Алюминий и его сплавы

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ЛУГАНСКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ

«ЛУГАНСКИЙ КОЛЛЕДЖ АВТОСЕРВИСА ИМ. А.А. ГИЗАЯ»

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА УРОКА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ:

«ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ»

ТЕМА: «АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ»

Преподаватель дисциплин

общепрофессионального цикла Безкоровайная Н. В.

Луганск 2021

Введение

Данная методическая разработка предназначена для изучения темы «Алюминий и его сплавы» раздела «Цветные металлы» по дисциплине «Основы материаловедения» для профессии 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки). Разработка направлена на развитие у обучающихся интереса к дисциплине и выбранной профессии.

В данной разработке содержится информация об истории открытия алюминия, его свойствах и способе производства, сплавах на его основе, их классификации и применении. Особое внимание уделено сведениям об особенностях сварки алюминия и его сплавов.

Методическая разработка содержит план–конспект урока и сопровождается презентацией и видеоматериалом.

Медиаобразование в условиях дистанционного обучения помогает обучающимся активно использовать возможности информационного поля телевидения, видео, кинематографа и интернет, для развития творческих, коммуникативных способностей, критического мышления, умений полноценного восприятия, интерпретации, анализа и оценки медиатекстов. Наглядность презентации и видеоматериала помогает обучающимся лучше воспринимать и усваивать тему урока. Развивающая и формирующая функция медиаобразования, является отличным средством для изучения дисциплины.

Тема урока: Алюминий и его сплавы

Цель урока:

Обучающая – ознакомить обучающихся со свойствами алюминия и сплавами на его основе; объяснить историческое значение алюминия и его сплавов; изучить свойства, маркировку, область применения;

Развивающая – развивать способность анализировать, сравнивать, обобщать полученный материал; умение логически правильно и технически грамотно излагать свои мысли; устанавливать межпредметные связи;

Воспитательная – воспитывать интерес к выбранной профессии и изучаемой дисциплине, бережное отношение к используемым материалам.

Методическая цель: Активизация познавательной активности обучающихся через современные педагогические технологии

Тип урока: формирование новых понятий с использованием знаний, полученных на предыдущих уроках.

Метод проведения: информационно-сообщающий, объяснительно-иллюстративный.

Межпредметные связи: физика, химия, производственное обучение.

План урока:

1. История открытия алюминия

2. Характеристика и свойства алюминия

3. Производство алюминия

4. Алюминиевые сплавы

5. Деформируемые алюминиевые сплавы

6. Литейные алюминиевые сплавы

7. Применение алюминиевых сплавов

8. Особенности сварки алюминия и его сплавов

Актуализация и проверка знаний обучающихся, полученных ранее.

Вопросы:

1. Какие металлы относятся к группе цветных? (все металлы кроме железа и сплавов на его основе (стали, чугуна и ферритов))

2. Какие металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью? (золото, серебро, медь и алюминий)

3. Что общего у пищевой фольги и автомобильной покрышки? (их изготавливают из алюминия)

Ход урока

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ АЛЮМИНИЯ

Слайд №4

Первое упоминание о металлическом алюминии обнаружено в античной легенде. Однажды римскому ювелиру позволили показать императору Тибериусу обеденную тарелку из нового металла. Он рассказал императору, что добыл металл из обыкновенной глины. Тарелка была очень светлой и блестела, как серебро. Ювелир заверил императора, что только он и боги знают, как получить этот металл из глины. Император очень заинтересовался открытием ювелира, однако, сразу понял, что вся его казна золота и серебра обесценится, если простолюдины начнут производить этот светлый металл прямо из глины. Поэтому, вместо ожидаемого ювелиром вознаграждения, он был обезглавлен.

Слайд №5

Неизвестно, насколько правдива эта история, но описанные события происходили за 2000 лет до открытия человечеством способа производства алюминия. В природе он не встречается в чистом виде из-за своей высокой химической активности. Вот почему человечество узнало о нем относительно недавно. Формально алюминий был получен лишь в 1824 году, и прошло еще полвека, прежде чем началось его промышленное производство, поскольку вначале способ добычи этого металла был трудоемким, а потому и дорогостоящим. Собственно, и сам алюминий: вплоть до середины XIX века считался металлом роскоши, почти что наравне с золотом и серебром. За полтора века он прошел интересный путь от драгоценного металла до вещества, использующегося в каждой сфере деятельности человечества.

