Hliník: vlastnosti, aplikace, metody průmyslové výroby – Adamant Steel

Hliník je kovový prvek stříbrno-bílé barvy, jeho mechanické vlastnosti a technologické vlastnosti zajišťují široké uplatnění v různých průmyslových odvětvích, stavebnictví i každodenním životě.

Hliník kombinuje nízkou hustotu a pevnost, odolnost proti korozi a náhlým změnám teploty. V Mendělejevově periodické tabulce je označen jako Al, atomové číslo – 13. Tento prvek je rozšířen v zemské kůře, z hlediska obsahu je na třetím místě po kyslíku a křemíku. Jeho hloubky obsahují přibližně 8 %. Pro srovnání, zlato v zemské kůře je přítomno v množství rovnajícím se pouze milióntinám procenta.

Technologie pro průmyslovou výrobu hliníku

Paracelsus byl první, kdo odhadl existenci tohoto kovu v 16. století, kdy izoloval „kamencovou zeminu“ od kamence. V neyonu byl zjištěn oxid v té době neznámého kovu, což vědce velmi zaujalo. V 18. století jeho pokusy zopakoval německý chemik Marggraf, který dal novému prvku jméno. Přeloženo z latiny jako „adstringentní“. Teprve na konci předminulého století byla nalezena cenově výhodná metoda průmyslové výroby hliníku.

Nejčastěji se tento kov získává z bauxitu, sekundární horniny. Vznikly při rozkladu hlinitokřemičitanů primárního původu, které zase vznikaly za vysokoteplotních podmínek sopečných erupcí. V Rusku se hliník izoluje z nefelinových rud těžených na poloostrově Kola a v oblasti Kemerovo. Sekundární produkty těžby Al z nefelinových rud: portlandský cement, soda, hnojiva.

Oblíbenou technologií výroby oxidu hlinitého (oxid hlinitý) z bauxitu je Bayerova alkalická metoda, kterou vyvinuli ruští vědci na konci 19. století. Výsledný oxid Al₂O₃ – silná chemická sloučenina, která taje při +2050°C. Kov ve své čisté formě se získává elektrolýzou redukce oxidu. Vysoce čistý Al se vyrábí třívrstvou elektrolýzou. Dodatečné čištění, je-li požadováno, se provádí rafinační elektrolýzou s elektrolytem organohlinitých sloučenin, jakož i zónovým tavením nebo destilací přes subfluorid.

Základní vlastnosti hliníku

Tento prvek je chemicky aktivní, ale hustý oxidový film vytvořený na jeho povrchu chrání polotovary a hotové výrobky před korozní destrukcí.

Hliník se vyznačuje následujícími fyzikálními vlastnostmi:

• hustota – 2,7 g/cm 3 (pro srovnání hustota železa je 7,85 g/cm 3);
• teplota tání +600 °C (železo +1535 °C);
• vysoká elektrická a tepelná vodivost;
• paramagnetismus – kov je přitahován magnetem pouze v přítomnosti magnetického pole;
• objemová plošně centrovaná kovová krystalová mřížka.

Hlavní přírodní nečistoty přítomné v Al po redukci z oxidu (křemík, zinek, titan, železo, měď) ovlivňují fyzikální a technologické parametry kovu. Čím je čistší, tím vyšší je jeho elektrická vodivost, tepelná vodivost, odolnost proti korozi a samozřejmě i cena. Hlavní mechanické parametry: pevnost v tahu po plastické deformaci za studena – 150 MPa, poměrné prodloužení – 50 %.

Al se snadno tvaruje, je obrobitelný a lze jej svařovat různými druhy svařování. Pro zvýšení odolnosti proti korozi je povrch dílů a konstrukcí eloxován. Eloxování je elektrochemický proces k vytvoření silného oxidového filmu.

