Закрыть

Соединение алюминия: Химические соединения алюминия

Содержание

Химические соединения алюминия

Ниже представлен краткий обзор важнейших химических соединений алюминия, которые находятся в природных условиях, а также их промышленного применения.

Что такое химическое соединение?

Химическое соединение алюминия – это вещество, которое образовано из двух или более химических элементов, одним из которых является алюминий. Эти элементы связаны между собой химически, то есть путем ковалентных, ионных или металлических связей. Химическое соединение имеет фиксированный химический состав и постоянную химическую формулу.

Алюминиевые сплавы обычно не являются химическими соединениями. Они являются гомогенными или гетерогенными смесями входящих в них химических элементов или соединений. Поэтому они не имеют фиксированного химического состава и не имеют химической формулы.

Классификация соединений алюминия

Современная классификация соединений алюминия из Энциклопедии Алюминия [4] представлена ниже.

Классификация соединений алюминия [4]

Алюминий в природе

Алюминий является самым распространенным (более 8 % по массе) природным металлическим элементом, а также третьим природным элементом среди всех химических элементов (после кислорода и кремния).

Однако из-за высокой химической активности алюминия он почти всегда находится в соединениях с другими элементами и очень редко встречается в природе в виде чистого металла.

Таблица – Доля химических элементов в земной коре

Металлический алюминий

Чистый алюминий – это серебристо-белый, ковкий, пластичный металл с атомным номером 13 и относительной атомной массой 26,98. За небольшими исключениями он находится в химических соединениях в виде Al+3.

Этот металл обладает амфотерными свойствами. Он реагирует с минеральными кислотами и сильными щелочами. Хотя алюминий является одним из самых химически активных промышленных металлов, он имеет очень высокое сопротивление коррозии. При контакте свежей алюминиевой поверхности с кислородом, водой или другими окислителями на ней мгновенно вырастает плотная оксидная пленка (Al

2O3), которая обеспечивает металлу высокую стойкость к коррозии. Эта оксидная пленка растворяется в щелочных растворах с выделением водорода и образованием растворимых щелочноземельных алюминатов [1].

Эта оксидная пленка является стойкой к некоторым кислотам (например, азотной кислоте) и предотвращает дальнейшее химическое воздействие на металл. Однако она растворяется в некоторых кислотах (например, в соляной кислоте или горячей серной кислоте), а также в щелочных растворах, что делает возможным дальнейшие химические реакции на поверхности алюминия.

При повышенных температурах алюминий реагирует:

  • с водой (выше 180 ºС) с образованием гидроксида Al(OH)3 и водорода H2;
  • со многими оксидами металлов с образованием оксида Al
    2
    O3 и металла, восстановленного из его оксида.

Последняя реакция применяется при производстве некоторых металлов (алюмотермия), например, марганца и некоторых сплавов, например, ферротитана.

Природные соединения

Минералы

Природные минералы являются химическими соединениями. Алюминий присутствует во многих минералах – более 270 видов – в комбинациях с кислородом, кремнием, щелочными и щелочноземельными металлами и фтором, а также в виде гидроксидов, сульфатов и фосфатов. Например, полевые шпаты – наиболее распространенные минералы земной коры (около 50 %) – являются алюминосиликатами [1]. Ниже представлены важнейшие минералы алюминия из фундаментальной энциклопедии про алюминий [4]

Важнейшие минералы алюминия [4]

Металлический алюминий в природе

Природный металлический алюминий иногда находят как минорную фазу в условиях недостатка кислорода, например, внутри некоторых вулканов. Он также встречается в таких минералах, как берилл, криолит, гранат, шпинель и бирюза [1].

Драгоценные камни

Примеси в кристаллах оксида Al2O3, такие как хром или кобальт дают драгоценные камни рубин и сапфир, соответственно. Чистый оксид Al2O3 известен как корунд – один из самых твердых материалов.


Рубин

Бокситы

Хотя алюминий и является очень распространенным природным элементом, большинство алюминиевых минералов не могут быть экономически выгодными источниками этого металла. Почти весь металлический первичный алюминий производится из руды, которая называется бокситом (или бокситами) с обобщенной химической формулой (AlOx(OH)3-2x) [1].

Бокситы происходят в природе как продукты выветривания коренных пород с низким содержанием железа и кремния в тропических климатических условиях. Природные бокситы содержат различные гидратированные формы оксида алюминия, которые имеют различные кристаллические системы, а также различаются по степени гидратации (количеству молекул воды на одну молекулу Al

2O3).

Производство глинозема

Около 90 % алюминиевых руд – бокситов – идет на производство первичного алюминия, остальные 10 % – на другие промышленные применения.

Промышленное производство первичного алюминия имеет две основных стадии:

  • производство из исходной бокситной руды чистого оксида алюминия – глинозема;
  • электрохимическое восстановление этого оксида до металлического алюминия в ванне расплавленного криолита.

Бокситы

Боксит не является минералом и химическим соединением. Это наименование – боксит (или, чаще, бокситы) – применяется для обозначения различных типов алюминиевых руд, которые содержат соединения алюминия, в основном – различные виды гидроксидов.

Промышленные бокситы содержит три основных типа гидроксидных минералов:

  • гибсит: Al2O3·3H2O
  • богемит – Al2O3·H2O
  • диаспор – Al2O3·H2O.

Эти типы гидроксидов значительно различаются по таким физическим свойствам, как:

  • содержание воды,
  • кристаллическая система
  • твердость,
  • плотность,
  • температура дегидратации
  • растворимость в технологических растворах.