ХАРАКТЕРИСТИКА И СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ

Слайд №6

Алюминий — металл серебристо-белого цвета, 13-й химический элемент в периодической системе Д.И. Менделеева. Кристаллическая решетка — гранецентрированная кубическая. Плотность — 2,7 г/см³, температура плавления 660°С. Имеет высокую тепло- и электропроводность.

По разным данным процент содержания алюминия в земной коре – от 7,45% до 8,14%; из всех элементов только кислород и кремний встречаются чаще. Фактически запасы алюминия на планете неисчерпаемы, и по объемам производства среди металлов он уступает только железу.

Алюминиевые сплавы популярны в различных сферах. Металл и смеси на его основе входят в топ-5 самых распространённых и применяемых на земле. И это неспроста, поскольку алюминий имеет редкое сочетание ценных свойств. Это один из самых легких металлов в природе: он почти в три раза легче железа, но при этом прочен, чрезвычайно пластичен и не подвержен коррозии, так как его поверхность всегда покрыта тончайшей, но очень прочной оксидной пленкой. Он не магнитится, отлично проводит электрический ток и образует сплавы практически со всеми металлами.

ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ

Слайд №7 (Видеофрагмент телевизионной научно-популярной развлекательной программы «Галилео» часть 1)

Чаще всего в природе алюминий встречается в составе квасцов. Это минералы, объединяющие в себе две соли серной кислоты: одну на основе щелочного металла (лития, натрия, калия, рубидия или цезия), а другую – на основе металла третьей группы таблицы Менделеева, преимущественно алюминия.

Кстати, свое имя алюминий получил как раз благодаря квасцам, которые на латыни назывались alumen.

Сырьем для производства алюминия сегодня служит еще одна распространенная в природе алюминиевая руда – бокситы. Это глинистая горная порода, состоящая из разнообразных модификаций гидроксида алюминия с примесью оксидов железа, кремния, титана, серы, галлия, хрома, ванадия, карбонатных солей кальция, железа и магния. В среднем из 4-5 тонн бокситов производится 1 тонна алюминия.

Из бокситов получают глинозем. Это оксид алюминия Al₂O₃, который имеет форму белого порошка и из которого путем электролиза на алюминиевых заводах производят металл.

Производство этого металла можно разделить на несколько этапов:

• Из исходной руды – бокситов – получают обогащенное сырье – глинозем.

• Глинозем растворяют в ванне с криолитом и добавками различных солей фтора, чтобы контролировать температуру ванны, плотность, электрическое сопротивление и растворимость глинозема.

• Затем через ванну пропускают электрический ток, чтобы путем электролиза разделить оксид алюминия – глинозем – на кислород и алюминий.

• Образующийся кислород реагирует с графитовыми анодами, а жидкий алюминий собирается на дне этого электролизного агрегата, которое служит в этом процессе катодом.

• Жидкий алюминий периодически откачивают с помощью сифона или специальных вакуумных агрегатов в накопительные печи и передают далее на разливку слитков.

• Последним этапом является отливка алюминия в формы. В этот момент в состав могут добавляться различные компоненты, которые изменяют его характеристики.

Производство алюминия требует огромного количества электроэнергии. Для производства одной тонны металла необходимо около 15 МВт*ч энергии – столько потребляет 100-квартирный дом в течение целого месяца. Поэтому разумнее всего строить алюминиевые заводы поблизости от мощных и возобновляемых источников энергии, например, гидроэлектростанций.

АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Слайд №8

Сплавы на основе алюминия позволяют эффективнее использовать основной материал и расширить сферу его применения. Для изменения характеристик используются различные виды металлов. Даже незначительная доля примесей существенно меняет характеристики металла и открывает новые сферы для его применения.

Условно сплавы алюминия разделяются на две группы:

1. Деформируемые.

2. Литейные.

В государственном стандарте указывается маркировка алюминиевых сплавов, состоящая из букв и цифр. Расшифровка:

• А — технический материал.

• Д — дюралюминий.

• АВ — авиаль.

