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9、铝提炼。矾土是制作铝的一种原材料，是一种含氧化铁、氧化硅、氧化钛杂质的氢氧化铝混合物。矾土在世界上的不规则分布使得人们尝试将粘土作为原材料，但目前为止还没有经济的可行的工艺让人们从粘土中提取铝。矾土中滤去氢氧化钠，可溶性铝酸钠从不溶性残余物中分离出来后形成。铝酸钠分解成氢氧化钠和氢氧化铝，然后将它们转变为氧化物。这些氧化物溶解在熔化的冰晶石中后电解制造出液态铝。正常的铝的纯度在99％到99.7％范围内，其主要杂质是铁和硅，加之少量的钛、钒、锰、等等。铝可以通过电解进一步精炼到纯度为99.99％以上，但其高费用无法保证在商业上使用这种高级的铝。铝是一种重量轻的白色金属，延展性优良，具有好的导热性和导电性，在一定的条件下也有好的抗腐蚀性能，但铝太软，机械加工性能也很差。通过加入合适的合金元素和热处理可以略微提高其机加工性能，但因此必须牺牲其一部分好的性能。合金元素。铝主要加的合金元素有硅、铜、镁和锌，单独加入或一起都可以。其它辅加元素有铬、锰、镍、锡、钴、铁、铅、铋、钛、硼、钒、镉和钠。硅是铝中一种常见的杂质，在纯铝中其一般含量在0.15％到0.4％。它通常和铁（另一种正常的铝杂质）化合形成在性能上有一点相关影响的金属化合物。但是，在很多合金中，硅的含量被加到了30％，这些共晶合金（含11.7％的Si）在熔融状态下有高的流动性。就因为这个原因，铝合金在含有3％以上的硅时有很好的可铸性。当硅含量超过12％时，硅形成初级的晶体，因为其高硬度，增加了合金的耐磨性。硅本身在铝合金中一点也不增加合金的机械加工性能，但当镁和铜存在时，形成像Mg2Si，AlCuMgSi这些化合物，这些化合物使得铝合金可以进行时效硬化和提供略微提高机加工性能的可能。硅在任何明显程度上都不影响铝的耐腐蚀性，但铝的机械加工性和可加工性就大大地减少。铜（图15—5）是铝中最经常加入的合金元素之一，铝铜合金在时效硬化后能得到高的机械加工性能。在镁和硅存在时，形成了像Mg2Si，Al2CuMg,或者AlCuMgSi这样的化合物；所有这些产物显著的时效硬化后增加了机械加工性能。铜就像其它大多数合金元素一样有高的熔点，升温后提升了机械加工性能。铜降低了铝合金的耐腐蚀性，在一定的条件下容易受到晶间腐蚀。纯铝镀层或其耐蚀合金被广泛地用于保护铜轴承合金。铜降低了导电性。总之铝在含6％以上的铜时，铜会提高可铸性（低于时就会非常地差），但会稍微降低可加工性能。镁（图15—6）在铝中形成了大量的固溶体并提高铝的强度。高镁合金能够进行时效硬化，但经时效后提升的性能不足以证明它能够在商业合金中的使用。镁提高了铝的抗腐蚀性，特别是在海水中，规定合金中存在的杂质仅仅能够在有限的数量上。合金中含有铜、硅或锌，再加上镁后通过形成Mg2Si、Al2CuSi、MgZn2、MgZn、AlMgZn和AlCuMgZn这些化合物从而提高时效硬化影响的性能，因此具有高的机械加工性能。可铸性、可成形性和导电性随着镁的加入而降低了，然而，机械加工性却改善了。锌（图15—7）能很大程度地溶解于固态铝中，但在铝锌合金中通过时效硬化得到性能的提升却是有限的。当镁存在时，形成的化合物MgZn2、MgZn和AlMgZn会产生通过时效硬化在任何铝合金具有高的机械加工性能的合金。锌的加入降低了铝耐蚀性，很多含锌的铝合金容易受到晶间腐蚀和应力腐蚀。锌降低了铝合金的熔点，因此提高了合金熔融状态下的流动性。就因为这样和由于锌低的表面张力，铸件的精加工性非常的好。然而，锌的加入，使合金具有热脆性。应用。表19说明了商业化的铝合金。除了作为还原剂外，在渗铝法和涂层时，铝用于一些需要产生硬的氮化物表面的钢中。在高温下，铁、铬、镍、钴这些合金加入铝基中用来提高抗氧化性。在铜合金中，铝是铝青铜的主要合金元素，它在给予镁青铜和铝青铜高耐蚀性和高强度也是同样的重要。镁基合金通常也含有铝从而给予其强度和可热处理性。另外一些含有铝的合金基体是锌的压铸件基体。通过合成氧化铝可以有效提高铝在高温下的强度。当相当数量的氧化铝被精巧地从晶间分离，比如通过粉末冶金的方法完成，可以减少晶粒生长和提高蠕变抗性。铝粉的另一种用途是用于生产具有好的反射能力和保护效果的涂料。