Обычно природные залежи бокситов состоят из одного из этих типов гидроксидов, хотя в некоторых случаях одна и та же алюминиевая руда может содержать смешанные гидроксиды.

Бокситы различаются по цвету от кремового до темно коричневого при высоком содержании железа.

Типичный боксит

В состав типичного боксита для промышленного производства алюминия входят следующие соединения:

  • оксид алюминия – Al2O3: 40-60 %
  • оксид кремния – SiO2: 1-6 %
  • оксид железа – Fe2O3: 2-25 %
  • оксид титана – TiO2: 1-5 %
  • оксиды кальция и магния – CaO + MgO: 0,2-0,6 %
  • оксиды других элементов: от 0,01 до 0,4 % (каждого).

Глинозем

Почти весь глинозем получают из бокситов, которые содержат около 50 % оксида Al2O3 в виде гидроксидов. Эту алюминиевую руду обрабатывают в растворе каустической соды под давлением, чтобы растворить оксид алюминия в виде алюмината, и отделить его от красного осадка, содержащего оксиды железа и другие основные примеси. Затем из этого раствора алюмината осаждают кристаллы гидроксида алюминия.

При температуре ниже 700 ºС в технологической массе содержатся следующие различные типы соединений алюминия – его гидроксидов:

  • гиббсит
  • байерит
  • нордстрандид
  • диаспор
  • богемит.

Завершающей технологической операцией производства глинозема является обжиг полученной на предыдущих этапах смеси гидроксидов. Обжиг (кальцинация) производится при температуре 1200 ºС с получением на выходе чистого глинозема с содержанием оксида Al2O3 более 99 %.

Глинозем

Для промышленного производства 1 тонны алюминия требуется около 2 тонн глинозема.

Соединениями алюминия, которые являются наиболее важными для неметаллургических отраслей промышленности – являются его:

  • оксид;
  • сульфат и
  • силикат.

Оксид алюминия

Кислородное соединение алюминия

Оксид алюминия – это одно из его кислородных соединений. Чистый оксид – это белый порошок в виде частиц различной формы и размеров.

Из-за своих амфотерных свойств этот оксид растворяется в минеральных кислотах и сильных щелочах. Он может иметь различные модификации. Наиболее стабильным является его альфа-модификация «корунд» (альфа-Al2O3).

Типы оксидов

При дегидратации гидроксидов образуется серия типов оксида Al2O3, которые еще содержат небольшую долю гидроксильных групп и сохраняют некоторую химическую активность. Все оксиды, которые получены при пониженных температурах называют переходными модификациями. При температуре 1400 ºС все переходные модификации превращаются в альфа-модификацию [1].

Анодный оксид

Анодный оксид получают путем электрохимического оксидирования алюминия. Это соединение представляет собой наноструктурированный материал с уникальной структурой. Анодный алюминиевый оксид состоит из цилиндрических пор, которые обеспечивают ему широкое применение в технике. Он является термически и механически устойчивым, оптически прозрачным и обладает высокими электроизоляционными свойствами.

Размер пор и толщина анодного оксидного слоя легко регулируется параметрами технологии, что дает возможность его применения не только как защитного декоративного покрытия для алюминиевых изделий, но и как основу для нанотехнологий.

 

Структура анодного оксидного покрытия

Гидроксиды

Известны различные формы гидроксидов алюминия. Наиболее изученными формами являются тригидроксид Al(OH)3 и оксид-гидроксид AlO(OH). Кроме этих кристаллических форм известны еще несколько других типов [1].

Гидроксид Al(OH)3 применяется в больших объемах для очистки сточных вод, а также для производства других соединений алюминия, в том числе его солей.

Сульфат алюминия

Структура и состав

Сульфат алюминия может существовать с различными пропорциями воды. Обычной формой этого соединения является Al

2(SO4)3·18H2O. Он почти нерастворим в обезвоженном спирте, но хорошо растворяется в воде. При температуре выше 770 ºС разлагается до оксида алюминия.

Применение

Находит применение в следующих отраслях промышленности и областях жизни [1, 2]:

  • системы очистки воды и обработки сточных вод;
  • производство бумаги;
  • противопожарная защитная одежда;
  • очистка масел и жиров;
  • гидроизоляция бетона;
  • производство антиперспирантов;
  • выделка кож;
  • производство красок;
  • в сельскохозяйственных пестицидах;
  • производство химикатов;
  • средство для повышения кислотности почв;
  • производство косметики и мыла;
  • в медицинских препаратах.

Квасцы

Сульфат алюминия входит в комбинацию с сульфатами одновалентных металлов с образованием двойных солей, которые называются квасцами. Наиболее важным из этих солей является алюминиевый сульфат калия. Это химическое соединение также известно как калиевые квасцы. Эти квасцы имеют широкое применение с глубокой древности в производстве кожи, лекарств, тканей и красок.

Глины

Глины состоят в основном из алюмосиликатов.

Хлорид

При взаимодействии газообразного хлора с расплавленным алюминием образуется хлорид алюминия. Это соединение наиболее часто применяется как катализатор в реакциях синтеза различных органических соединений. Гидратированный хлорид AlCl3∙H2O, применяется как антипреспирант или дезодорант. Это соединение является одной из нескольких алюминиевых солей, которые применяются к косметической промышленности.

Гексагидратная форма хлорида алюминия применяется:

  • для защитной обработки древесины,
  • как дезинфицирующее средство в животноводстве и при производстве мяса;
  • очистке сырой нефти
  • производство бумаги

Гидрид алюминия

С водородом алюминий образует гидрид AlH3, который широко применяется в органической химии, в том числе, в виде литиевого гидрида алюминия (LiAlH4). Это соединение получают при взаимодействии хлорида алюминия с хлоридом лития.

