Растворяется ли целиком образец сплава алюминия с магнием

Задачи на смеси и сплавы металлов

Задачи на смеси — очень частый вид задач в химии. Они требуют чёткого представления о том, какие из веществ вступают в предлагаемую в задаче реакцию, а какие нет.
О смеси мы говорим тогда, когда у нас есть не одно, а несколько веществ (компонентов), «ссыпанных» в одну емкость. Вещества эти не должны взаимодействовать друг с другом.

Типичные заблуждения и ошибки, возникающие при решении задач на смеси.

Попытка записать оба вещества в одну реакцию.
Получается примерно так:
«Смесь оксидов кальция и бария растворили в соляной кислоте…»
Уравнение реакции составляется так:
СаО + ВаО + 4HCl = СаCl₂ + BaCl₂ + 2H₂O.
Это ошибка, ведь в этой смеси могут быть любые количества каждого оксида.
А в приведенном уравнении предполагается, что их равное количество.
Предположение, что их мольное соотношение соответствует коэффициентам в уравнениях реакций.
Например:
Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂
2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂
Количество цинка принимается за х, а количество алюминия — за 2х (в соответствии с коэффициентом в уравнении реакции). Это тоже неверно. Эти количества могут быть любыми и они никак между собой не связаны.
Попытки найти «количество вещества смеси», поделив её массу на сумму молярных масс компонентов.
Это действие вообще никакого смысла не имеет. Каждая молярная масса может относиться только к отдельному веществу.

Часто в таких задачах используется реакция металлов с кислотами. Для решения таких задач надо точно знать, какие металлы с какими кислотами взаимодействуют, а какие — нет.

Необходимые теоретические сведения.

Способы выражения состава смесей.

Массовая доля компонента в смеси — отношение массы компонента к массе всей смеси. Обычно массовую долю выражают в %, но не обязательно.

Электрохимический ряд напряжений металлов.

Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pd Pt Au

Реакции металлов с кислотами.

С минеральными кислотами, к которым относятся все растворимые кислоты (кроме азотной и концентрированной серной, взаимодействие которых с металлами происходит по-особому), реагируют только металлы, в электрохимическом ряду напряжений находящиеся до (левее) водорода.
При этом металлы, имеющие несколько степеней окисления (железо, хром, марганец, кобальт), проявляют минимальную из возможных степень окисления — обычно это +2.
Взаимодействие металлов с азотной кислотой приводит к образованию, вместо водорода, продуктов восстановления азота, а с серной концентрированной кислотой — к выделению продуктов восстановления серы. Так как реально образуется смесь продуктов восстановления, часто в задаче есть прямое указание на конкретное вещество.

Продукты восстановления азотной кислоты.

Чем активнее металл и чем меньше концентрация кислоты, тем дальше восстанавливается азот
NO₂	NO	N₂O	N₂	NH₄NO₃
Неактивные металлы (правее железа) + конц. кислота Неметаллы + конц. кислота	Неактивные металлы (правее железа) + разб. кислота	Активные металлы (щелочные, щелочноземельные, цинк) + конц. кислота	Активные металлы (щелочные, щелочноземельные, цинк) + кислота среднего разбавления	Активные металлы (щелочные, щелочноземельные, цинк) + очень разб. кислота
Пассивация: с холодной концентрированной азотной кислотой не реагируют: Al, Cr, Fe, Be, Co.
Не реагируют с азотной кислотой ни при какой концентрации: Au, Pt, Pd.

Продукты восстановления серной кислоты.

SO₂	S	H₂S	H₂
Неактивные металлы (правее железа) + конц. кислота Неметаллы + конц. кислота	Щелочноземельные металлы + конц. кислота	Щелочные металлы и цинк + концентрированная кислота.	Разбавленная серная кислота ведет себя как обычная минеральная кислота (например, соляная)
Пассивация: с холодной концентрированной серной кислотой не реагируют: Al, Cr, Fe, Be, Co.
Не реагируют с серной кислотой ни при какой концентрации: Au, Pt, Pd.

Реакции металлов с водой и со щелочами.

В воде при комнатной температуре растворяются только металлы, которым соответствуют растворимые основания (щелочи). Это щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs), а также металлы IIA группы: Са, Sr, Ba. При этом образуется щелочь и водород. При кипячении в воде также можно растворить магний.
В щелочи могут раствориться только амфотерные металлы: алюминий, цинк и олово. При этом образуются гидроксокомплексы и выделяется водород.

Примеры решения задач.

