Алюминий высокой чистоты

Алюминий высокой чистоты (АВЧ) — первичный алюминий с содержанием основного элемента от 99,95 до 99,995 %. Выпускается по ГОСТ 11069-2019 в марках А95, А97, А98, А99 и А995. Отличается от технического алюминия повышенной электропроводностью, коррозионной стойкостью и пластичностью за счёт минимального содержания примесей. Отдельно выделяют алюминий особой чистоты марки А999 (≥ 99,999 % Al), регламентировавшийся ранее ГОСТ 11069-74. Высокочистый алюминий применяется в электротехнике, электронике, оптике, химической промышленности и при производстве высокоответственных деформируемых сплавов.

Классификация и марки чистого алюминия по ГОСТ 11069

Действующий межгосударственный стандарт ГОСТ 11069-2019 (введён 01.06.2020, заменил ГОСТ 11069-2001) устанавливает марки первичного алюминия двух категорий: высокой чистоты и технической чистоты. Стандарт распространяется на алюминий, выпускаемый в жидком виде, в виде чушек, слитков, катанки, ленты и других форм.

Марки алюминия высокой чистоты

К рафинированному алюминию высокой чистоты по ГОСТ 11069-2019 относят пять марок: А995, А99, А98, А97 и А95. Цифровое обозначение отражает минимальное содержание алюминия: А995 — не менее 99,995 %, А99 — не менее 99,99 %, А95 — не менее 99,95 %. Содержание Al определяют расчётным способом — вычитанием суммы массовых долей определяемых примесей (каждая ≥ 0,0010 %) из 100,00 %. Массовая доля магния в алюминии высокой чистоты не учитывается в сумме примесей при определении марки.

Рафинированный алюминий — марки с индексом «Р»

Для рафинированного алюминия высокой чистоты с пониженным содержанием магния (не более 0,001 %) к обозначению марки добавляется буква «Р» — например, А995Р, А99Р, А99КВ, А99КН. Такой металл предназначен для производства деформируемых сплавов системы алюминий–магний, где натрий и магний из шихты нежелательны. По согласованию с потребителем в документе о качестве дополнительно указывают фактическое содержание натрия и лития — для марок с индексом «Р» содержание натрия нормируется не более 0,001 %.

Алюминий особой чистоты А999

Марка алюминия А999 (содержание Al не менее 99,999 %, суммарное содержание примесей не более 0,001 %) была регламентирована ГОСТ 11069-74. Этот алюминий контролировали не по химическому составу отдельных примесей, а по величине остаточного удельного электрического сопротивления при температуре жидкого гелия (r₀ ≤ 4×10⁻¹⁰ Ом·см). При криогенных температурах электросопротивление чистых металлов определяется исключительно содержанием примесей и дефектов кристаллической решётки, поэтому данный показатель служит надёжной интегральной характеристикой чистоты.

В действующем ГОСТ 11069-2019 марка А999 формально отсутствует — стандарт охватывает только алюминий высокой и технической чистоты. Тем не менее обозначение А999 продолжает применяться на практике и в сертификатах качества.

Химический состав марок А999, А995, А99, А98, А97, А95

Ниже приведён химический состав всех марок высокочистого алюминия. Для марок А995–А95 данные соответствуют таблице 1 ГОСТ 11069-2019; для марки А999 — ГОСТ 11069-74. Порядок столбцов соответствует стандарту: Fe, Si, Cu, Zn, Ti, Mn, Ga.

Марка	Fe	Si	Cu	Zn	Ti	Mn	Ga	Прочие, каждая	Al, %, не менее
А999*	Сумма всех примесей ≤ 0,001 %								99,999
А995	0,0015	0,0015	0,001	0,001	0,001	0,001	0,003	0,001	99,995
А99	0,003	0,003	0,002	0,002	0,001	0,003	0,003	0,001	99,99
А98	0,006	0,006	0,002	0,002	0,002	0,003	0,003	0,001	99,98
А97	0,015	0,015	0,005	0,002	0,005	0,003	0,003	0,002	99,97
А95	0,020	0,025	0,010	0,002	0,005	0,005	0,003	0,005	99,95

* Для марки А999 содержание отдельных примесей ГОСТом не нормировалось — контроль чистоты осуществлялся по остаточному электросопротивлению при температуре жидкого гелия.

