Alumínium

Az alumínium kémiai és fizikai tulajdonságai

Ezüstösen szürke, instabil, könnyen alakítható fém, kiváló elektromos vezető. 1,18 K alatti hőmérsékleten szupravezető. A természetben főként vegyületek formájában fordul elő, legismertebb érce a bauxit Al2O3 . 2 H2O (alumínium-oxid-dihidrát).

Vegyületeket hoz létre oxidációs számokkal +I-től +III-ig, a leggyakoribb és legstabilabb vegyületek az alumínium-vegyületek. Savanyú közegben vizes oldatban alumínium-kationt képez, míg lúgos közegben aluminát-aniont [AlO2]−. Tiszta állapotában nagyon reaktív, a levegőn gyorsan vékony oxidréteg (Al2O3) borítja, amely megvédi a további oxidációtól.

Az alumínium nagyon jól oldódik híg savakban. A tömény salétromsav vagy kénsav, valamint a légi oxigén passzivációs oxidréteggel borítja azt. Az alkálifémek hidroxidjai szintén könnyen oldják a fémes alumíniumot aluminátok (AlO2)− képződésével.

Az alumínium és alumíniumötvözetek szinte minden hegesztési módszerrel nagyon jól hegeszthetők. Kivételt képez a dúralumínium, amely nehezen hegeszthető.

Az alumíniumot 1825-ben izolálta fémes formában Hans Christian Ørsted dán fizikus.

Az alumínium előfordulása a természetben

Nagyon reaktív természete miatt a természetben gyakorlatilag csak vegyületei formájában találkozunk vele.

Az alumínium a harmadik leggyakrabban előforduló elem a földkéregben. A legújabb adatok szerint az alumínium a földkéreg 7,5–8,3%-át teszi ki. A tengervízben koncentrációja nagyon alacsony, csupán 0,01 mg Al/l, és az univerzumban körülbelül félmillió hidrogénatomba jut egy alumíniumatom.

A legelterjedtebb alumínium-alapú kőzet a bauxit, Al2O3 · 2 H2O. Általában más szennyeződéseket is tartalmaz, mint például szilícium-, titán-, vas-oxidok.

Másik jelentős ásvány a kriolit, nátrium-hexafluoraluminát Na3AlF6, amelyet elsősorban az alumínium-oxid olvadáspontjának csökkentésére használnak az alumínium elektrolitikus előállításánál.

Az alumínium-oxid Al2O3 alapú ásványok nagyon fontosak és értékesek közé tartoznak. A korund a Mohs-keménységi skála 9. helyén áll. Az alumínium-oxidot technológiailag elektritnek is nevezik, és széles körben használják csiszolópapír gyártására.

Az alumínium-oxidot tartalmazó drágakövek alapanyaga eltérő szennyező anyaggal rendelkező drágakövek különböző színárnyalatukat köszönhetik ennek. A piros rubin színe króm-oxid szennyeződés miatt van, a kék zafír főképp titán- és vas-oxid nyomokat tartalmaz.

A fent említett korund formák a világ legértékesebb drágakövei közé tartoznak, de a technikában is jelentős szerepet játszanak. A zafír csúcsok kitűnnek keménységükkel és ellenállóságukkal, a csúcsminőségű tudományos mérőműszerekhez használják őket. A rubint az első lézer építőanyagaként ismerik.

Az alumínium előállítása

Annak ellenére, hogy az alumínium a földkéreg leggyakrabban előforduló elemei közé tartozik, ipari gyártása még viszonylag nemrégiben is nehéz folyamatok közé tartozott. Ez elsősorban azért van, mert az elemi alumíniumot nem lehet egyszerűen metallurgikusan kivonni érceiből, mint például vasat koksszal a magas kemencében. Csak a fémércek olvadék elektrolízisének ipari uralása tette lehetővé a jelenlegi több száz tonna tiszta alumínium éves termelését.
Elektrolízis során a körülbelül 950 °C hőmérsékletű olvadék tisztított bauxit és kriolit elegyéből a katódon elemi alumínium válik ki, a grafit anódon oxigén keletkezik, amely az elektróda anyagával mérgező szén-monoxid, CO, gázt képez.
Csehszlovákia területén 1933-ban kezdődött az alumíniumlemezek gyártása, és később, 1954-ben a fogyasztási cikkek gyártása alumínium fóliából Břidličnában. A társaság továbbra is a gyártással foglalkozik. Továbbá 1953-ban megkezdődött az alumínium gyártása a szlovákiai Zsarnócán, ahol a bauxit túlnyomó részét Magyarországról importálták. Az alumínium gyártása itt Söderberg technológiával 1998-ban fejeződött be.

Alumíniumötvözetek

A legfontosabb azonban az alumínium alkalmazása ötvözetek formájában, amelyek közül a legismertebb a magnézium-, réz- és mangánötvözet, amelyet dúralnak neveznek. Ez az anyag sokkal nagyobb szilárdsággal és keménységgel rendelkezik az alumíniumhoz képest, ugyanakkor megőrzi a nagyon alacsony sűrűséget. Ugyanakkor nagyon ellenállóak a korrózióval szemben. Mindezek a tulajdonságok ideális anyaggá teszik a repülőgép- és autóipar számára, de találkozhatunk vele liftek, kerékpárok, könnyű létrak és hasonló alkalmazások gyártása során is.

Jól ismert alumíniumötvözetek a 6061 és 7005 kategóriák. Mi a különbség köztük? A 7005-ös sorozat (amely 93,35% Al, 0,13% Cr, 1,4% Mg, 0,45% Mn, 0,03% Ti, 4,5% Zn, 0,14% Zr) gyakran váltakozik a Alloy 6061 néven ismert ötvözettel, amely 98,1% Al, 0,020% Cr, 1% Mg, 0,28% Mn, 0,6% Si összetételű. Al 6061 anyagnak valamivel alacsonyabb a mechanikai tulajdonsága, de jobban hegeszthető, mivel a 7005-tel ellentétben nem tartalmaz cinket, ami hegesztés közben esetleges repedéseket okozhat. Azonban például a 7005-ből készült kerékpárváz, amely önmagában képes megkeményedni, az Al 6061 vázakat mindig hőkezelni kell. A 6061-es ötvözet hátránya, hogy húsz százalékkal kisebb szilárdsággal rendelkezik, mint a 7005-ös sorozat. Ugyanakkor van egy előnye is a 6061 anyagnak, hogy nagyobb puhasága miatt jobban formálható és azonos csővastagság esetén a 7005-höz képest garantáltan könnyebb lesz.