Podstawowym metalem wykorzystywanym w różnych gałęziach przemysłu od lat nieodmiennie pozostaje żelazo używane w postaci rozmaitych stopów stalowych. Choć dysponuje ono wieloma pożądanymi cechami – wysoką wytrzymałością na obciążenia, sprężystością, a zarazem stosunkowo dużą sztywnością, a także odpornością na temperaturę i ścieranie, to nie sprawdza się równie dobrze we wszystkich obszarach. Do najpoważniejszych mankamentów stali należy przede wszystkim jej podatność na korozję, która często wymaga skomplikowanych i kosztownych zabiegów zabezpieczających oraz znaczna gęstość przekładająca się na sporą masę. Wad tych nie mają metale nieżelazne, takie jak choćby aluminium, które w postaci różnych stopów coraz częściej z powodzeniem zastępuje rozmaite gatunki stali. Użycie aluminium systematycznie rośnie, a liczba zastosowań, także związanych z nowoczesnymi technologiami jest coraz większa. Przyjrzyjmy się bliżej najważniejszym właściwościom aluminium i zobaczmy, w jakich branżach wiąże się z nim najwięcej nadziei.
Podstawowym metalem wykorzystywanym w różnych gałęziach przemysłu od lat nieodmiennie pozostaje żelazo używane w postaci rozmaitych stopów stalowych. Choć dysponuje ono wieloma pożądanymi cechami – wysoką wytrzymałością na obciążenia, sprężystością, a zarazem stosunkowo dużą sztywnością, a także odpornością na temperaturę i ścieranie, to nie sprawdza się równie dobrze we wszystkich obszarach. Do najpoważniejszych mankamentów stali należy przede wszystkim jej podatność na korozję, która często wymaga skomplikowanych i kosztownych zabiegów zabezpieczających oraz znaczna gęstość przekładająca się na sporą masę. Wad tych nie mają metale nieżelazne, takie jak choćby aluminium, które w postaci różnych stopów coraz częściej z powodzeniem zastępuje rozmaite gatunki stali. Użycie aluminium systematycznie rośnie, a liczba zastosowań, także związanych z nowoczesnymi technologiami jest coraz większa. Przyjrzyjmy się bliżej najważniejszym właściwościom aluminium i zobaczmy, w jakich branżach wiąże się z nim najwięcej nadziei.
Najważniejsze właściwości aluminium
Aluminium jest jednym z metali, który wszedł do użytku stosunkowo późno. Przemysłowe metody pozyskiwania aluminium wprowadzono dopiero na przełomie XIX i XX wieku, a samo odkrycie czystej jego postaci to zaledwie połowa XIX wieku. Bardzo szybko okazało się jednak, że paleta możliwych zastosowań jest bardzo szeroka, zwłaszcza w gałęziach, gdzie istotna okazuje się spora wytrzymałość połączona z niewielką masą. Warto pamiętać, że czyste aluminium ma gęstość niemal trzykrotnie niższą niż popularne stale, co bezpośrednio przekłada się na wagę wszystkich wykonanych z niego elementów. Liczy się także to, że podobnie jak w przypadku innych metali aluminium może być używane w postaci stopów z rozmaitymi domieszkami. Obecność innych pierwiastków jest w stanie znacznie poprawić właściwości mechaniczne aluminium, przede wszystkim jego wytrzymałość na obciążenia.
Jednocześnie rozmaite popularne stopy aluminium – silumin (zawierający domieszkę krzemu, a także miedzi, magnezu, manganu i niklu), awional (składający się z miedzi oraz magnezu, manganu i siarki) czy duraluminium (uzyskiwane przez połączenie miedzi, magnezu, manganu, krzemu oraz żelaza) – osiągają znakomite parametry wytrzymałościowe, dzięki czemu przy niewielkiej masie można je wykorzystywać w stawiającym najwyższe wymagania przemyśle lotniczym i kosmicznym. Stopy aluminium trafiają także do przemysłu maszynowego, gdzie powstają z nich silniki czy układy chłodzenia, a także do branży motoryzacyjnej.