Интерметаллические соединения

Интерметаллид (интерметаллическое соединение) — это химическое соединение двух или более металлов. Интерметаллиды, как это и должно быть у химических соединений, имеют фиксированное соотношение между своими компонентами. Обычно в интерметаллических соединениях связь между атомами – металлическая.

Интерметаллические соединения имеет большое значение для микроструктуры и свойств алюминиевых сплавов. Например, железо и кремний являются примесями, которые всегда присутствуют в алюминии. Поскольку растворимость железа в твердом алюминии очень мала, то фазы Al-Fe или Al-Fe-Si можно найти в микроструктуре даже сверхчистого алюминия. Этими фазами могут быть интерметаллические соединения FeAl3, Fe3SiAl12, Al2Si2Al9 или FeAl6.   

В алюминиевых сплавах насчитывается несколько десятков фаз, которые являются интерметаллическими соединениями. В сложных сплавах типа 2014 (система Al-Cu-Mg-Mn-Fe-Si) эти соединения имеют вид типа (Mn,Fe)3SiAl12 [3].

Таблица – Интерметаллические соединения алюминия [2]

Источники:

1.  http://www.inchem.org/documents/ehc/ehc/ehc194.htm

2. Handbook of Aluminum: Vol. 1: Physical Metallurgy and Processes / ed. G. E. Totten, D. S. MacKenzie – 2003.

3. Aluminium and Aluminium Alloys /ed. J.R. Davis – ASM International, 1993.

4. Тринадцатый элемент: Энциклопедия /А. Дроздов – Библиотека РУСАЛа, 2007

Гальваническая коррозия алюминия

Следует подчеркнуть, что стойкость алюминия и алюминиевых сплавов к нормальным условиях окружающей среды является очень высокой. Главным источником защиты от коррозии является прочная, самовосстанавливающаяся оксидная пленка, которая всегда присутствует на алюминии в условиях окружающей воздушной атмосферы (рисунок 1).

Рисунок 1 – Естественная защита алюминия от коррозии – поверхностная оксидная пленка [4]

Основные типы коррозии алюминия

Для коррозии алюминия характерны следующие основные типы [4]:

  • Общая коррозия
  • Щелевая коррозия
  • Фреттиниг-коррозия
  • Коррозия под напряжением
  • Гальваническая коррозия
  • Точечная (питтинговая) коррозия
  • Межзеренная коррозия
  • Подповерхностная коррозия

Рисунок 2 – Общая коррозия алюминия: растворение естественной оксидной пленки
растворами сильных щелочей и некоторых кислот [4]


Рисунок 3 – Щелевая коррозия алюминия [4]


Рисунок 4 –  Фреттинг-коррозия алюминия: взаимное трение двух алюминиевых компонентов
в условиях шероховатого контакта [4]


Рисунок 5 – Коррозия алюминиевых сплавов под напряжением: при некоторых условиях
в сплавах Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn-Mg [4]


Рисунок 6 – Гальваническая коррозия алюминиевого сплава
происходит в условиях его мокрого или влажного контакта
с другим, более “благородным” металлом, таким как медь [4]


Рисунок 7 – Питтинговая (точечная) коррозия алюминия
под воздействием хлоридных ионов [4]


Рисунок 8 – Межзеренная коррозия и подповерхностная коррозия [4]

В зависимости от условий окружающей среды, нагружения и функционального назначения детали любой из видов коррозии может явиться причиной преждевременного разрушения. Кроме того, неправильное применение алюминиевых деталей и изделий может усугублять коррозионные процессы.

Гальваническая коррозия алюминия

Наиболее частые ошибки проектирования алюминиевых конструкций связаны с гальванической коррозией. Гальваническая или электрохимическая коррозия происходит, когда два разнородных металла образуют электрическую цепь, замыкаемую жидким или пленочным электролитом или коррозионной средой. В этих условиях разность потенциалов между разнородными металлами создает электрический ток, проходящий через электролит, который (ток) и приводит к коррозии в первую очередь анода или менее благородного металла из этой пары.

Сущность гальванической коррозии

Когда два различных металла находятся в прямом контакте с электропроводящей жидкостью, то опыт показывает, что один из них может корродировать, то есть подвергаться коррозии. Это называют гальванической коррозией.

Другой металл не будет корродировать, наоборот, он будет защищен от этого вида коррозии.

Этот вид коррозии отличается от тех видов коррозии, которые могли бы возникнуть, если бы оба эти металлы были помещены раздельно в ту же самую жидкость. Гальваническая коррозия может случиться с любым металлом, как только два различных металла будут находиться в контакте в электропроводящей жидкости.

Внешний вид гальванической коррозии

Внешний вид гальванической коррозии является очень характерным. Эта коррозия не раскидывается по всей поверхности изделия, как это бывает с точечной – питтинговой – коррозий. Гальваническая коррозия плотно локализована в зоне контакта алюминия с другим металлом. Коррозионное воздействие на алюминий имеет равномерный характер, он развивается в глубь в виде кратеров, которые имеют более или менее округлую форму [3[.

Все алюминиевые сплавы подвергаются идентичной гальванической коррозии [3].

Принцип батареи

Гальваническая коррозия работает как батарея, которая состоит из двух электродов:

  • катода, где происходит реакция восстановления
  • анода, где происходит реакция окисления.

Эти два электрода погружены в проводящую жидкость, которая называется электролитом. Электролит – это обычно разбавленный кислотный раствор, например, серной кислоты, или соляной раствор, например, сульфат меди. Эти два электрода соединены снаружи электрической цепью, которая обеспечивает циркуляцию электронов. Внутри жидкости передача электрического тока происходит путем перемещения ионов. Жидкость, таким образом, обеспечивает ионное электрическое соединение (рисунок 9).