Все значения в таблице — «не более, %». Массовая доля магния во всех марках высокой чистоты — не более 0,005 % (не учитывается при определении марки). В марках с индексом «Р» содержание Mg ≤ 0,001 %. Fe, Si и Cu контролируются в каждой плавке; остальные примеси — периодически, но не реже чем в каждой 100-й плавке или не менее чем в одном анализе на 2000 т алюминия.

Электролитическое рафинирование — метод получения АВЧ

Алюминий высокой чистоты получают методом трёхслойного электролитического рафинирования первичного (технического) алюминия. Метод основан на электрохимическом растворении алюминия из загрязнённого анодного сплава и осаждении чистого металла на катоде. Процесс протекает в расплавленных солях при температуре 780–810 °C.

Принцип трёхслойного электролиза

В рафинировочном электролизёре формируются три жидких слоя, разделённых по плотности. Нижний, наиболее тяжёлый слой — анодный сплав алюминия с 30–40 % меди (плотность 3,0–3,5 г/см³) — располагается на углеродной подине, которая служит токоподводом. Утяжеление анодного расплава медью необходимо для предотвращения его всплывания. Средний слой — расплавленный фторидно-хлоридный электролит (плотность ~2,7 г/см³) — разделяет анодный и катодный металл. Верхний слой — расплавленный рафинированный алюминий (плотность ~2,3 г/см³ в расплаве) — является катодом; токоподвод к нему осуществляется через графитовый электрод.

Механизм разделения примесей при рафинировании

Разделение основано на различии электрохимических потенциалов элементов. При анодном растворении алюминий переходит из анодного сплава в электролит в виде ионов Al³⁺. Более электроположительные примеси (Fe, Si, Cu, Zn, Ti) не способны раствориться, пока в анодном сплаве остаётся достаточно алюминия, и накапливаются в анодном расплаве. На катоде ионы алюминия восстанавливаются до чистого металла. Более электроотрицательные примеси (Na, Ca, Ba, Mg) переходят из анода в электролит, но не разряжаются на катоде, так как потенциал их выделения выше, чем у алюминия. В результате на катоде осаждается алюминий чистотой 99,95–99,995 %.

Технологические параметры электролиза

Параметр	Значение
Температура электролита	780–810 °C
Рабочее напряжение на электролизёре	5,5–6,0 В
Плотность тока	0,45–0,75 А/см²
Выход по току	95–98 %
Расход электроэнергии	17 500–18 500 кВт·ч/т

Расход электроэнергии при рафинировании в несколько раз выше, чем при первичном электролизе алюминия, что определяет высокую себестоимость АВЧ и ограничивает масштаб производства. В качестве электролита применяют фторидно-хлоридный расплав (типичный состав: около 60 % BaCl₂, около 23 % AlF₃, 12–17 % NaF, до 4 % NaCl). Температура плавления такого электролита 720–730 °C. Хлорид бария выполняет функцию утяжелителя электролита, а фториды обеспечивают растворимость оксида алюминия и необходимую электропроводность расплава.

Свойства высокочистого алюминия

Снижение содержания примесей существенно улучшает электро- и теплопроводность, пластичность, отражательную способность и коррозионную стойкость алюминия, но снижает прочностные характеристики.

