13.1.2. Алюминий и его сплавы

Алюминий А1 — это серебристо-белый металл, легкий и легко­плавкий, с высокой электро- и теплопроводностью и пластичностью (см. табл. 12.1). По электропроводности он занимает третье место после серебра и меди. Его ρ = 2,8•10^-8 Ом•м, Tпл= 657—660°С, плот­ность 2,7 Мг/м³ . Из-за высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления (см. табл. 13.2) для нагрева от 20°С до Тпл и рас­плавления алюминиевой проволоки требуется в 1,58 раза больше те­пловой энергии, чем для нагрева от 20°С до Тпл и расплавления такой же массы медной проволоки. Преимущество алюминия как провод­никового материала заключается в том, что он дешевле и более дос­тупен, чем медь. Удельное сопротивление алюминия больше р меди в 1,63 раза, плотность — в 3,5 раза меньше. Поэтому два одинаковых по длине отрезка проволоки из алюминия и меди с одним и тем же сопротивлением окажутся разными по диаметру и массе. Несмотря на то, что диаметр алюминиевой проволоки примерно в 1,35 раза больше диаметра проволоки из меди, алюминиевая проволока будет легче медной примерно в 2 раза. Это положение имеет немаловаж­ное значение для облегчения веса электротехнических конструкций.

Алюминий — самый распространенный в природе металл. Его массовая доля в земной коре составляет ~8,8%. Производство алю­миния проходит следующие этапы: вначале из алюминиевой руды (бокситов А12О3-хН2О или нефелинов K2O-Al2O3-2SiO2 и др.) получают чистый глинозем А12О3, который растворяют в расплавленном крио­лите (Na3[AlF6] ) и при ~950°С путем электролиза выделяют алюми­ний. Выплавка (электролиз) алюминия — очень энергоемкая операция: каждая тонна металла требует затраты электроэнергии около 16 тыс. кВт-ч. Первичная очистка алюминия заключается в продувке через его расплав хлора. Полученный металл содержит алюминия обычно 99,7%. Путем электролитического рафинирования его чисто­ту можно довести до 99,99% и более. Для полупроводниковой техни­ки алюминий дополнительно очищают методом зонной плавки (см. гл. 9.1) до чистоты 99,9999%.

Присутствие в алюминии примеси существенно снижает его удельную электропроводность и изменяет механические свойства. При этом на электропроводность алюминия влияет не только кон­центрация примеси, но и ее природа (рис. 13.2). Присутствие в алю­минии Ni, Si, Zn или Fe в количестве 0,5% снижает удельную элек­тропроводность на 2—3%, присутствие в том же количестве Си, Ag или Mg снижает у на 5—10%. Особенно сильно снижают у алюминия такие примеси, как Ti, Mn и V.

Благодаря высокой пластичности, алюминий хорошо поддается прокатке и волочению, которые производят аналогично соответст­вующим операциям для меди. При холодном волочении и прокатке в результате наклепа получают твердый алюминий (AT), который имеет повышенные механическую прочность, твердость и удельное сопро­тивление. Механические свойства и удельное сопротивление наклепаного алюминия можно понизить путем рекристаллизационного отжига, проводимого при температуре 350—400°С (см. табл. 13.2). После отжига получают мягкий (отожженный) алюминий (AM). Ме­тодом волочения или прокатки из алюминия, так же как из меди, получают проволоку (круглую диаметром от 0,08 до 10 мм, прямо­угольную, сегментную или секторную) или пластины, ленту и фольгу (толщиной до 5—7 мкм).

Рис. 13.2. Зависимость удельной электропроводности от концентрации различных примесей.

Маркировка алюминия начинается с буквы А, затем идет цифра указывающая содержание алюминия в сотых долях процента. На­пример, алюминий марки А97 содержит алюминия 99,97%, осталь­ное — контролируемая примесь. Алюминий различают трех классов: 1) особо чистый — марка А999 (А1 не менее 99,999%); 2) химически чистый — марки А995, А99, А97, А95, содержащие А1 не менее 99,995, 99,99, 99,97, 99,95%, соответственно; 3) технически чистый — марки А85, А8, А7, А6, А5, АО, А, АЕ, содержащие А1 не менее 99,85 99,80, 99,70, 99,60, 99,50, 99,00, 99,00, 99,5%, соответственно. Чем выше требуется чистота алюминия, тем сложнее технология его очи­стки и контроля и тем он дороже.

В электротехнике применяют алюминий марок А7Е, А6Е, А5Е, АЕ, где буква Е указывает на его электротехническое назначение, а примеси должны находиться в определенном соотношении и не пре­вышать 0,5%, при этом Си должно быть не более 0,015%, Мn — не более 0,01% и Mg — не более 0,02%. Алюминий марки А97 применя­ют для изготовления фольги, электродов и корпусов электролитиче­ских конденсаторов и других изделий.

Алюминий — активный металл. Благодаря высокому сродству к кислороду, на воздухе он быстро покрывается тонкой (толщина порядка нм) и плотной пленкой оксида алюминия А12О3, которая за­щищает внутренние слои от дальнейшей коррозии. Пленка А12О3 об­ладает высоким удельным сопротивлением (ρ > 1 •10¹⁴ Ом-м) и при на­пряжениях менее 1 В может служить естественной межвитковой изоляцией. Путем анодирования (электрохимического анодного окис­ления) можно увеличить толщину оксидной пленки, при этом повы­сится пробивное напряжение. Оксидная пленка толщиной 0,03 мм имеет Unp= 100 В, толщиной 0,04 мм — Unp = 250 В.

Недостатком такой изоляции является ограниченная гибкость про­волоки и заметная ее гигроскопичность. Оксидная изоляция получила наибольшее применение в производстве электролитических конденса­торов и микросхем. Оксидная пленка алюминия, имея высокое удель­ное сопротивление в месте контакта проводников, создает достаточно высокое переходное сопротивление. Это ее отрицательное качество. Кроме того, она затрудняет пайку алюминия обычными методами. По­этому при пайке алюминия применяют специальные припои или раз­рушают оксидную пленку ультразвуком с помощью ультразвукового паяльника, либо в месте контакта используют пластическое обжатие. Алюминий достаточно эрозионностоек к действию электриче­ских разрядов, а значит, его можно использовать в качестве электродов в приборах, где должно отсутствовать катодное распыление ме­талла.

Алюминии по отношению к большинству металлов обладает отри­цательным электродным (электрохимическим) потенциалом, который равен —1,67 В (у меди +0,34 В). Поэтому алюминий, находясь в кон­такте со многими металлами, образует с ними гальваническую пару, в которой является анодом. Гальваническая пара в присутствии влаги способствует электрохимической коррозии алюминия. Следовательно, места соединения алюминия с медью, железом и рядом других метал­лов необходимо защищать от увлажнения — покрывать лаками и т.п.