Рисунок 9 – Принцип гальванической ячейки [3]

Рисунок 1 показывает ячейку, в которой электролитом является раствор серной кислоты. Серная кислота полностью диссоциирована в воде (поскольку является сильной кислотой) путем образования ионов Н+, которые определяют кислотность среды. Происходит следующая электрохимическая реакция [3]:

  • цинковый анод окисляется:

Zn → Zn2+ + 2e

 на медном катоде восстанавливаются протоны Н+:

 

2Н+ + 2e → Н2

Полная реакция имеет вид:

Zn + H2O → Zn(OH)2 + H2

Эта ячейка производит электричество за счет потребления цинка, который выделяется в виде гидроксида цинка Zn(OH)2.

Для работы ячейки необходимо одновременное выполнение трех условий:

  • два различных металла, которые образуют два электрода;
  • присутствие электролита;
  • непрерывность всей электрической цепочки.

Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, например, если нарушается электрический контакт, то ячейка не будет производить электричество, и окисления на аноде не будет происходить (также как и восстановления на катоде).

Условия для гальванической коррозии

Гальваническая коррозия основана на том же самом принципе и для того, чтобы она происходила необходимо одновременное выполнение следующих трех условий [3]:

  • различные типы металлов;
  • присутствие электролита;
  • электрический контакт между двумя металлами.

Различные типы металлов

Для любых металлов, которые относятся к различным их типам, гальваническая коррозия является возможной. Металл с электроотрицательным потенциалом (или более электроотрицательный металл, если они оба электроотрицательные) действует как анод.

Тенденцию различных металлов образовывать гальванические пары и направленность электрохимического действия в различных коррозионных средах (морской воде, тропическом климате, промышленной атмосфере и т.д.) показывают в так называемых гальванических рядах. Чем далее удалены друг от друга металлы в этих рядах, тем более серьезной может быть электрохимическая коррозия. В разных коррозионных средах эти последовательности металлов могут быть разными (рисунок 10).

Присутствие электролита

Область контакта должна быть смочена водным раствором, чтобы обеспечивать ионную электропроводимость. В противном случае отсутствует возможность для гальванической коррозии.

Электрический контакт между металлами

Электрический контакт между металлами может происходить или путем прямого контакта между двумя металлами, или через крепежное соединение, например, болт.

Рисунок 10 [1]

Как видно из графиков рисунка 10 алюминий и его сплавы становятся анодами в гальванических ячейках с большинством металлов, и алюминий корродирует, как говорят, жертвенно и защищает от коррозии другой металл гальванической пары.

Только магний и цинк, включая и оцинкованную сталь, являются более анодными и поэтому, сами подвергаясь коррозии, защищают от нее алюминий.

Алюминий и кадмий вообще имеют почти одинаковые электродные потенциалы и поэтому ни алюминий, ни кадмий не подвергаются гальванической коррозии. К сожалению, кадмий признан весьма токсичным и все реже применяется, а во многих странах просто запрещен, как антикоррозионная защита.

Гальванические пары

Относительное расположение двух металлов или сплавов в гальваническом ряду указывает только возможность гальванической коррозии, если различие их гальванических потенциалов является достаточно большим. Больше этот ряд ничего не говорит, и особенно ничего – о скорости или интенсивности гальванической коррозии. Она может быть нулевой или несущественной или даже незаметной. Ее интенсивность зависит от типов металлов, которые входят в контакт – гальванической пары.

Пара: алюминий – нелегированная сталь

В строительных конструкциях алюминиевые детали, которые открыты для воздействия климатических и погодных воздействий, могут соединяться винтами из обычной стали. Опыт показывает, что алюминий в контакте со стальными винтами подвергается только очень поверхностной коррозии. Возникающая ржавчина, которая не оказывает никакого влияния на алюминий, полностью пропитывает слой оксида алюминия и образует на поверхности пятна. Фактически, для алюминиевой конструкции в контакте с незащищенной сталью важнее будет ее влияние на внешний вид и декоративные качества, а не способность сопротивляться коррозии.

Это явление имеет следующее объяснение:

  • на поверхностях контакта образуются пленки с продуктами коррозии – ржавчины на стали и оксида алюминия на алюминии, которые и замедляют электрохимические реакции.

Пара: алюминий – оцинкованная сталь

Судя по гальваническому ряду, цинк является более электроотрицательным, чем алюминий. Крепеж из оцинкованной стали может, поэтому, применяться для соединения и сборки конструкций из алюминиевых сплавов. Надо помнить, что когда цинковое покрытие станет слишком изношенным, чтобы защищать сталь и алюминий, наступает предыдущий сценарий контакта между алюминием и голой сталью [3] .

Пара: алюминий – нержавеющая сталь

Хотя и существует большая разность потенциалов между нержавеющей сталью и алюминиевыми сплавами – около 650 мВ, очень редко можно увидеть гальваническую коррозию на алюминии в контакте с нержавеющей сталью. Поэтому алюминиевые конструкции очень часто собираются с применением болтов и винтов из нержавеющей стали [3].

Пара: алюминий – медь

Контакт между алюминиевыми сплавами и медью, а также медными сплавами (бронза, латунь) приводит к совершенно незначительной гальванической коррозии алюминия под воздействием атмосферных условий. Тем не менее, рекомендуется обеспечивать электрическую изоляцию между этими двумя металлами, чтобы локализовать коррозию алюминия.