Свойство	Значение
Плотность при 20 °C	2699 кг/м³
Температура плавления	660,3 °C
Температура кипения	2519 °C
Удельная теплоёмкость при 20 °C	897 Дж/(кг·К)
Теплопроводность при 25 °C	235–237 Вт/(м·К)
Удельное электросопротивление при 20 °C (99,99 % Al)	2,65×10⁻⁸ Ом·м (0,0265 Ом·мм²/м)
Электропроводность (99,99 % Al) в % от меди (IACS)	≈ 64 %
Электропроводность (99,999 % Al) в % от меди (IACS)	≈ 66 %
КЛТР (20–100 °C)	23,1×10⁻⁶ К⁻¹
Отражательная способность полированной поверхности (видимый диапазон, 400–700 нм)	> 90 %
Отражательная способность (ИК-диапазон, 3–10 мкм)	95–98 %
Температура перехода в сверхпроводящее состояние	1,2 К

Электропроводность чистого алюминия

Алюминий занимает четвёртое место среди металлов по электропроводности — после серебра, меди и золота. Удельная электропроводность алюминия 99,99 % (марка А99) при 20 °C составляет около 37,9 МСм/м, что соответствует примерно 64 % от электропроводности эталонной отожжённой меди (IACS). Для алюминия 99,999 % (марка А999) этот показатель возрастает до ~66 % IACS.

Решающее влияние на электропроводность оказывают примеси, находящиеся в твёрдом растворе. Наиболее сильно снижают проводимость хром, ванадий, марганец и титан. Железо и кремний в малых концентрациях влияют значительно слабее. Для электротехнических применений критически важен не только общий уровень чистоты, но и конкретный состав примесей. По ГОСТ 11069-2019 для электротехнических марок А7Е и А5Е нормируется электросопротивление отожжённой проволоки: не более 0,0277 Ом·мм²/м для А7Е и 0,0280 Ом·мм²/м для А5Е. У марок высокой чистоты удельное сопротивление ещё ниже.

Теплопроводность высокочистого алюминия

При комнатной температуре теплопроводность чистого алюминия составляет 235–237 Вт/(м·К). Разница между марками А99 и А999 при комнатной температуре невелика. Однако при криогенных температурах ситуация принципиально меняется: теплопроводность высокочистого алюминия возрастает на несколько порядков и может превышать теплопроводность меди. Это свойство используется в криостатах, тепловых экранах и элементах криогенных детекторов.

Отражательная способность

Чистый полированный алюминий отражает более 90 % видимого света в диапазоне 400–700 нм. В инфракрасной области отражательная способность возрастает до 95–98 %. В ультрафиолетовом диапазоне алюминий превосходит серебро, что делает его предпочтительным материалом для УФ-зеркал. С повышением чистоты отражательная способность растёт, поэтому для оптических покрытий методом вакуумного напыления применяют металл чистотой 99,999 % и выше.

Коррозионная стойкость

На воздухе алюминий покрывается тонкой, но плотной оксидной плёнкой Al₂O₃, которая защищает металл от дальнейшего окисления. С повышением чистоты защитные свойства плёнки улучшаются: она становится более однородной, без включений интерметаллидов, нарушающих её целостность. Высокочистый алюминий устойчив к воздействию атмосферы, пресной и морской воды, ряда органических кислот. Присутствие даже небольших количеств меди (более 0,02 %) резко снижает коррозионную стойкость за счёт образования гальванических микропар.

Механические свойства

С уменьшением содержания примесей прочность и твёрдость алюминия снижаются, а пластичность возрастает. Твёрдость марки А995 по Бринеллю составляет 13–15 HB. Временное сопротивление разрыву (σ_в) в отожжённом состоянии — 45–60 МПа. Относительное удлинение при разрыве (δ₅) достигает 40–50 %. Это ограничивает применение высокочистого алюминия как конструкционного материала, но делает его удобным для операций глубокой вытяжки, холодной прокатки в тонкую фольгу и волочения проволоки.