• В — высокопрочный сплав.

• АК — ковочный алюминиевый сплав.

• АЛ — литейный алюминиевый сплав.

• АМц — алюминиевый сплав с добавлением марганца.

• АМг — алюминиевый сплав с добавлением магния.

• САП — порошки, спеченные в подготовленных формах.

• САС — сплавы спеченные.

После буквенного обозначения указывается номер, который указывает на марку алюминия

ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Применяются для получения полуфабрикатов (листов, профилей, труб) и различных деталей штамповкой, ковкой, прессованием.

Все деформируемые сплавы подразделяют на термически упрочняемые и неупрочняемые. К первой группе относят сплавы алюминия с магнием и кремнием, а также с магнием и медью. Ко второй – с марганцем и с марганцем и магнием.

Дюралюминий (дюралюмин, дюраль)

Семейство промышленных сплавов Al-Cu-Mg: алюминий (до 93%), медь (до 5%), магний (до 3%).

В результате закалки или состаривания он становится таким же прочным, как сталь, и приобретает устойчивость к скачкам температуры. Поэтому дюраль активно используется в авиации, автопроме и строительстве.

Авиали

Сплавы системы Al-Mg-Si: алюминий (до 98%), магний (до 0,9%), кремний (до 1,2%).

Сплавы этой группы пластичны, после закалки и старения удовлетворительно режутся и хорошо свариваются. Из них делают велосипедные рамы, корпуса мобильных телефонов, лопасти вертолетов и средненагруженные детали. По прочности и в приспособленности к температурным колебаниям авиационный алюминий уступает дюралям.

Высокопрочные сплавы

В основе их системы лежит соединение алюминия с цинком, магнием и медью. Эти сплавы крайне устойчивы к разрывам, удельная прочность у них даже выше, чем у среднелегированных сталей, но чувствительны к низким температурам и к коррозии под напряжением. Из них изготавливают нагруженные детали, в том числе элементы крыла самолета и шпангоуты судна.

Ковочные сплавы

Пластичные и устойчивые к горячим трещинам сплавы алюминия Al-Si-Mg-Cu. Жаропрочны, но наименее технологичны из-за повышенной доли меди в составе. Из них производят головки цилиндров, детали турбореактивных двигателей, а также обшивку сверхзвуковой авиатехники.

ЛИТЕЙНЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии.

Силумины

Сплавы алюминия с кремнием (4-22%).

По физическим свойствам силумин напоминает нержавеющую сталь, но втрое легче ее. Менее прочен чем дюраль, но более устойчив к коррозии, в том числе в проблемных средах – морской, щелочной и слабокислой. Из недостатков можно назвать пористость, зернистость и хрупкость. Используют для литья слабонагруженных деталей: корпусов помп, теплообменников, трубопроводной арматуры, мясорубок, бытовых изделий и т. д.

Сплавы алюминия с медью

Литейные сплавы алюминий-медь (4-5,5%).

После термообработки они хорошо режутся и свариваются, имеют отличные механические свойства и жаростойки: верхний предел температур – +300°С. В то же время жидкотекучесть и ликвация у них заметно хуже, чем у силуминов, и применение ограничено несложными формами.

Сплавы алюминия с магнием (магналии)

Литейные магналии – группа сплавов алюминия с магнием (4-13%), нашли применение в судостроении из-за отличных антикоррозийных свойств, хорошей свариваемости и обработки резкой, высокого предела усталости

ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Слайд №9 (Видеофрагмент телевизионной научно-популярной развлекательной программы «Галилео» часть 2)

Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей и химикатов и в большинстве пищевых продуктов.

Сферы применения алюминия и его сплавов:

1. Строительство. Алюминий в большом объеме используется в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию.

2. Машиностроение. Благодаря своим свойствам из алюминия изготавливают корпуса, рамы, слабо- и средненагруженные детали в авиации, автопроме и судостроении.

3. Ракетостроение. Алюминий используется при изготовлении топлива для запуска ракет.

4. Военная промышленность. Приемлемая цена и малая удельная масса сделала этот металл популярным при производстве деталей для стрелкового оружия.

5. Столовые приборы. Свойство алюминия не разрушать витамины, позволяет широко использовать его в производстве посуды.