Необходимо отметить, что продуктом коррозии меди является, так называемая,  патина. Эта патина – голубовато-зеленый налет на меди, который состоит в основном из карбоната меди. Эта патина химически воздействует на алюминий и может восстанавливаться с образованием малых частиц меди. Эти медные частицы, в свою очередь, могут вызывать локальную питтинговую коррозию алюминия [3].

Ближе к контакту – больше коррозия

Ускоренная  гальваническая коррозия обычно наиболее интенсивна вблизи мест соединения двух металлов; с удалением от мест соединения ее интенсивность уменьшается. Существенное влияние на скорость коррозии оказывает величина отношения площади поверхности катода, контактирующей с электролитом, к площади незащищенной поверхности анода. Желательно иметь малое отношение площади катода к площади анода. 

Как избежать гальванической коррозии

  1. Выбирать в пару алюминию или его сплаву металл, который как можно более ближе к нему в гальваническом ряду для рассматриваемой коррозионной среды (см. рисунок 10).
  2. Применять «катодный» крепеж. Избегать комбинаций с неблагоприятным (большим) отношением площадей катода к аноду (рисунок 3).
  3. Обеспечивать полную электрическую изоляцию двух соединяемых металлов. Это может быть выполнено с помощью изолирующих прокладок, втулок, шайб и т. п. (рисунок 12).
  4. Если применяется окраска, всегда нужно красить катод. Если покрасить только анод, любая царапина на нем даст неблагоприятное отношение поверхностей катода к аноду и приведет к коррозии царапины.
  5. Увеличивать толщину анода или устанавливать в соединение заменяемые массивные прокладки из анодного металла.
  6. По возможности размещать гальванический контакт вне коррозионной среды.
  7. Избегать резьбовых соединений из металлов, образующих гальваническую пару. Заменять их паяными или сварными соединениями.
  8. Если возможно, применять ингибиторы коррозии, например, в системах с циркуляцией жидкости, которая может играть роль электролита  для гальванической коррозии.
  9. В случаях, когда металлы должны оставаться в электрическом контакте через наружную электрическую цепь, нужно разнести их как можно дальше друг от друга для увеличения сопротивления жидкой цепи (электролита).
  10. При необходимости и там, где это возможно, применять катодную защиту с цинковым или магниевым жертвенными анодами.
  11. В наиболее агрессивных средах только цинк, кадмий и магний могут быть в контакте с алюминием без возникновения гальванической коррозии. Заметим, что применение кадмиевых покрытий в значительной степени ограничено из-за их экологической небезопасности.                                                  

Рисунок 11 [1]

Рисунок 12 [1]

 

 Источники:

  1. TALAT 5104.
  2. Corrosion of Aluminum and Aluminum Alloys. Edited by J.R. Davis. – ASM International, 1999.
  3. Corrosion of Aluminium / Christian Vargel – ELSEVIER, 2004
  4. TALAT 1252

Как соединить алюминий с алюминием

Когда требуется соединить между собой 2 разных участка провода, то необходимо кроме качественного контакта, получить достаточную прочность участка, где эти провода соединяются между собой.

Если принимать во внимание нормативные документы, которые действуют на территории нашей страны, то соединять алюминиевые провода между собой допустимо с помощью различных способов:

  1. Сварка.
  2. Опрессовка.
  3. Спаивание.
  4. Соединение при помощи клемм.

Несмотря на то, что все эти способы соединения, указанные в нормативных документах, представлены в качестве универсальных, далеко не каждый из них окажется подходящим при работе с алюминиевыми проводами.

Прежде всего, это связано с особенностями такого материала, как алюминий, в частности, с его техническими характеристиками. Как известно из школьного курса химии, на поверхности алюминия всегда находится оксидная пленка, образованная вследствие прямого контакта с кислородом воздуха.

Она не способна проводить через себя электрический ток. Помимо этого, у оксидной пленки довольно высокая температура плавления – в районе 2000 градусов. Этот показатель значительно выше по сравнению с температурой плавления самого алюминия.

Если же снимать эту пленку механическим способом, то она очень быстро снова возникнет. Стоит отметить, что наличие данной пленки при паянии алюминия очень сильно мешает процессу соединения алюминиевой жилы с припоем. Также, она способна вызвать затруднения при сварке проводов, потому что вследствие ее наличия возникают различные включения, из-за которых сильно снижается качество контакта.

К дополнительным характеристикам такого материала, как алюминий, относится повышенная хрупкость и текучесть. В связи с этим, при соединении проводов из алюминия следует заранее позаботиться, чтобы они были расположены так, чтобы полностью исключалась возможность механического воздействия на данный участок.

Скрутка

Алюминиевые провода зачастую соединяют между собой при помощи скрутки. Это наиболее простой, но и самый опасный метод соединения проводов между собой.

Последовательность действий при использовании данной технологии будет следующий:

  1. Сначала, с проводов снимают изоляцию приблизительно по 4-5 см с каждой стороны. Удобнее всего здесь применять специальный инструмент, предназначенный именно для этой цели.
  2. Теперь контакты следует обезжирить. Для этого их придется протереть тряпкой, предварительно смоченной в ацетоне.
  3. Наждачной бумагой удаляют оксидную пленку с поверхности металла, то есть зачищают его до получения металлического блеска.
  4. Провода скрещивают друг с другом, после чего одна из жил максимально плотно накручивается на другую при помощи пассатижей.
  5. Второй провод таким же способом накручивается на первый.
  6. Скрутку теперь следует заизолировать при помощи изоляционной ленты. Профессиональные электрики также рекомендуют воспользоваться специальной термоусадочной трубкой или кембриком. С его помощью можно качественно предохранить оголенную область от негативного воздействия внешней среды.

