Химия и Химики № 2 2014. Опыты с алюминием

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Плавление алюминия и получение алюминиевого порошка

Для ряда опытов с алюминием необходим алюминиевый порошок, например, для реакции горения термита. Найти алюминий - не проблема, в быту алюминий встречается в виде дюрали, силумина или чистого алюминия. Сплавы по коррозионной устойчивости часто уступают алюминию, но для большинства опытов это несущественно. Проблема в том, что они далеко не всегда подходят вместо чистого алюминия. Например, для термита силумин использовать не рекомендуют. Как различить алюминий и его сплавы?

Провода (проволоку) изготовляют из чистого алюминия, поскольку примеси увеличивают электрическое сопротивление. Из сравнительно чистого алюминия делают пивные банки. Раньше из алюминия делали кухонную посуду - ложки, вилки, тарелки, кастрюли, миски и т.п. Сейчас для этой цели используют преимущественно силумин - сплав алюминия и кремния. Алюминиевая пудра "серебрянка" состоит преимущественно из алюминия с добавкой оксида и ПАВ (последний для защиты от слеживания) [K1], но для термита она не годится, т.к. реакция идет слишком бурно.

Чистый алюминий можно отличить от дюрали по характерному звенящему звуку при ударе по дюрали. Из силумина зачастую отливают более крупные детали, поскольку он достаточно хрупкий (у знакомого была крышка от двигателя из силумина - она молотком крошится на ура). Поэтому различить алюминий и силумин не проблема: при изгибе силумин ломается, а при ударе - крошится. Алюминий наоборот обладает хорошей пластичностью: при изгибе он не ломается, а при ударе расплющивается.

Например, "алюминиевые" ложки бывают двух видов: штампованные и литые. Штампованные - это алюминий, литые - силумин. Отличить их очень просто: алюминиевые ложки гнутся, силуминовые - ломаются (да и по внешнему виду они различаются).

С вопросом, где взять алюминий, мы разобрались. Остается получить из него алюминиевый порошок. Раньше делал это механическим способом: у меня есть точильный станок "прораб". Его можно использовать для натирания опилок, на крупном диске алюминиевая ложка стирается за 20 минут (размер опилок 0.5 мм), на мелком диске за 40 минут (опилки 0.2-0.3 мм).

Месяц назад нашел большую алюминиевую кастрюлю на пятнадцать - двадцать литров, разрезал ее на части и истер в мелкие опилки. Опилки поместил в литровую банку с крышкой, банка оказалась заполнена на две трети. Сначала опилки были блестящие, а через неделю потускнели, еще через неделю стали серыми (тогда я решил, что банка не герметична и пересыпал в другую банку - с хорошей крышкой). Прошла неделя - и та же история: опилки стали совсем серыми, начал опасаться, что вскоре кроме оксида я там ничего не найду.

На форуме объяснили, что алюминий окисляется только с поверхности: переживать не о чем. Но главное, порошок алюминия более рационально получать не механическим измельчением, а плавлением. Один из участников приспособил для этого газовую плиту.

Если с плиты снять крышку, то на конфорке снизу есть скоба на одном болтике, если болт выкрутить и сделать зазор больше, то увеличивается подсос воздуха и соответственно температура пламени. При работе рассекатель убирается, а тигель подвешивается в верхней части пламени, желательно применять теплоизоляцию.

Таким способом удается расплавить до 500 г алюминия за раз. Если к расплаву добавить 5% магния, то при остывании и интенсивном перемешивании алюминий достаточно легко гранулируется. В результате образуется порошок с размером частиц от пылевидных до 3 мм, что хорошо для термитов. Мелкую фракцию можно отсеять и использовать для пиротехнических составов. Для этой цели можно переплавлять банки из-под пива - сырье, в буквальном смысле, валяется под ногами.

Для начала сделал "на коленке" описанную установку и расплавил в ней около 0.5 кг силумина ("алюминиевые" куски от карбюраторов К151). Мешалкой служила дрель. Получить гранулы удалось лишь частично - образовалось около 100 грамм порошка силумина со сферическими частичками. Их размер варьировался от пылевидный фракции (похожа на серебрянку, но совершенно не мажется, видимо, это из за того, что частицы не настолько мелкие), - до фракции 0.3 мм. Для пиротехники - самое то!

Кроме порошка образовались и частицы гораздо бОльших размеров, причем разница между частичками 0.3 мм и бОльшими была очень резкой, далее идут шарики около 1 мм (но их очень мало) и крупные куски, которые никуда не годятся.

Смотреть Видео (41 Мб, .avi )

Плавление банок описывать не буду, процесс аналогичен плавлению силумина (которое описано выше). Только одно примечание: помещенная в пустой тигель, банка плохо контактирует с его стенками, поэтому пришлось постепенно расплавить банок 10, и только после этого образовавшаяся лужица алюминия действовала как теплоноситель и очередные банки плавились быстро.

Поэтому, если нужно ускорить плавку (например, чтобы сэкономить топливо), то для затравки следует положить компактный кусочек алюминия, и уже после того, как он расплавится, приниматься за банки...

В первый раз не выдержал тигель - прогорел. Алюминий вытек на угли, пришлось остановить опыт. Потом сделал новый тигель, привез еще банок и завершил опыт. После того, как алюминий расплавился, выбрал весь шлак, перемешивал расплав до полного остывания.