Nie można zapominać, że tworzenie stopów aluminium nie eliminuje jego kluczowych właściwości. Wśród cech charakterystycznych wciąż będzie się znajdowała niska rezystywność, czyli opór powstający przy przepływie prądu elektrycznego oraz świetne przewodnictwo cieplne, dające możliwość skutecznego odbierania energii, co jest ważne zarówno w zaawansowanych układach chłodzenia, jak i systemach grzewczych. Liczy się także bardzo dobra odporność na korozję. Na powierzchni aluminium samoczynnie powstaje bardzo cienka warstwa tlenku glinu, która blokuje dostęp powietrza i zmienia potencjał elektryczny, znacznie go obniżając. Ważnymi argumentami przemawiającymi za wykorzystywaniem aluminium jest również jego korzystna cena oraz możliwość stosunkowo łatwego recyklingu ograniczającego koszty pozyskania i chroniącego środowisko naturalne.
Możliwe obszary zastosowania aluminium i jego stopów
Lista możliwych zastosowań aluminium jest bardzo długa, a większość z nich wiąże się z jego najważniejszymi charakterystykami – stosunkowo niewielką masą, dobrą wytrzymałością mechaniczną oraz znakomitą przewodnością termiczną i elektryczną, a także odpornością na korozję. Elementy z aluminium stosuje się w przemyśle kosmicznym i lotniczym, co pozwala na znaczne obniżenie masy startowej, a zatem i zwiększenie nośności maszyn oraz redukcja zużycia paliwa. W branży motoryzacyjnej z aluminium wykonuje się głównie części silników ze względu na niższy ciężar oraz karoserii z uwagi na masę, a także odporność na korozję. Podobne przyczyny stoją za wykorzystywaniem aluminium przy produkcji statków. Bardzo szeroko korzysta się z aluminium w budownictwie. Z aluminium wykonuje się pokrycia dachowe, elementy konstrukcyjne, ramy dużych przeszkleń oraz tradycyjną stolarkę otworową. Aluminium to materiał używany do wykonywania izolacji i systemów ogrzewania – rur, grzejników, elementów kotłów centralnego ogrzewania oraz niezwykle efektywnych wymienników ciepła. Nie można zapominać o branży opakowaniowej, w której z aluminium produkuje się puszki oraz powłoki opakowań z papieru, jak również tworzyw sztucznych.
Aluminium coraz częściej jest nazywane materiałem przyszłości. Wiąże się to nie tylko z jego cechami użytkowymi, ale także z osiąganymi za jego pomocą rezultatami. Lżejsze materiały oznaczają niższe zużycie paliwa, a w efekcie mniejsze zanieczyszczenie środowiska naturalnego. Odporność na korozję oznacza dłuższy okres eksploatacji, a zatem nie tylko ograniczenie kosztów związanych z zabezpieczeniami przeciw rdzewieniu, ale też mniej energochłonnych procesów takich jak choćby cynkowanie, czy nie zawsze bezpiecznych dla środowiska inhibitorów korozji. Przedłużenie czasu użytkowania wiąże się też ze zmniejszeniem nakładów potrzebnych do budowy nowego urządzenia oraz kosztów związanych z utylizowaniem tego, które uległo zużyciu.
Wykorzystanie aluminium w budownictwie oznacza mniejszą masę konstrukcji, a zatem powoduje redukcję ilości zużywanych pozostałych materiałów. Pozwala również na powstawanie większych i bardziej energooszczędnych obiektów. Aluminium jest bazą do produkowania rozmaitych kompozytów. W połączeniu z grafenem pomaga w tworzeniu nowocześniejszych i bardziej wydajnych komputerów. Wiele kompozytów powstających z wykorzystaniem aluminium łączonego z m.in. z grafitem, magnezem czy krzemem opracowuje się na potrzeby przemysłu lotniczego i zbrojeniowego, np. do produkcji doskonalszych pancerzy, elementów płatowców czy silników. Ciekawym zastosowaniem są pianki aluminiowe o różnej strukturze, tworzone np. na bazie związków tytanu, które gwarantują wysoką sztywność, zdolność do pochłaniania energii, ale również właściwości izolujące.
Aluminium jest używane przy produkcji różnych rozwiązań zapewniających dostęp do odnawialnych źródeł energii. Wytwarza się z niego ramy i osłony paneli słonecznych, elementy farm wiatrowych i turbin wykorzystujących energię wody. Ważną cechą aluminium jest możliwość jego pełnego recyklingu, co znacznie ogranicza ślad węglowy, ale również korzystnie wpływa na koszty. Recykling aluminium oznacza jedynie ułamek nakładów energetycznych potrzebnych do wytworzenia surowca z naturalnych boksytów.