В принципе, технология довольно-таки простая. Надо лишь помнить о том, что жилы требуется оголять минимум на 4-5 см, а скрутку производить не вручную, а только при помощи пассатижей, чтобы провода прилегали к другу максимально близко.

Если этого не сделать, то в результате получится неплотный контакт, из-за чего участок может сильно нагреваться. В свою очередь, такой эффект вызывает короткое замыкание, а в некоторых случаях даже пожар.

Резьбовое соединение

Данный тип соединения может быть весьма надежным, если его правильно выполнить. Стоит отметить, что алюминий обладает наибольшим линейным расширением, в связи с чем между соединенными проводами с течением времени возникает зазор, ухудшающий их контакт между собой. Чтобы не допустить короткого замыкания, нужно время от времени подкручивать эти винты.

Для избавления от этой необходимости, устанавливают специальные шайбы с разрезами или гроверами. Они выбирают образующиеся зазоры и в несколько раз увеличивают надежность соединения.

На винт, провода нужно будет обязательно намотать, чтобы площадь его соприкосновения с контактной площадкой была значительно выше. Профессиональные электрики зачастую поступают так: плющат это кольцо на наковальне, чтобы повысить площадь соприкосновения.

Технология выполнения качественного резьбового соединения проводов начинается со снятия с них изоляции на расстояние, равное 4 диаметрам винта. Зачищенные участки обезжириваются.

Потом нужно загнут их кончики так, чтобы образовались кольца.

На винт надевают элементы в следующей последовательности:

  1. Пружинная шайба.
  2. Стандартная шайба.
  3. Колечко первого провода.
  4. Еще одна стандартная шайба.
  5. Колечко второго провода.
  6. Гайка.

Вся эта система затягивается до тех пор, пока пружинная шайба не будет находиться в выпрямленном состоянии. В принципе, если оба провода сделаны из алюминия, то между ними можно не прокладывать стандартную шайбу.

Используем клеммные колодки

Если у алюминиевых проводов незначительная нагрузка по току, то их можно соединять между собой при помощи клеммных колодок. Несмотря на то, что внешний вид таких изделий может сильно отличаться, принцип их работы один и тот же.

Корпус у колодок делается из пластика либо карболита. В нем расположены трубки с толстыми стенками, изготовленными из латуни. По бокам находятся резьбовые отверстия. В противоположные концы заводят соединяемые провода, которые закрепляют с помощью винтов. Необходимо отметить, что в одну латунную трубку разрешается вставлять столько проводов, сколько туда поместится.

Неразъемное соединение

Если в дальнейшем не планируется разбирать соединение проводов, то можно использовать так называемые неразъемные способы. Данные методы являются одними из наиболее надежных. Желательно их использовать, прежде всего, в труднодоступных местах.

Одним из наиболее легких методов неразъемных соединений является опрессовка. Для этого берется алюминиевая трубка подходящего диаметра, провода скручивают между собой, вставляют в эту трубку и зажимают пресс-клещами. Лучше всего здесь, чтобы проводники входили максимально плотно.

Лишь в этом случае соединение получится наиболее прочным. Стоит отметить: если провода входят в трубку довольно плотно, то скручивать их между собой даже не придется. На последнем этапе соединение изолируют.

Сегодня в продаже можно найти специальные наконечники для изготовления данного соединения, у которых уже имеется изолирующий колпачок. Он сжимается вместе с наконечником и обхватывает провода, закрывая к ним какой бы то ни было доступ.

Для получения качественного неразъемного соединения, нужно иметь специальные клещи, которые будут не перекусывать, а лишь сдавливать. Если их нет в наличии, то вполне подойдут и стандартные пассатижи.

Пайка и сварка

Пайка проводов позволяет получить довольно качественное и неразъемное соединение. Однако, при соединении алюминиевых проводов, следует помнить о наличии на них оксидной пленки, из-за которой будет не слишком хорошо держаться припой.

Чтобы не допустить возникновения такого дефекта, нужно следовать определенной последовательности действий:

  1. Соединяемые участки проводов обрабатывают специальным флюсом, который снимает оксидную пленку с поверхности.
  2. Припоем обрабатывают как можно более тщательно, чтобы у него была наибольшая площадь соприкосновения с проводами.
  3. Когда участок соединения остынет, его желательно обработать наждачной бумагой, чтобы убрать острые края, которые могут повредить изоляционный слой.
  4. Провода в обязательном порядке изолируют.

Пайка требует наличия определенных навыков.

Следует сказать, что у этого метода есть несколько отрицательных моментов:

  1. Его приходится изолировать.
  2. Сам метод достаточно сложен, особенно, если приходится пропаивать провода под потолком, стоя на стремянке.
  3. Если в процессе работы была допущена ошибка, то исправить ее будет довольно проблематично.
  4. На работу уходит большое количество времени.

Сварка чем-то напоминает пайку проводов, но выполняется она значительно быстрее. Для того, чтобы получить качественное соединение, электрод подносится к участку соединения всего лишь на 1-2 секунды. Оба конца провода предварительно обрабатывают флюсом для удаления оксидной пленки.

После завершения сварочного процесса, скрутки проходят специальным растворителем и покрываются лаком. В результате получается качественное соединение, которое может прослужить в течение длительного периода времени, так как такой способ позволяет не допустить возникновения перегрева. Соответственно, такой участок нужно будет изолировать.

Альтернативные варианты

Провода можно соединить между собой с помощью заклепки. В принципе, подобная технология похожа на винтовую технологию, только здесь вместо винта берется заклепка. В конечном итоге получается неразборное соединение.

