Hợp kim của nhôm là hợp kim của nhôm với các các nguyên tố khác như: đồng, thiếc, mangan, silic, magiê.
+ Hợp kim đuyra:
Hợp chất quan trọng nhất của nhôm là đuyra. Thành phần có : 94% Al, 4%Cu, còn lại là các nguyên tố Mn,Mg,Si.... Hợp kim này có độ bền hơn nhôm 4 lần ( gần bằng độ bền của thép), có tỉ khối xấp xỉ 27.5g/cm3. Đuyra được dùng nhiều trong công nghiệp chế tạo máy bay, ôtô, xe lửa...
+ Hợp kim silumin:
Thành phần chính của silumin là Al và Si ( 10 đến 14% Si). Hợp kim có ưu điểm nhẹ, bền và rất ăn khuôn (thể tích dãn nợ khi nhiệt độ giảm). Silumin được dùng để đúc một số bộ phận của máy móc.
Hợp kim almelec có chứa đến 98,5 % nhôm, còn lại là Mg, Si, Fe. Hợp kim này có ưu điểm là điện trở nhỏ, dai và bền hơn nhôm. Almelec dùng để chế tạo dây cáp dẫn điện cao thế thay cho đồng là kim loại qúy hiếm và nặng.
+ Hợp kim electron
Thành phần chính của hợp kim electron là magie ( 83,3%) nhôm (10,5%), còn lại là kẽm và mangan.Electron có những ưu điểm là nhẹ ( có khối lượng riêng 1.75g/cm3 , bằng 0,65 lần so với nhôm), rất bề về mặt cơ học ( bền hơn thép) chịu được sự va chạm và sự thay đổi nhiệt độ trong giới hạn và đột ngột. Electron dùng để chế tạo tàu vũ trụ, vệ tinh nhân tạo...
Tính chất:
- Khối lượng riêng nhỏ (~2,7g/cm³) nên nhôm và hợp kim nhôm chỉ nặng bằng 1/3 thép, đó là tính chất đặc biệt được chú trọng khi các thiết bị cần chế tạo phải chú trọng đến trọng lượng (trong ngành hàng không, vận tải...).
- Tính chống ăn mòn trong khí quyển: Do đặc tính ôxy hoá của nó đã biến lớp bề mặt của nhôm thành ôxít nhôm (Al2O3) rất xít chặt và chống ăn mòn cao trong khí quyển, do đó chúng có thể dùng trong đa ngành mà không cần sơn bảo vệ. Để tăng tính chống ăn mòn, người ta đã làm cho lớp ô xít nhôm bảo vệ dày thêm bằng cách anot hoá.
- Tính dẫn điện: Tính dẫn điện của nhôm bằng 2/3 của đồng (kim loại), nhưng do nhôm nhẹ hơn nên chúng được sử dụng nhiều hơn bởi nếu cùng truyền một dòng điện thì dây nhôm nhẹ hơn bằng 1/2; ít bị nung nóng hơn...
- Tính dẻo: Rất dẻo, nên rất thuận lợi cho việc kéo thành dây, tấm, lá, băng, màng, ép chảy thành các thanh có biến dạng đặc biệt (dùng cho khung cửa, các loại tản nhiệt...rất thuận tiện khi sản xuất).
- Nhiệt độ nóng chảy: Tương đối thấp nên thuận tiện cho việc nấu chảy khi đúc, nhưng cũng làm nhôm và hợp kim nhôm không sử dụng được ở nhiệt độ cao hơn 300-400 độ C.
- Độ bền, độ cứng: Thấp.
Phân loại:
Hợp kim nhôm biến dạng: Được chia làm hai loại là hợp kim nhôm biến dạng hoá bền
được bằng nhiệt luyện và hợp kim nhôm biến dạng không hoá bền được bằng nhiệt luyện. Hợp kim nhôm đúc là các loại hợp kim với khoảng Si rộng (5-20%) và có thêm Mg (0,3- 0,5%) để tạo pha hoá bền Mg2Si nên các hệ Al-Si-Mg phải qua hoá bền. Cho thêm Cu (3-5%) vào hệ Al-Si-Mg để cải thiện cơ tính và có tính đúc tốt do có các thành phần gần với cùng tin Al-Si-Cu nên được sử dụng trong đúc piston (AA390.0), nắp máy của động cơ đốt trong.
