Методы получения и физико-химические свойства сплавов системы Al-Zr

Методы  получения 

и физико-химические свойства сплавов системы  Al-Zr 
 

Содержание

Введение………………………………………………………………….…....3

1. Физико-химические характеристики сплава Al-Zr………..……………..4

1.1 Основные физико-химические характеристики Al………………….…4

1.2 Основные физико-химические характеристики Zr…………………..…7

1.3 Физико-химические характеристики сплава Al-Zr ...…………….……9

2. Способы получения сплава Al-Zr…….……………..…………………....10

3. Применение сплава Al-Zr ……………………….…………..………...….11

4. Выводы………………….....…………………………………...…………..16

Литература……………………………………………………………….…...17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение.

     Алюминий  и его сплавы играют важную роль в современной промышленности. Это  обусловлено тем, что большинство  промышленных сплавов алюминия обладает рядом уникальных свойств: сочетание высоких механических свойств (высокая удельная прочность б_в/у) и физических свойств (малая плотность у, высокая теплопроводность, которая в 3-3.5 раза выше, чем у стали). Введение различных легирующих элементов в алюминий существенно изменяет его свойства, а иногда придает ему новые специфические свойства. При различном легировании повышаются прочность, твердость, приобретается жаропрочность и другие свойства. При этом происходят и нежелательные изменения: неизбежно снижается электропроводность, во многих случаях ухудшается коррозионная стойкость, почти всегда повышается относительная плотность.

     В 1893 году в Москве вышла книга инженера Н. Жукова «Алюминий и его металлургия», в которой автор писал: «Алюминий  призван занять выдающееся место  в технике и заместить собой, если не все, то многие из обыденных металлов...». Прошло более ста лет и можно смело утверждать, что если алюминий и не заместил собой все, то уж свое выдающееся место в техники он точно занял.

    Развитие  современной науки и техники  показало, что важной составляющей технологического производства являются качественные показатели получаемой продукции. Приоритетными направлениями являются: увеличение прочности, увеличение диапазона рабочих температур, увеличение срока службы материалов.

    Наибольшее  распространение получили сплавы Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Zr, Al-Cu-Mg и другие.

    Все сплавы алюминия можно разделить  на деформируемые, предназначенные  для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков и т. д. ); а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки; и литейные, предназначенные для фасонного литья.

    Сплавы  алюминия, обладая хорошей технологичностью во всех стадиях передела, малой  плотностью, высокой коррозийной  стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и вязкости нашли широкое применение в авиации, судостроении, строительстве и других отраслях народного хозяйства.

    Цирконий  и его сплавы находят широкое  применение в ядерной науке и  технике благодаря двум свойствам - высокой коррозионной стойкости и малому сечению захвата тепловых нейтронов, что делает их безальтернативным конструкционным материалом для работы в активной зоне реакторов на тепловых нейтронах.

    Цель  работы. Ознакомление с основными физико-химическими и промышленными свойствами, способами изготовления и типом применения сплава Al-Zr. Для реализации данной цели проводится:

1. Работа с литературными источниками.
2. Работа с интернет - источниками.

 
 
 
     

1. Физико-химические характеристики сплава Al-Zr.
1. Физико-химические характеристики Al.

    Алюми́ний (рис.1) — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов.

                                           

     Рис.1. Алюминий

    Алюминий - самый распространенный металл в земной коре. Его содержание оценивают в 7.45 % (больше, чем железа, которого только 4.2 %). Алюминий как элемент открыт недавно-в 1825 г., когда были получены первые небольшие комочки этого металла. Начало его промышленного освоения относится к концу прошлого столетия. Толчком к  этому послужила разработка в 1886 г. способа его получения путем электролиза глинозема, раст­воренного в криолите. Принцип способа лежит в основе современного промышленного извлечения алюминия  из глинозема во всех странах мира.

    По  внешнему виду алюминий представляет собой блестящий серебристый  белый металл. На воздухе он быстро окисляется, покрываясь тонкой белой

матовой пленкой. Эта пленка обладает высокими защитными свойствами, поэтому, будучи покрытым такой пленкой, алюминий является коррозионностойким. Наиболее характерными физическими свойствами алюминия является его малая относительная плотность, равная 2.7, а также сравнительно высокие тепло- и электропроводность. При 0⁰C удельная электропроводность алюминия, т.е. электропроводность алюминиевой проволоки сечением 1 мм и длиной 1 м равна 371 Ом.