Выполняется такое соединение довольно просто: на заклепку через пружинную шайбу надеваются оба проводника, затем ее вставляют в заклепочник и сводят ручки до тех пор, пока не раздастся щелчок.

Также, существует специальный плоско-пружинный зажим. Такие изделия бывают одноразовыми и многоразовыми, когда провод может как вставляться, так и выниматься. Однако, следует помнить, что подобные зажимы выполняются из пластика, поэтому использовать их для силы тока свыше 10 А нежелательно.

Работать с ними весьма просто: провода зачищают и вставляют в зажим до щелчка. Без использования специального рычажка вытащить их оттуда невозможно. Также желательно изолировать данный участок провода.

Особенности соединения

Алюминиевые провода лучше всего размещать в специальных распределительных коробках, к которым они должны подходить в гофрированных рукавах. Это особенно важно, когда прокладка ведется на улице или же в случае сооружения проводки во влажном помещении типа ванной комнаты.

Вообще, когда производится соединение алюминиевых проводов, которые будут функционировать на улице, необходимо позаботиться о том, чтобы к участкам соединения не подходила влага.

В противном случае, не удастся избежать короткого замыкания. Весьма удобно в этом случае использовать технологию сварки проводов, так как последующее использование специального лака позволяет исключить воздействие воды на место соединения, а изоляционный слой дополнительно предохранит от удара током.

Блиц-советы

  1. Профессиональные электрики не рекомендуют соединять между собой алюминиевые и медные провода. Это связано со многими причинами, важнейшей из которых является различное сопротивление металлов. Кроме того, при взаимодействии друг с другом медь и алюминий очень быстро окисляются, что вызывает нагрев проводов, в значительной степени ухудшает контакт. Кроме того, их жесткость разная, что значительно усложняет проведение работ.
  2. Можно при необходимости комбинировать те или иные способы соединения проводов. В частности, скрутка вполне хорошо сочетается с пайкой или со сваркой. В итоге получается весьма надежный и неразъемный контакт, который прослужит в течение долгого времени.

Чаще всего необходимость соединения алюминиевых и медных проводов возникает в процессе замены или ремонта действующей электропроводки. Также умение это делать будет очень полезно в случае повреждения шнура питания какого-нибудь электроприбора.

Соединение алюминиевых и медных проводов

Существует несколько способов решения подобной задачи. Ознакомьтесь с представленными вариантами, выберите наиболее подходящий для вашего случая метод и приступайте к работе, соблюдая требования технологии.

Соединяем провода скруткой

Наиболее часто для соединения проводов используется обыкновенная скрутка. Это простой в своем исполнении метод, не требующий использования дополнительных приспособлений. Одновременно с этим скрутка – наименее надежный вариант соединения проводников, в особенности, если они изготовлены из разных материалов.

Каждый металл имеет склонность к некоторому изменению своих размеров при перепадах температуры. Для разных металлов показатель температурного расширения различается. Из-за этого свойства материалов при изменении температуры в соединении может появиться зазор. Он приведет к повышению сопротивления контакта, в результате чего начнет выделяться тепло, кабели окислятся и соединение нарушится.

Разумеется, на это уходит далеко не один год, однако если в ваши планы входит обустройство долговечной и качественной сети, от соединения по методу скрутки лучше отказаться в пользу более надежного варианта.

Прежде чем приступать к соединению кабелей по методу скрутки, запомните одно важное правило: провода должны обвивать друг друга. Вариант, при котором один кабель прямой, а второй его обивает, категорически недопустим – такое соединение будет абсолютно непрочным.

Метод подходит для соединения кабелей разного диаметра. Допустима скрутка одножильного и многожильного проводов, но в такой ситуации проводник с несколькими жилами надо предварительно пролудить припоем, чтобы он превратился в одножильный.

Соединение проводов сваркой

Кабели скручиваются, после чего выполняется герметизация соединения. Для герметизации хорошо подойдет защитный лак с водостойкими свойствами. Чтобы соединение было максимально качественным, медный кабель рекомендуется пролудить припоем до начала работы.

Соединение проводов скруткой

Количество витков в соединении подбираем в соответствии с диаметром кабеля. Если диаметр проводника не превышает 1 мм, делаем минимум 5 витков. При скрутке более толстых проводов делаем минимум 3 витка.

Выполняем резьбовое соединение

Выполняем резьбовое соединение

Проводники из разных материалов можно соединять с помощью винтов и гаек. При необходимости такое соединение очень быстро разбирается и переделывается. При условии грамотного исполнения резьбовое соединение будет очень качественным и продолжит оставаться таковым в течение всего срока эксплуатации проводки.

Дополнительным плюсом этого варианта является возможность одновременного соединения нескольких проводников, количество которых ограничивается лишь длиной винта.

Метод подходит для соединения кабелей различного диаметра и с разным числом жил. Нужно лишь следить, чтобы между проводами из разных материалов не было непосредственного контакта. Для его исключения в состав соединения включается пружинная шайба. Дополнительно такие шайбы надо установить для исключения контакта проводников с гайкой и головкой винта.

Порядок соединения проводников следующий.

Первый шаг. Снимаем с кабелей изоляцию. Требуемую длину рассчитываем, умножая диаметр используемого винта на 4.

Второй шаг. Изучаем состояние жил. Если они окислились, зачищаем материал до блеска, а затем формируем колечки по диаметру винта.

Третий шаг. Поочередно надеваем на наш винт пружинную шайбу, колечко провода, шайбу, колечко следующего проводника и в конце гайку. Накручиваем гайку до выпрямления шайб.

Полезный совет! Предварительно можно пролудить конец медного кабеля припоем. Это позволит исключить необходимость прокладывания пружинной шайбы между проводниками.