Обратите внимание: когда порошок алюминия уже застыл, я на всякий случай продолжил перемешивание (даже застывшая крошка алюминия, которая остыла ниже температуры плавления, может слипнуться так, что и молотком не раздробишь). Из-за того, что порошок алюминия густой (в отличие от расплава) в конце опыта из дрели выпала мешалка. Но оказалась, что порошок уже готов. Теперь необходимо вытряхнуть порошок из тигля на лист металла (а остатки налипшего порошка соскрести ложкой и тоже высыпать). Осталось только отсеять нужную фракцию и взвесить. Однако не удержался и провел еще один эксперимент.

Ранее упоминалось, что добавка магния облегчает грануляцию. Решил попробовать, так ли это. Для этого расплавил содержимое тигля снова и добавил магния: примерно 1-1.5 %. Всю процедуру повторил. Увеличение количества порошка замечено не было (по сравнению с плавкой и гранулированием без магния), но образование порошка из расплава прошло легче, а частички получились явно мельче.

Просеял порошок алюминия через сито (с ячейками - 1.5 мм). Взвесил. Порошка алюминия из банок (без добавки магния) получилось 430 грамм. А порошка из того же алюминия, но с присадкой магния получилось 480 грамм! Плюс порошок без добавки магния более крупный, чем с магнием (см. фото). Обнаружилось еще одно отличие - в порошке, полученном без магния, почти нет мельчайших частиц алюминия и подобия алюминиевой пыли - а в порошке с магнием они есть.

Смотреть Видео - Плавление (136 Мб, .avi ) Смотреть Видео - Гранулирование (149 Мб, .avi )

Литье шарика из силумина

Последовательность операций показана на фотографиях. Отпущен момент заливки металла в литейную форму, так как снимать было неудобно (да и ничего непонятного в этой процедуре нет). За основу взят теннисный шарик.

В момент заливки над формой образовалась "застывшая лепешка" и я подумал, что литейная форма еще не заполнена металлом, а расплав затвердел прямо в отверстии. Попытался протолкнуть застывший металл стержнем. В результате стержень застрял в затвердевшем металле.

Как оказалось при извлечении шарика, форма заполнилась отлично, просто меня глазомер подвел... Осталось обработать отливку напильником и наждачной бумагой.

Примечания.

Вопрос: Силумин льется хорошо, с чистым алюминием так может не получиться.

Силумин действительно хорошо льется, но только когда нагрет заметно выше температуры плавления. Я плавил на дровах с поддувом воздуха, сильно перегреть не получилось (с углем это вышло бы на раз, я на нем спокойно латунь из спортивного интереса плавил, теперь вот, на сталь - с последующим науглероживанием до чугуна - замахнулся, пока читаю, изучаю). А хрупкие металлы при температуре плавления густые. Так что силумин у меня сначала был вполне жидкий, но в процессе заливки "на глазах" густел. Чистый алюминий в этом плане лучше, у него переходная стадия очень узкая.

Вопрос: А в каком тигле вы алюминий (силумин) плавите?

Хорошо подходит консервная банка (как из-под сгущенки или из-под горошка или кукурузы - эти побольше). Но температуру нужно поднимать медленно (например, на газу). А с тех пор, как я сделал себе миниатюрную "доменную печку", консервной банки хватает только на одну плавку (прогорает). В данном случае (при литье шарика) я использовал банку из-под тушенки, похожа на банку из-под сгущенки, но стенки явно потолще. А вообще, я отпилил от двух старых огнетушителей дно (на две трети по высоте) - получил такие стаканы, для плавки подходят отлично. Для пробы расплавил в таком стакане около двух с половиной килограмм силумина. Это далось без труда (около 20 минут). Расплав при застывании перемешивал дрелью. Получил чуть меньше килограмма силуминового порошка.

Комментарии

^К1 Пигментная алюминиевая пудра состоит из пассивированного оксидной пленкой алюминиевого порошка, дополнительно покрытого ПАВ. Она содержит около 90% металлического алюминия. Более того, наши "бизнесмены" нередко разбавляют ее дешевыми белыми пигментами.

^К2 При достаточном запасе шариков для тенниса проще организовать литье по выжигаемым моделям. В общих чертах так.

1) Шарики, служащие моделями, покрывают слоем (несколько мм) формовочной смеси на глинистой основе или иной, способной к отвердению. После выжигания шариков останутся искомые формы. Формовочная смесь для этого слоя должна быть мелкодисперсной, чтобы обеспечить чистую поверхность отливки. Если шариков много, надо заранее предусмотреть (сходу не придумаю, может быть, из соломинок для коктейля) соединительные литниковые каналы. На заводе цветного литья модели делают из пенополистирола, наклеивают на заранее заготовленную пенополистироловую модель литниковой системы и всю эту гроздь окунают в бадью с каким-то составом на силикатной основе.

2) Подготовленную таким образом тонкослойную форму помещают в опоку и заливают более грубодисперсной формовочной смесью. Делают литниковую систему.

3) После затвердевания и просушки формы ее помещают в печь и прогревают до температуры, достаточной для выгорания пластиковых моделей и литников. Небольшое количество жидких продуктов пиролиза впитывается в стенки формы, обугливается и не мешает.

4) Собственно заливка, охлаждение, очистка отливки, обрезка литников.

По затратам труда модельщиков и времени на формовочные работы эта технология дороже, чем литье в землю, но зато чистота отливок выше, поэтому экономится труд и металл на их обработку. А по сравнению с литьем в кокиль большая экономия на мелких сериях.

Я давным-давно попробовал подобную технологию дома на олове для литья солдатиков по восковым моделям. Поразила чистота поверхности отливок: в отдельных местах, где я сделал модели недостаточно чисто, на отливках воспроизвелись отпечатки моих пальцев. В качестве внутреннего слоя формовочной смеси использовал скульптурную глину.