    Кристаллическая решетка алюминия — гранецентрированный  куб (рис.2), которая устойчива при температуре от 4°К до точки плавления. В алюминии нет аллотропических превращений, т.е. его строение постоянно. Элементарная ячейка состоит из четырех атомов размером 4,049596×10^-10 м; при 25 °С атомный диаметр (кратчайшее расстояние между атомами в решетке) составляет 2,86×10^-10 м, а атомный объем 9,999×10^-6 м³/г-атом . Примеси в алюминии незначительно влияют на величину параметра решетки.

    Температура плавления алюминия невысокая, она  равна приблизительно 660 C. Однако скрытая  теплота плавления его очень  большая - около 100 кал г, поэтому для расплавления алюминия требуется большой расход тепла, чем для расплавления такого же количества, например, тугоплавкой меди.

                   

Рис.2. Гранецентрированная кубическая решетка алюминия. 

    Для механических свойств алюминия характерна большая пластичность и малая прочность. Прокатанный и отожженный алюминий имеет =10 кГ мм, а твердость НВ25, =80% и =35%.

    Внешняя электронная оболочка атома Алюминия состоит из 3 электронов и имеет  строение 3s²3р¹. В обычных условиях Алюминий в соединениях 3-валентен, но при высоких температурах может быть одновалентным, образуя так называемых субсоединения. Субгалогениды Алюминия, AlF и АlСl, устойчивые лишь в газообразном состоянии, в вакууме или в инертной атмосфере, при понижении температуры распадаются (диспропорционируют) на чистый Аl и AlF₃ или АlСl₃ и поэтому могут быть использованы для получения сверхчистого Алюминия. При накаливании мелкоизмельченный или порошкообразный Алюминий энергично сгорает на воздухе. Сжиганием Алюминия в токе кислорода достигается температура выше 3000°С. Свойством Алюминия активно взаимодействовать с кислородом пользуются для восстановления металлов из их оксидов (Алюминотермия). При темно-красном калении фтор энергично взаимодействует с Алюминием, образуя AlF₃. Хлор и жидкий бром реагируют с Алюминием при комнатной температуре, иод - при нагревании. При высокой температуре Алюминий соединяется с азотом, углеродом и серой, образуя соответственно нитрид AlN, карбид Al₄C₃ и сульфид Al₂S₃. С водородом Алюминий не взаимодействует; гидрид Алюминия (AlН₃)_X получен косвенным путем. Большой интерес представляют двойные гидриды Алюминия и элементов I и II групп периодической системы состава МеН_n·_nAlH₃, так называемые алюмогидриды. Алюминий легко растворяется в щелочах, выделяя водород и образуя алюминаты. Большинство солей Алюминия хорошо растворимо в воде. Растворы солей Алюминия вследствие гидролиза показывают кислую реакцию.

         
 

     1.2 Физико-химические характеристики Zr.

    Цирко́ний (рис.3) (лат. Zirconium; обозначается символом Zr) — элемент побочной подгруппы четвёртой группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 40.

                               

                                                 Рис.3 Цирконий.

     Простое вещество цирконий (CAS-номер: 7440-67-7) — блестящий металл серебристо-серого цвета. Обладает высокой пластичностью, устойчив к коррозии.

     Цирконий  существует в двух кристаллических  модификациях: α-формы с гексагональной плотноупакованной решеткой (рис.4) (а = 3.228Å; с = 5,120Å) и β-формы с кубической объемно-центрированной решеткой(рис.5) (а = 3,61Å). Переход α → β происходит при 862 °С.             

                                                      

Рис.4. Модель гексагональной                        Рис.5. Модель кубической

плотноупакованной решетки.                           объемоцентрированной решетки.