Рассмотрим три примера задач, в которых смеси металлов реагируют с соляной кислотой:

В первом примере медь не реагирует с соляной кислотой, то есть водород выделяется при реакции кислоты с железом. Таким образом, зная объём водорода, мы сразу сможем найти количество и массу железа. И, соответственно, массовые доли веществ в смеси.

Решение примера 1.

Находим количество водорода:
n = V / V_m = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль.
По уравнению реакции:

0,25	0,25
Fe +	2HCl = FeCl₂ +	H₂
1 моль	1 моль

Во втором примере в реакцию вступают оба металла. Здесь уже водород из кислоты выделяется в обеих реакциях. Поэтому прямым расчётом здесь нельзя воспользоваться. В таких случаях удобно решать с помощью очень простой системы уравнений, приняв за х — число моль одного из металлов, а за у — количество вещества второго.

Решение примера 2.

Находим количество водорода:
n = V / V_m = 8,96 / 22,4 = 0,4 моль.
Пусть количество алюминия — х моль, а железа у моль. Тогда можно выразить через х и у количество выделившегося водорода:

x	1,5x (мольное соотношение Al:Н₂ = 2:3)
2Al	+ 6HCl = 2AlCl₃ +	3H₂

y	y
Fe	+ 2HCl = FeCl₂ +	H₂

Решать такие системы гораздо удобнее методом вычитания, домножив первое уравнение на 18:
27х + 18у = 7,2
и вычитая первое уравнение из второго:

В третьем примере два металла реагируют, а третий металл (медь) не вступает в реакцию. Поэтому остаток 5 г — это масса меди. Количества остальных двух металлов — цинка и алюминия (учтите, что их общая масса 16 − 5 = 11 г) можно найти с помощью системы уравнений, как в примере №2.

Следующие три примера задач (№4, 5, 6) содержат реакции металлов с азотной и серной кислотами. Главное в таких задачах — правильно определить, какой металл будет растворяться в ней, а какой не будет.

В этом примере надо помнить, что холодная концентрированная серная кислота не реагирует с железом и алюминием (пассивация), но реагирует с медью. При этом выделяется оксид серы (IV).
Со щелочью реагирует только алюминий — амфотерный металл (кроме алюминия, в щелочах растворяются ещё цинк и олово, в горячей концентрированной щелочи — ещё можно растворить бериллий).

Решение примера 4.

С концентрированной серной кислотой реагирует только медь, число моль газа:
n_SO₂ = V / Vm = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль

0,25	0,25
Cu +	2H₂SO₄ (конц.) = CuSO₄ +	SO₂ + 2H₂O

(не забудьте, что такие реакции надо обязательно уравнивать с помощью электронного баланса)

Al 0 − 3e = Al 3+	\|	2
2H + + 2e = H₂	\|	3

В тексте этой задачи чётко указан продукт восстановления азота — «простое вещество». Так как азотная кислота с металлами не даёт водорода, то это — азот. Оба металла растворились в кислоте.
В задаче спрашивается не состав исходной смеси металлов, а состав получившегося после реакций раствора. Это делает задачу более сложной.

Решение примера 5.

Определяем количество вещества газа:
n_N₂ = V / Vm = 2,912 / 22,4 = 0,13 моль.
Определяем массу раствора азотной кислоты, массу и количество вещества растворенной HNO3:

5x	x
5Zn	+ 12HNO₃ = 5Zn(NO₃)₂ +	N₂	+ 6H₂O

Zn 0 − 2e = Zn 2+	\|	5
2N +5 + 10e = N₂	\|	1

10y	3y
10Al	+ 36HNO₃ = 10Al(NO₃)₃ +	3N₂	+ 18H₂O

Al 0 − 3e = Al 3+	\|	10
2N +5 + 10e = N₂	\|	3

<	х + 3у = 0,13 (количество азота)
	65 • 5х + 27 • 10у = 21,1 (масса смеси двух металлов)

Решать эту систему удобно, домножив первое уравнение на 90 и вычитая первое уравнение их второго.

0,2	0,48	0,2	0,03
5Zn	+ 12HNO₃ =	5Zn(NO₃)₂	+ N₂ +	6H₂O

0,3	1,08	0,3	0,09
10Al	+ 36HNO₃ =	10Al(NO₃)₃	+ 3N₂ +	18H₂O

Масса
нового
раствора

Сумма масс
смешиваемых
растворов и/или веществ

—

Масса осадков

—

Масса газов

Тогда для нашей задачи:

При решении этой задачи надо вспомнить, во-первых, что концентрированная азотная кислота с неактивным металлом (медь) даёт NO₂, а железо и алюминий с ней не реагируют. Соляная кислота, напротив, не реагирует с медью.

Задачи для самостоятельного решения.

1. Несложные задачи с двумя компонентами смеси.