6. Пищевая промышленность. Этот металл используется в качестве добавки к пище с помощью которой красят кондитерские изделия или защищают продукты от плесени.

7. Стекловарение. Этот материал используется при изготовлении зеркал. Связано это с его высоким коэффициентом отражения.

8. Ювелирные изделия. Раньше украшения из алюминия были очень популярны. Однако постепенно его вытеснило серебро и золото.

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Слайд №10

Сварка алюминия и его сплавов может быть выполнена всеми способами сварки, известными в настоящее время. Особенности сварки алюминия и его сплавов связана с физическими и химическими свойства металла.

Тугоплавкая плёнка на каплях расплавленного металла, препятствует сплавлению металла, поэтому при сварке необходима защита от воздуха. Такой защитой может быть сварка алюминия в среде с аргоном.

Значительная жидкотекучесть алюминия затрудняет управление сварочной ванной. Для быстрейшего охлаждения металла необходимо использование теплоотводящих подкладок.

Сварочное соединение алюминия и его сплавов склонно к образованию кристаллизационных трещин, что обусловлено растворением в металле водорода. В сплавах алюминия трещины возникают из-за повышенного содержания кремния. Металл обладает большой усадкой, что является причиной деформаций при остывании заготовок.

Значительная теплопроводность алюминия требует применения сварочного тока, превосходящего в несколько раз ток при сварке сталей

Особенности сварки алюминия и его сплавов

1) Поверхность алюминия и его сплавов обволакивает тугоплавкая плёнка, состоящая из оксида алюминия Al₂O₃. Температура плавления этой плёнки 2050°С и она существенно затруднят сплавление основного и присадочного материала. Поэтому, сварочные кромки необходимо очистить от плёнки механическим способом. Однако, чаще всего, очистка делается химическим способом, при использовании флюсов, т.к. при очистке механическим способом плёнка достаточно быстро образуется вновь из-за высокой активности алюминия, вступающего во взаимодействие с кислородом.

2) Вторая особенность это резкое снижений прочности алюминия при сильном его нагревании. При температуре 400…500°С алюминиевые детали могут разрушаться даже под действием собственного веса.

3) Коррозия алюминия проявляется, в основном, при высоких перепадах температуры, а также при большой концентрации кислотных паров. В первую очередь коррозия разрушает металл сварного шва и металл в зоне термического влияния. Причинами появления коррозии могут быть дефекты сварного шва (газовые поры, непровары, шлаковые включения в виде пор, флокены). Кроме этого, причиной коррозии может быть загрязнение сварного шва различными примесями в процессе сварки. Особенно опасными являются примеси кремния и железа. Поэтому, при сварке алюминия необходимо исключить попадание этих элементов в металл сварного шва.

Закрепление полученных знаний

Вопросы:

1. Почему по приказу Наполеона III были сделаны алюминиевые столовые приборы, но они подавались только почётным гостям, а остальные гости пользовались приборами из золота и серебра?

2. Почему алюминий называют "крылатым металлом"?

3. Как оксидная плёнка влияет на свариваемость алюминия?

Список использованной литературы:

1. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение: учебное пособие / Москва «Металлургия», 1983 – 384 с.

2. Теплухин Г.Н., Теплухин В.Г., Теплухина И.В. Материаловедение: учебное пособие / ГОУВПО СПБГТУ РП. - СПб., 2010.-169с.

Список использованных интернет ресурсов:

1. https://aluminiypro.ru/119-istoriya-alyuminiya-eto-budet-interesno-uznat

2. https://aluminium-guide.com/alyuminij-kratko/

3. https://aluminiumleader.ru/about_aluminium/what_is_aluminum/

4. https://dprm.ru/materialovedenie/aluminij-i-ego-splavy

5. https://metalloy.ru/splavy/alyuminievye

6. https://palladium.ru/podderzhka/stati/materialovedenie-alyuminiy-i-alyuminievye-splavym/

7. https://promexcut.ru/alyuminij-i-ego-splavyi

8. https://taina-svarki.ru/svarka-tsvetnyh-metallov/svarka-alyuminiya-kak-varity-alyuminiy.php

9. https://tochmeh.ru/info/alum3.php