» » Свойства и области применения чистого алюминия
22.09.2015

Краткие общие сведения

Согласно государственному стандарту, предусматривается выпуск четырех марок алюминия «высокой чистоты» с содержанием алюминия не менее 99,995% (А995), 99,99 (А99), 99,97 (А97) и 99,95% (А95), определяемым по разности с пятью примесями — железом, кремнием, медью, цинком и титаном.
В алюминии марки А995 не должно содержаться более 15*10в-4% Fe, 15*10в-4% Si, 1*10в-3% Cu, 1*10в-3% Zn и 1*10в-3% Ti. Кроме этого, в стандарте имеется марка алюминия «особой чистоты» (А999): содержание алюминия не менее 99,999% по разности с определяемыми примесями. Содержание примесей железа, меди, висмута, свинца и магния не должно превышать 2*10в-4%, а натрия, кальция, олова, золота, сурьмы, цинка, кадмия, бария и теллура — не более 10в-3% каждой примеси.
Дополнительно алюминий «особой чистоты» марки А999 контролируют по величине остаточного удельного электросопротивления (р0, ом*см) при температуре жидкого гелия, которое не должно быть выше 4*10в-10 ом*см.
Для получения алюминия «высокой чистоты» марок А9—А995 первичный алюминий, выпускаемый алюминиевыми заводами, подвергают электролитическому рафинированию.
Алюминий «особой чистоты» (А999) получают дополнительной очисткой электролитически рафинированного алюминия методами зонной плавки и дистилляцией через субфторид алюминия в вакууме.
Свойства чистого алюминия

Структура. Чем чище алюминий, тем крупнее его зерна. Так, например, протяженность зерен алюминия чистотой 99,99% достигает 10 мм, а алюминия чистотой 99,999% — нескольких десятков миллиметров. Более тонкая макроструктура менее чистого алюминия объясняется присутствием в нем малорастворимых примесей (окиси алюминия, соединений титана), которые служат центрами кристаллизации, вызывая процесс роста одновременно во многих точках в массе расплавленного алюминия.
Плотность алюминия понижается с увеличением степени его чистоты, и для металла, содержащего 99,996% Al, равна 2,6989 г/см3.
Температура плавления возрастает с повышением степени чистоты металла. Температура плавления алюминия чистотой 99,996%) составляет 660,24° С.
Теплопроводность алюминия возрастает с увеличением его чистоты. Для электролитически рафинированного алюминия чистотой выше 99,9% теплопроводность при 190° С составляет 0,82 кал/сек на 1 см2 площади и на 1 см толщины.
Электропроводность алюминия возрастает с увеличением его чистоты. Электропроводность электролитически рафинированного алюминия (99,996 %) по отношению к меди составляет 65%. Электропроводность алюминия чистотой 99,999% повышается до 65,9% от электропроводности меди. Удельное электросопротивление алюминия при 20° С равно 2,655 мком*см.
Отражаемость света возрастает с повышением степени чистоты алюминия. Поверхность листа, изготовленного из электролитически рафинированного алюминия (99,996% Al), отражает 90% падающего на него белого света.
Механические свойства. Чистый алюминий значительно мягче, пластичнее первичного металла и имеет пониженную по сравнению с ним механическую прочность, которая уменьшается с возрастанием его чистоты. Микротвердость чистого алюминия (99,999% Al) равна 19,5 кГ/мм2. Пластическая деформация алюминия, очищенного зонной плавкой, достигает 87%, предел прочности σb =2,6—2,8 кГ/мм2, а твердость HB = 6,4—6,6 кГ/мм2.
Рекристаллизация. Присутствие в алюминии небольших количеств примесных атомов оказывает значительное влияние на склонность алюминия к рекристаллизации после деформации. Так, например, алюминий чистотой 99,99%, содержащий 100 примесных атомов на миллион атомов алюминия, рекристаллизуется после сильной деформации при температуре около 200° С, в то же время металл чистотой 99,998%, содержащий только 20 примесных атомов на миллион атомов алюминия, рекристаллизуется уже при 50—100°С. Алюминий высокой чистоты, содержащий после зонной плавки 10 примесных атомов на миллион атомов алюминия, рекристаллизуется при еще более низкой температуре. Например, при 96%-ной деформации рекристаллизация такого алюминия заканчивается в течение нескольких суток при температуре -38° С и за несколько десятков минут при комнатной температуре. Для алюминия, очищенного зонной плавкой, рекристаллизация наблюдается только в более толстых частях образца, а в более тонких частях сохраняется деформированная структура. Минимальная толщина, начиная с которой наблюдается рекристаллизация чистого алюминия, равна 1500А.
Химические свойства. С повышением чистоты алюминия возрастает стойкость металла к коррозии. Так, например, поверхность пластинок алюминия различной степени чистоты, находясь в 22%-ной соляной кислоте, предварительно очищенной дистилляцией, корродирует по-разному. Было показано, что поверхность электролитически рафинированных пластинок (99,998% Al) через 20 суток покрылась глубокими трещинами. В тех же условиях алюминий, очищенный зонной плавкой, имел незначительные признаки коррозии в виде тонких правильных бороздок вокруг зерен, и только спустя 100 суток пребывания в соляной кислоте на поверхности металла было обнаружено глубокое трещинообразование.
Поверхность алюминия после зонной очистки и электролитической полировки сохранила первоначальный блеск после выдержки в соляной кислоте в течение 100 суток. С повышением чистоты металла уменьшается скорость коррозии. Для алюминия чистотой 99,99% и выше скорость коррозии зависит главным образом от содержания меди. Например, при содержании меди более 20*10в-4% (по массе) алюминиевый лист толщиной 1,5 мм после выдержки в 20%-ной соляной кислоте в течение недели корродировал насквозь, в тех же условиях алюминий, содержащий от 0,9 до 3*10в-4% (по массе) Cu, разрушался только за две недели.
Следовательно, с повышением чистоты алюминия значительно увеличивается стойкость его к соляной кислоте. Испытанию в кислоте подвергали алюминиевую жесть толщиной 0,5 мм различной чистоты — 99,9992% Al и 99,9922% Al. Оба образца 7 ч находились в 10- и 20%-ной соляной кислоте при 20° С. Результаты этих испытаний даны ниже:
Свойства и области применения чистого алюминия