    Внешняя электронная конфигурация атома Zr 4d²5s². Для Циркония характерна степень окисления +4. Более низкие степени окисления +2 и +3 известны для Циркония только в его соединениях с хлором, бромом и иодом. Компактный Цирконий начинает медленно окисляться в пределах 200-400 °С, покрываясь пленкой оксида циркония (IV) ZrO₂; выше 800 °С энергично взаимодействует с кислородом воздуха. Порошкообразный металл пирофорен - может воспламеняться на воздухе при обычной температуре. Цирконий активно поглощает водород уже при 300 °С, образуя твердый раствор и гидриды ZrH и ZrH₂; при 1200-1300 °С в вакууме гидриды диссоциируют и весь водород может быть удален из металла. С азотом Цирконий образует при 700-800 °С нитрид ZrN. Цирконий взаимодействует с углеродом при температуре выше 900 °С с образованием карбида ZrC. Карбид и нитрид Циркония - твердые тугоплавкие соединения; карбид Циркония - полупродукт для получения ZrCl₄. Цирконий вступает в реакцию с фтором при обычной температуре, а с хлором, бромом и иодом при температуре выше 200 °С, образуя высшие галогениды ZrX₄ (где X - галоген). Цирконий устойчив в воде и водяных парах до 300 °С, не реагирует с соляной и серной (до 50%) кислотами, а также с растворами щелочей (Цирконий - единственный металл, стойкий в щелочах, содержащих аммиак). С азотной кислотой и царской водкой взаимодействует при температуре выше 100 °С. Растворяется в плавиковой и горячей концентрированной (выше 50%) серной кислотах. Из кислых растворов могут быть выделены соли соответствующих кислот разного состава, зависящего от концентрации кислоты. Так, из концентрированных сернокислых растворов Цирконий осаждается кристаллогидрат Zr(SO₄)₂·4H₂O; из разбавленных растворов - основные сульфаты общей формулы xZrO₂·ySO₃·zH₂O (где х : у>1). Сульфаты Циркония при 800-900 °С полностью разлагаются с образованием оксида Циркония (IV). Из азотнокислых растворов кристаллизуется Zr(NО3)4·5Н2О или ZrO(NO₃)₂·H₂O (где х = 2-6), из солянокислых растворов - ZrOCl₂·8H₂O, который обезвоживается при 180-200 °С. 
 
 
 

     1.3 Физико-химические характеристики сплава. 

     Сплав Al-Zr имеет прочность аналогичную  стандартному алюминию марки 1350-H19, но его микроструктура сформулирована так, чтобы он сохранял эту прочность при высоких температурах. Если обычный алюминий при температуре 120-150 ^oC отжигается и резко теряет прочность, то сплав Al-Zr сохраняет свои свойства до 210 ^oC, с пиковыми нагрузками до 240 ^oC. Сплавы алюминия с цирконием, содержащие до 3% циркония, являются коррозийно устойчивыми. 
 

     

2. Способы получения сплава Al-Zr.

 

    Согласно  современному определению сплавы это материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом. Многие металлические сплавы имеют один металл в качестве основы с малыми добавками других элементов.

        Самый распространенный способ получения сплавов - затвердевание однородной смеси их расплавленных компонентов. В расплавленном состоянии все компоненты обычно находятся в атомарном состоянии, образуя неограниченный жидкий однородный раствор, в любой точке которого химический состав статистически одинаков. При затвердевании расплава атомы компонентов укладываются в порядке кристаллической решетки, образуя твердое кристаллическое вещество — сплав.

    Другой  способо изготовления - спекание.

    Спекание (рис.6) является обычно заключительной технологической операцией метода порошковой металлургии.

    Спеканием называют нагрев и выдержку порошковой формовки при температуре ниже точки плавления основного компонента с целью обеспечения заданных механических и физико-химических свойств.

    В процессе спекания заготовка или  свободно насыпанный порошок превращаются в прочное порошковое тело со свойствами, приближающимися к свойствам компактного (беспористого) материала. Спекание в решающей степени определяет конечные свойства порошковых материалов и изделий. 

     

     Рис. 6. Изображение алюминиевого сплава, полученного спеканием.

     При нагреве порошковых формовок или  свободно насыпанного порошка происходит сложный комплекс разнообразных  физико-химических явлений, протекающих  одновременно или последовательно. Во время спекания происходит изменение  размеров, структуры и свойств исходных порошковых тел, протекают процессы поверхностной, граничной и объемной само- и гетеродиффузии, разнообразные дислокационные явления, осуществляются перенос вещества через газовую фазу, химические реакции, релаксация микро- и макронапряжений, рекристаллизация частиц и др.