Области применения алюминия высокой чистоты

Отрасль	Назначение
Электротехника	Токоведущие элементы, обмотки, электрические шины, кабельная продукция
Электроника и микроэлектроника	Конденсаторная фольга, электроды электролитических конденсаторов, проводящие дорожки и контактные площадки микросхем, мишени для магнетронного распыления
Оптика и светотехника	Зеркала, отражатели светильников, солнечные концентраторы, УФ-зеркала, вакуумное напыление оптических покрытий
Криогенная техника	Тепловые экраны криостатов, элементы криогенных детекторов, сверхпроводящие компоненты (Tc = 1,2 К)
Химическая промышленность	Аппаратура для работы с агрессивными средами, ёмкости для хранения химических реактивов
Металлургия сплавов	Шихтовой материал для производства высокоответственных деформируемых сплавов системы Al–Mg
Пищевая промышленность	Упаковочная фольга, ёмкости для пищевых продуктов

Соответствие зарубежным стандартам

Приложение Б к ГОСТ 11069-2019 содержит таблицу соответствия российских марок обозначениям по DIN EN 573-3 и регистрациям Американской алюминиевой ассоциации (AA). Ниже приведены ориентировочные соответствия для марок высокой чистоты. Обозначение EN AB относится к литейной форме поставки по европейской классификации (EN AB-10990 и др.).

Марка ГОСТ 11069	Символьное обозначение EN	Числовое обозначение AA
А995	Al 99,995	—
А99	Al 99,99	1199
А95	Al 99,95	1095

При сопоставлении марок следует учитывать, что допуски по отдельным примесям могут различаться, поэтому полная эквивалентность требует сверки конкретных элементов.

Формы поставки алюминия высокой чистоты

Согласно ГОСТ 11069-2019 первичный алюминий выпускается в жидком виде, в виде чушек, слитков, катанки, ленты и в других формах по согласованию с потребителем.

Чушки алюминиевые

Чушка алюминиевая — наиболее распространённая форма поставки для переплавки. По ГОСТ 11070 чушки подразделяют по форме поперечного сечения (трапециевидные и Т-образные) и по массе (малогабаритные — до 30 кг, и крупногабаритные). Типичная масса малогабаритной чушки — около 15 кг. Каждая чушка маркируется несмываемой краской: для марки А995 — четыре зелёные вертикальные полосы, для А99 — четыре чёрные, для А98 — четыре жёлтые, для А97 — три жёлтые, для А95 — три зелёные.

Слитки плоские и цилиндрические

Плоские слитки (ГОСТ 9498) предназначены для дальнейшей прокатки на листы и ленты. Цилиндрические слитки (ГОСТ 19437) — для прессования профилей, труб и прутков. Крупногабаритные Т-образные слитки массой до 600 кг используются в качестве шихтового материала на плавильных предприятиях.

Катанка, лента, фольга, проволока

Из алюминия высокой чистоты выпускают катанку для дальнейшего волочения в проволоку, холоднокатаную ленту для электротехнических нужд и конденсаторную фольгу. Эти полуфабрикаты востребованы в производстве кабельно-проводниковой продукции и электролитических конденсаторов. Алюминий особой чистоты А999 поставляется преимущественно в виде слитков и заготовок специальных форм — пластин, прутков, проволоки — для электроники, оптики и научных исследований.

Маркировка и документ о качестве

Маркировка чушек и слитков наносится несмываемой краской цветными полосами в соответствии с ГОСТ 11069-2019. Каждая партия сопровождается документом о качестве, в котором указываются: марка алюминия, номера плавок, результаты определения химического состава (Fe, Si, Cu — для каждой плавки; остальные определяемые примеси — периодически), масса партии, обозначение стандарта. По согласованию с потребителем в документе о качестве дополнительно указывают фактическое содержание натрия и лития.

Хранение и транспортирование

Благодаря естественной оксидной плёнке Al₂O₃ высокочистый алюминий не требует специальной антикоррозионной защиты при хранении в закрытых складских помещениях. Следует исключить контакт с влагой, щелочами и хлорсодержащими средами, способными разрушить защитную плёнку. Малогабаритные чушки транспортируют пакетированными (параллельная или перекрёстная укладка), крупногабаритные — без упаковки. Алюминий в виде чушек относится к малотоксичным, пожаро- и взрывобезопасным веществам.