Выполняем соединение с помощью клеммной колодки

Пример соединения медных и алюминиевых проводников

Все большую популярность набирает метод соединения проводников специальными клеммными колодками. По надежности этот вариант проигрывает предыдущему, но и свои плюсы у него тоже имеются.

Клеммы дают возможность соединять провода максимально быстро, просто и качественно. При этом не надо ни формировать колечки, ни изолировать соединения – колодки сконструированы так, что вероятность соприкосновения оголенных частей кабелей исключается.

Соединение выполняем следующим образом.

Первый шаг. Счищаем изоляцию с соединяемых концов проводов примерно на 0,5 см.

Второй шаг. Вставляем кабели в клеммную колодку и зажимаем винтом. Затягиваем его с небольшим усилием – алюминий является достаточно мягким и хрупким металлом, так что лишняя механическая нагрузка ему не нужна.

Клеммные колодки очень часто применяются при подключении осветительных приборов к проводам из алюминия. Многократные скрутки приводят к быстрому излому подобных проводников, в результате чего от их длины практически ничего не остается. В таких ситуациях и пригодится колодка, ведь для соединения с ее помощью достаточно всего лишь сантиметровой длины кабеля.

Также клеммы очень хорошо подходят для соединения сломанных кабелей, проложенных в стене, когда прокладка новой проводки является нецелесообразной, а оставшейся длины проводников недостаточно для выполнения соединений другими методами.

Важное замечание! Колодки можно заштукатуривать только при условии их установки в распределительной коробке.

Используем современные колодки с пружинными зажимами

Не так давно на рынке электрического оборудования и комплектующих были представлены модифицированные клеммы, оснащенные пружинными зажимами. Доступны одноразовые (проводники вставляются без возможности их дальнейшего изъятия) и многоразовые (оснащены рычажком, позволяющим доставать и вставлять кабели) колодки.

Используем современные колодки с пружинными зажимами

Клеммники wago Ток (А) Число подкл. проводн. Сечение проводн/ (мм²) Наличие контактной пасты
222-413 32 3 0,08-4,0 без пасты
222-415 32 5 0,08-4,0 без пасты

Одноразовые клеммные колодки позволяют соединять одножильные проводники сечением в пределах 1,5-2,5 мм 2 . Если верить производителям, такие колодки разрешается использовать для соединения кабелей в системах с током вплоть до 24 А. Однако профессиональные электрики относятся к такому заявлению скептически и не рекомендуют подавать на клеммы нагрузки выше 10 А.

Используем современные колодки с пружинными зажимами

Многоразовые же колодки оснащаются специальным рычажком (обычно он окрашен в оранжевый) и позволяют соединять кабели с любым количеством жил. Допустимое сечение соединяемых проводников – 0,08-4 мм2. Максимальный ток – 34А.

Для выполнения соединения с помощью таких клемм делаем следующее:

  • снимаем с проводников 1 см изоляции;
  • поднимаем рычажок клеммы вверх;
  • вставляем провода в клемму;
  • опускаем рычажок.

Клеммы без рычажков просто защелкиваются.

Они рассчитаны для соединения любых видов одножильных проводов, в том числе и медных с алюминиевыми проводами сечением от 1,5 до 2,5 мм2

В результате кабели будут надежно зафиксированы в колодке. Затраты на выполнение такого соединения будут более существенными, зато вы потратите на работу гораздо меньше времени и избавите себя от необходимости использования каких-либо дополнительных инструментов.

В плоско-пружинном зажиме провод с зачищенной изоляцией просто вставляют в отверстие клеммы Wago до упора

Электрические соединители с врезным контактом

Делаем неразъемное соединение проводов

Главным отличием этого варианта от рассмотренного ранее резьбового метода является отсутствие возможности разборки соединения без разрушения проводов. Помимо этого, придется купить или взять в аренду специальное приспособление – заклепочник.

Собственно, провода соединяются с помощью заклепок. Прочность, доступная стоимость, простота и высокая скорость выполнения работы – вот главные преимущества неразъемного соединения.

Термоусадочная трубка для изоляции скрутки или опрессовки

Заклепочник работает по предельно простому принципу: стальной стержень втягивается сквозь заклепку и обрезается. По длине такого стержня присутствует некоторое утолщение. В процессе протягивания стержня через заклепку последняя будет расширена. На рынке доступны заклепки различных диаметров и длин, что позволяет подобрать приспособление для соединения кабелей практически любого сечения.

Надежное соединение проводов опрессовкой

Работаем в следующем порядке.

Первый шаг. Счищаем с проводников изоляционный материал.

Второй шаг. Делаем на концах кабелей кольца размером, немного превышающим диаметр используемой заклепки.

Третий шаг. Поочередно надеваем на заклепку колечко алюминиевого провода, пружинную шайбу, затем колечко кабеля из меди и плоскую шайбу.

Четвертый шаг. Вставляем стальной стержень в наш заклепочник и с усилием сжимаем ручки инструмента до щелчка, который будет свидетельствовать об обрезке лишней длины стального стержня. На этом соединение готово.

Как правильно соединить провода

Вы ознакомились с основными методами самостоятельного соединения алюминиевых и медных проводов. Каждый способ имеет свои особенности, недостатки, преимущества и предпочтительные сферы применения. Выбирайте наиболее подходящий вариант, следуйте положениям инструкции и уже очень скоро все необходимые соединения будут готовы.

При использовании многопроволочных жил проводов и кабелей нужно применять специальные наконечники под опрессовку или концы проводов пропаять

Видео – Соединение алюминиевых и медных проводов