architectonische constructies. Als u naar de superieure corrosieweerstand van aluminium gaat, wordt de lopende onderhoudsrekening voor commerciële gebouwen met een levensduur van 30-50+ jaar aanzienlijk verlaagd. Lage U-waarde, thermische breuk, aluminium profielen (met een inzetstuk van polymeer tussen de buiten- en binnensecties) zijn werkelijk energiezuinig met een waarde zo laag als 1,3 W per (mK).

Packaging

Hoge re-cycleerbaarheid van aluminium maakt het vooral populair in verpakkingen (met het materiaal dat slechts 14,9 g (0,52 oz) per blik weegt Dit betekent dat een hoge output van materiaal opnieuw kan worden verwerkt, opnieuw gesmolten en weer kant-en-klaar op de plank kan worden gelegd om in iets meer dan twee maanden opnieuw te worden gevuld. Deze productcategorie is goed voor bijna 8 miljoen ton metaal overal op aarde.

Electronics

Van LED-behuizingen en koellichamen tot Smartphone-frameworks en laptopbehuizingen: de hoge thermische geleidbaarheid van aluminium biedt uitstekende warmteafvoereigenschappen voor veel elektronische componenten Geanodiseerde ruimtes hebben een duurzame, onderhoudsvrije afwerking zonder een laag verf of poedercoating. Apple's prachtige unibody-ontwerp van MacBook presenteerde een nieuwe manier van werken met de industrie en is sindsdien elders standaard geworden.

CNC-bewerking

Van snelle prototypes in een vroeg stadium tot productie in grote volumes, CNC-bewerking van aluminium biedt de grootst mogelijke precisie en consistentie; geen enkel ander gietstuk of profielextrusie kan concurreren. van Le-creator aluminium CNC-bewerkingsservice processen 5062, 6075 en 5052 legeringen tot toleranties zo strak als ±0,01 mm Of u nu drie-, vier- of vijfassige freescentra nodig heeft, klussen van vrij eenvoudige beugels tot complexe lucht- en ruimtevaartbehuizingen kunnen volgens strenge normen worden geproduceerd.

Voordelen en beperkingen van aluminium

Uiteindelijk zijn geen twee materialen geschikt voor elke industriële toepassing Hoewel aluminium op zeer grote schaal gebruikt mag worden, moeten we de beperkingen ervan begrijpen; ongeacht hoe goed een materiaal is, er zijn momenten waarop het simpelweg niet de juiste keuze is. Hier zijn de compromisloze feiten.

Veelgestelde vragen over aluminium