Chemické vlastnosti kovového hliníku:

• Chemická aktivita. V jemnozrnném stavu se při vysokých teplotách Al aktivně slučuje s kyslíkem, fosforem, sírou, dusíkem, jódem a uhlíkem. Při pokojové teplotě reaguje s bromem, chlórem a zásadami.
• Interakce s jinými kovy za vzniku slitin obsahujících aluminidy – intermetalické sloučeniny.
• V přítomnosti hustého oxidového filmu na povrchu – odolnost vůči atmosférické korozi, sladké a slané vodě, inertnost vůči organickým kyselinám, zředěné a koncentrované HNO₃. Při čištění oxidového filmu tento kov aktivně reaguje s vodou.

Druhy hliníku podle stupně čištění

V závislosti na procentuálním podílu hlavního prvku je přijata následující klasifikace úrovní čistoty:

• 99,5-99,79 % – průmyslová čistota (technická);
• 99,8-99,949 % – vysoká čistota;
• 99,95-99,9959 % – ultračisté;
• 99-9960 % – extra čistý;
• více než 99,999 % – ultračisté.

Hliník technické čistoty má široké uplatnění v průmyslu, kde jsou důležité jeho hlavní fyzikální vlastnosti – nízká hustota, elektrická a tepelná vodivost. Vyrábí se ve formě hliníkových plechů, trubek, desek, tyčí a válcovaných profilů. Používají se pro výrobu dílů a konstrukčních prvků, které nejsou určeny pro významné zatížení. Fólie a vodivé prvky jsou vyrobeny z vysoce čistých materiálů.

Druhy hliníkových slitin

Hlavní oblastí použití hliníku je výroba slitin, které se dělí na tvářené a lité slitiny.

Deformovatelné

Takové druhy se dobře zpracovávají ve všech fázích zpracování a kombinují pevnost a tažnost. Používá se při výrobě plechů, tyčí, trubek, výkovků, výlisků. Použité způsoby deformace: válcování, tažení, lisování, kování. Na základě schopnosti zvyšovat pevnostní charakteristiky se deformovatelné materiály na bázi hliníku dělí na tepelně netvrditelné a tepelně tvrditelné.

Oblíbenou slitinou patřící do této skupiny je duralAl-Cu-Mg, do kterého je navíc přidán mangan, který zvyšuje odolnost proti korozi. Jestliže dříve byl nejrozšířenějším materiálem D1, pak jej postupně nahradila technologicky vyspělejší značka D16. V Evropské unii a USA se používají jakosti 2017, 2024, 2117, vyráběný v tabulích, plátovaný pro další zlepšení odolnosti proti korozi – povrch je pokryt vrstvou čistého Al.

Dalším zástupcem této skupiny je aviál (AV), materiál používaný při stavbě letadel. Je o něco nižší v pevnosti než dural, ale v normálním a zahřátém stavu je převyšuje v tažnosti. Lze uspokojivě zpracovat řeznými nástroji a svařovat pomocí argonového oblouku a odporového svařování.

Vysoce pevné slitiny na bázi hliníku mají zvýšené pevnostní vlastnosti, ale nižší tažnost ve srovnání s duralem. Třída B95 je široce používána v konstrukci letadel pro konstrukce provozované při teplotách nad +100°C. Dobře se svařuje bodovým svařováním a zpracovává řeznými nástroji.

Slévárna

Slitiny hliníku pro tvarové odlévání se vyznačují tekutostí, nízkým smrštěním a odolností proti praskání za tepla a korozi. Množství legujících prvků v takových materiálech je vyšší než v deformovatelných. Nejběžnější složení jsou Al-Si, Al-Cu, Al-Mg, navíc legované malým množstvím manganu, chrómu a niklu.

Příklady použití hliníku a jeho slitin při výrobě různých druhů dopravy

Moderní odvětví dopravního stavitelství si nelze představit bez materiálů vytvořených na bázi Al, které kombinují dostatečně vysokou pevnost, tažnost, nízkou hustotu a dobrou odolnost vůči mnoha druhům koroze.