Sự phổ biến và điều chế kim loại nhôm
Mặc dù nhôm là nguyên tố phổ biến trong vỏ Trái Đất (8,1%), nó lại hiếm trong dạng tự do và đã từng được cho là kim loại quý có giá trị hơn vàng (Người ta nói rằng Napoleon III của Pháp có các bộ đồ ăn bằng nhôm dự phòng cho những người khách quý nhất của ông. Những người khách khác chỉ có bộ đồ ăn bằng vàng). Vì thế nhôm là kim loại tương đối mới trong công nghiệp và được sản xuất với số lượng công nghiệp chỉ khoảng trên 100 năm.
Nhôm khi mới được phát hiện là cực kỳ khó tách ra khỏi các loại đá có chứa nó. Vì toàn bộ nhôm của Trái Đất tồn tại dưới dạng các hợp chất nên nó là kim loại khó nhận được nhất. Lý do là nhôm bị ôxi hóa rất nhanh và ôxít nhôm là một hợp chất cực kỳ bền vững, không giống như gỉ sắt, nó không bị bong ra.
Sự tái chế nhôm từ các phế thải đã trở thành một trong những thành phần quan trọng của công nghiệp luyện nhôm. Việc tái chế đơn giản là nấu chảy kim loại, nó rẻ hơn rất nhiều so với sản xuất từ quặng. Việc tinh chế nhôm tiêu hao nhiều điện năng; việc tái chế chỉ tiêu hao khoảng 5% năng lượng để sản xuất ra nó trên cùng một khối lượng sản phẩm. Mặc dù cho đến đầu thập niên 1900, việc tái chế nhôm không còn là một lĩnh vực mới. Tuy nhiên, nó là lĩnh vực hoạt động trầm lắng cho đến tận những năm cuối thập niên 1960 khi sự bùng nổ của việc sử dụng nhôm để làm vỏ của các loại đồ uống, kể từ đó việc tái chế nhôm được đưa vào trong tầm chú ý của cộng đồng. Các nguồn tái chế nhôm bao gồm ô tô cũ, cửa và cửa sổ nhôm cũ, các thiết bị gia đình cũ, contenơ và các sản phẩm khác.
Mỏ bauxit và công nghiệp nhôm
Nhôm tự nhiên trong quặng ở ba dạng khoáng vật:
• Boehmite, mono hydrat alumin Al2O3(H2O), ở các nước có khí hậu kiểu Địa Trung Hảinhư Pháp, Hy Lạp, Thổ Nhĩ Kỳ,…
• Gibbstite, tri hydrat alumin Al2O3(H2O)3, ở các nước nhiệt đới như Guinea, Nam Mỹ, Ấn Độ, Australia,...
Đa số những mỏ bauxite ở gần mặt đất và được khai thác lộ thiên. Sau khi được hiệu chỉnh trong suốt thế kỷ thứ XIX, công nghệ chế biến nhôm từ bauxit thành nhôm bây giờ đã ổn định
Quy trình bayer chế biến alumin từ bauxit
Nhôm là một kim loại hoạt động và rất khó phân lập nó ra từ quặng, ôxít nhôm (Al2O3). Việc khử trực tiếp, ví dụ với cacbon, là không kinh tế vì ôxít nhôm có điểm nóng chảy cao (khoảng 2.000 °C). Vì thế, nó được tách ra bằng cách điện phân – ôxít nhôm được hòa tan trong cryôlit nóng chảy và sau đó bị khử bởi dòng điện thành nhôm kim loại. Theo công nghệ này, nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp chỉ còn khoảng 950-980 °C. Cryôlit nguyên thủy được tìm thấy như một khoáng chất ở Greenland, nhưng sau đó được thay thế bằng cryôlit tổng hợp. Cryôlit là hỗn hợp của các florua nhôm, natri và canxi (Na3AlF6). Ôxít nhôm trong dạng bột màu trắng thu được từ quặng bôxít tinh chế, quặng này có màu đỏ vì chứa khoảng 30-40% ôxít sắt. Nó được tinh chế theo công nghệ Bayer.