Приведенные данные подтверждают, что с повышением чистоты резко возрастает стойкость алюминия по отношению к действию соляной кислоты.
Химическая сопротивляемость алюминия обусловлена образованием на его поверхности тончайшей (толщиной около 2*10в-5 см) плотной и беспористой пленки окиси. В местах, где находятся примеси, сцепление окисной пленки с алюминием сильно понижается, и эти места подвергаются коррозии. Окисная же пленка исключительно прочно сцеплена с поверхностью алюминия, имеющего незначительное содержание примесей. Поэтому алюминий высокой чистоты чрезвычайно стоек к неорганическим кислотам, щелочам, атмосферному воздуху, морской воде и другим средам.
Газосодержание. Крестовников и Орловцев определили содержание растворимых газов в алюминии, полученном различными способами, на масс-спектрометре. Основной составляющей газов, содержащихся в алюминии, является водород, присутствующий в металле как в виде атомов, так и в виде протонов.
Количество газов в 100 г первичного алюминия, полученного электролитическим путем, составляет 1,17—1,37 см3. Несколько меньше (0,57 см3) газов в электролитически рафинированном алюминии. В сверхчистом алюминии, полученном зонной плавкой или дистилляцией через субфторид, содержание газов понижается в 100 раз и составляет 0,003—0,007 см3. Поэтому глубокая очистка алюминия от газов может быть проведена переплавкой металла в вакууме.
Применение чистого алюминия

Алюминий высокой чистоты применяется в электронике и в производстве полупроводниковых материалов. В электронно-лучевых трубках его применяют в форме жести, фольги и проволоки. Его используют и в тех случаях, когда нежелательно катодное распыление, например для катодов ионных рентгеновских трубок и катодных осциллографов, для электродов высоковольтных разрядников, для осветительных ламп. Вследствие малой плотности и незначительного рентгеновского излучения при электронной бомбардировке алюминий используют в высоковольтных электронно-лучевых приборах для изготовления отклоняющих пластин и диафрагм. Благодаря малому поглощению рентгеновского излучения алюминиевая фольга или жесть используется для изготовления окошек рентгеновских трубок.
Сверхчистый алюминий применяют в технологии транзисторов, диодов и термисторов для образования контактного переходного сплава между алюминием и германием или кремнием. Алюминий высокой чистоты применяют для легирования германия и кремния с целью придания им дырочной проводимости. В полупроводниковой технике сверхчистый алюминий используют для получения синтезированных полупроводниковых соединений — арсенида и антимонида алюминия (AlAs и AlSb). Чистейший алюминий применяют для токоподводов к германиевым и кремниевым пластинкам при производстве германиевых и кремниевых выпрямителей электрического тока.
Менее чистый электролитически рафинированный алюминий применяют в специальных областях электротехники (электролитические выпрямители и конденсаторы), в кабельном производстве, в химическом машиностроении, для получения прецизионных сплавов.
В атомной энергетике алюминий высокой чистоты используют как нейтроннопрозрачный материал.