Výroba letadel

V Ruské federaci se při výrobě leteckého vybavení široce používají trojité zesílené vysokopevnostní třídy obsahující kromě AL zinek, hořčík a měď. Pro výrobu kýlů, křídel a trupu se používají vysokopevnostní a středně pevné třídy, které neobsahují zinek. Pro hydroplány jsou žádané třídy AMg5, AMg6 s dobrou svařitelností a třídy B92, 1915, 1420.

Tvorba objektů kosmické techniky

V této oblasti se používají slitiny na bázi hliníku, které mají dobrou odolnost vůči nízkým teplotám. Stupeň 2219, schopný provozu za podmínek kryogenní teploty při kontaktu s kapalným kyslíkem, heliem a vodíkem, byl použit k výrobě plechů používaných při výrobě raketoplánů. Nádrže na kapalný vodík jsou vyrobeny z hliníku a lithia třídy 2090.

Stavba lodí

Hliníkový průmysl vyrábí polotovary z hliníku a jeho slitin pro použití při stavbě lodí. Používají se k výrobě lodního vybavení, lodních trupů, komunikačních systémů a palubních nástaveb. Použití těchto materiálů místo oceli snižuje hmotnost plavidla, zlepšuje jeho manévrovatelnost a maximální přípustnou rychlost. Typy obsahující hořčík a mangan jsou v tomto odvětví nejčastěji žádané.

Železniční doprava

Kolejová vozidla provozovaná na železnici jsou vyrobena pouze z pevných, otěruvzdorných, korozivzdorných a trvanlivých materiálů. Takové vlastnosti má hliník a slitiny na jeho bázi. Vyrábějí se z nich kontejnery pro přepravu ropy, tmavých a světlých ropných produktů a olejů.

Automobilová doprava

Kombinace nízké hustoty, pevnosti, dekorativních vlastností a odolnosti proti korozi umožňuje, aby se jakosti hliníku úspěšně používaly v automobilovém průmyslu. Jejich použití rozšiřuje okruh přepravovaného zboží, které může zahrnovat kapaliny a plyny vysokých tříd nebezpečnosti.

Aplikace hliníku v metalurgii

Hliník je vysoce aktivní kov, proto se používá v metalurgii jako silné redukční činidlo při výrobě chrómu, vápníku a manganu. Pro dezoxidaci oceli se používá nekvalitní materiál, který není vhodný pro výrobu polotovarů a hotových kovových výrobků. Během tohoto procesu se z roztaveného železa odstraňuje kyslík, což negativně ovlivňuje výkonnostní vlastnosti konečného produktu.

Další aplikace hliníku a jeho slitin

• Konstrukce. Lehké hliníkové konstrukce snižují celkovou hmotnost objektů a tím i zatížení základů, což umožňuje úsporu při výstavbě základů budov a zvyšuje spolehlivost a životnost konstrukcí při provozu v náročných klimatických a geologických podmínkách.
• Ropný a chemický průmysl. Díky odolnosti proti korozi se Al a jeho slitiny používají k výrobě vrtných, čerpacích, kompresorových zařízení a potrubí. Pro výrobu nádob provozovaných pod tlakem se používají značky AMts, Amg2, Amg3, Amg5.
• Elektrotechnika. Materiály na bázi Al se v závislosti na obsahu nečistot a legujících prvků dělí na vodivé a se zvýšeným elektrickým odporem. Druhy vodičů jsou levnější alternativou k mědi a používají se pro kabelové produkty.
• Farmaceutický průmysl. Chemické sloučeniny na bázi Al zesilují účinek vakcín a jsou obsaženy i v lécích určených k léčbě těžkých žaludečních a jiných onemocnění.
• Výroba domácích potřeb. Hliník a jeho slitiny se používají k výrobě nádobí, krytů pro domácí spotřebiče, obalů výrobků a nádob na konzervované výrobky.