Quy trình diễn biến như sau:
Hoà tan hydrat alumin của bauxit trong một dung dịch hydroxyd natri NaOH ở nhiệt độ 200/2500C để tạo ra aluminat natri NaAlO2.
Lọc những dung dịch để loại bùn đỏ chứa những chất bẩn, chủ yếu gồm bởi những oxyd chứa trong quặng bauxit.
Chờ cho dung dịch nguội để cho aluminat natri trở lại dạng hydrat alumin và kết tủa.
Lọc một lần nữa để hoàn nguyên hydroxyd natri.
Nung hydrat alumin để có alumin Al2O3.
Trước khi có công nghệ này, công nghệ được sử dụng là công nghệ Deville
Công nghệ điện phân thay thế cho công nghệ Wöhler, là công nghệ khử clorua nhôm khan với kali.
Các điện cực trong điện phân ôxít nhôm làm từ cacbon. Khi quặng bị nóng chảy, các ion của nó chuyển động tự do. Phản ứng tại catốt mang điện âm là:
Al3+ + 3e- → Al
Ở đây các ion nhôm bị biến đổi (nhận thêm điện tử). Nhôm kim loại sau đó chìm xuống và được đưa ra khỏi lò điện phân.
Tại cực dương (anốt) ôxy dạng khí được tạo thành: 2O2- → O2 + 4e-
Cực dương cacbon bị ôxi hóa bởi ôxy. Cực dương bị hao mòn dần và phải được thay thế thường xuyên, do nó bị tiêu hao do phản ứng:
O2 + C → CO2
Ngược lại với anốt, các catốt gần như không bị tiêu hao trong quá trình điện phân do không có ôxy ở gần nó. Catốt cacbon được bảo vệ bởi nhôm lỏng trong lò. Các catốt bị ăn mòn chủ yếu là do các phản ứng điện hóa. Sau 5-10 năm, phụ thuộc vào dòng điện sử dụng trong quá trình điện phân, các lò điện phân cần phải sửa chữa toàn bộ do các catốt đã bị ăn mòn hoàn toàn.
Người ta khử oxy của alumin bằng phương pháp điện phân Heroult Hall (tên hai người sáng chế ra phương pháp này). Alumin chảy lỏng ở nhiệt độ 2.200 C. Để giảm nhiệt độ chảy lỏng xuống còn 950/1.000 C người ta trộn alumin với cryolith Na3AlF6 và một phần fluorid nhôm AlF3. Dưới điện thế 4 volt và 350.000 ampere, alumin được khử oxy và nhôm chảy lỏng được hút ra ngoài thùng điện phân và đúc thành thỏi thương phẩm
Điện phân nhôm bằng công nghệ Hall-Héroult tiêu hao nhiều điện năng, nhưng các công nghệ khác luôn luôn có khuyết điểm về mặt kinh tế hay môi trường hơn công nghệ này. Tiêu chuẩn tiêu hao năng lượng phổ biến là khoảng 14,5-15,5 kWh/kg nhôm được sản xuất. Các lò hiện đại có mức tiêu thụ điện năng khoảng 12,8 kWh/kg. Dòng điện để thực hiện công việc điện phân này đối với các công nghệ cũ là 100.000-200.000 A. Các lò hiện nay làm việc với cường độ dòng điện khoảng 350.000 A. Các lò thử nghiệm làm việc với dòng điện khoảng 500.000 A.
Năng lượng điện chiếm khoảng 20-40% trong giá thành của sản xuất nhôm, phụ thuộc vào nơi đặt lò nhôm. Các lò luyện nhôm có xu hướng được đặt ở những khu vực mà nguồn cung cấp điện dồi dào với giá điện rẻ, như Nam Phi, đảo miền nam New Zealand, Úc, Trung Quốc, Trung Đông, Nga và Québec ở Canada.