2. Задачи более сложные.

3. Три металла и сложные задачи.

Ответы и комментарии к задачам для самостоятельного решения.

Это полезно

11-14 июня
Набрать более 80 баллов на ЕГЭ по обществознанию не сложно! Просто надо знать, как готовиться.

Источник

Литейные сплавы алюминий-магний

Алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные. Легирующие элементы и в деформируемых, и в литейный одни и те же, но в деформируемых сплавах их содержание намного меньше.

Литейные алюминиевые сплавы

Основными легирующими элементами литейных алюминиевых сплавов являются магний, медь и кремний. Они дают качественное изменение природы алюминиевых сплавов. В сплавах Al-Cu, Al-Mg и Al-Mg-Si образуются интерметаллиды, а сплавах Al-Si – эвтектика. Интерметаллиды, особенно в сочетании с эвтектикой, дают возможность применения различных методов термического упрочнения. Другие легирующие элементы – вспомогательные и модифицирующие – применяют в значительно меньших количествах для улучшения заданных механических и физических свойств сплавов.

Сплавы алюминий-магний

Алюминиево-магниевые сплавы являются однофазными бинарными сплавами с уровнем прочности от среднего до высокого и хорошими вязкими свойствами. То, что они являются однофазными, означает, что они не способны повышать свою прочность в результате термической обработки.

Главная особенность этих Al-Mg сплавов состоит в их высокой коррозионной стойкости, в том числе, в морской воде и морской атмосфере. Самая высокая коррозионная стойкость достигается при минимуме примесей – и твердых, и газообразных. Поэтому эти сплавы изготавливают из высококачественных металлов и с особенной тщательностью при его выплавке и разливке. Эти сплавы хорошо свариваются и часто применяются в строительстве для декоративной отделки. Алюминиево-магниевые сплавы легко обрабатываются резанием и имеют привлекательный вид после анодирования.

Сплавы трудные для литья

По сравнению с алюминиево-кремниевыми сплавами все сплавы алюминия с магнием имеют значительно больше проблем при разливке. Они требуют более тщательного проектирования литейных форм и более высокие градиенты температур при затвердевании для получения хороших отливок.

При литье этих сплавов нужно учитывать их повышенную склонность к окислению при плавлении. Это важно еще и потому, что для многих изделий из этих сплавов требуется высокое качество поверхности и дефекты, связанные с оксидами, крайне нежелательны.

Влияние примесей

Медь и никель снижают сопротивление коррозии, а также пластичность.
Железо, кремний и марганец снижают прочность и пластичность.
Олово снижает сопротивление коррозии.

Литейные сплавы серии 5хх.х

В американской и международной классификации алюминиево-магниевые литейные сплавы образуют серию сплавов 5хх.х. Три из них представлены ниже.

Литейный алюминиевый сплав 514.0

Формула сплава: 4Mg

Химический состав:

медь: 0,15 % макс;
магний: 3,5-4,5 %;
марганец: 0,35 % макс.;
кремний: 0,35 % макс.;
железо: 0,50 % макс.
цинк: 0,15 % макс.;
титан: 0,25 % макс.;
другие: каждый 0,05 %, сумма 0,15 % макс.;
алюминий: остальное.

Типичные механические свойства (в состоянии поставки):

прочность на растяжение: 145 МПа;
предел текучести: 95 МПа;
относительное удлинение: 3 %;
коэффициент Пуассона: 0,33;
модуль упругости: 71,0 ГПа.

Физические свойства:

плотность: 2,65 г/см 3 ;
температура ликвидус: 630 ºС;
температура солидус: 585 ºС.

Технологические свойства:

температура плавления: от 675 до 815 ºС;
температура разливки: от 675 до 790 ºС;
сплав для сварки – 4043.

Литейный алюминиевый сплав 518.0

Формула сплава: 8Mg

Химический состав:

медь: 0,25 % макс;
магний: 7,5-8,5 %;
марганец: 0,35 % макс.;
кремний: 0,35 % макс.;
железо: 1,8 % макс.;
никель: 0,15 % макс.;
цинк: 0,15 % макс.;
олово: 0,15 % макс.;
другие: сумма 0,25 % макс.;
алюминий: остальное.

Типичные механические свойства (в состоянии поставки):

прочность на растяжение: 310 МПа;
предел текучести: 190 МПа;
относительное удлинение: 5-8 %.

Физические свойства:

плотность: 2,57 г/см 3 ;
температура ликвидус: 620 ºС;
температура солидус: 535 ºС.

Литейный алюминиевый сплав 520.0

Формула сплава: 10Mg

Химический состав:

медь: 0,25 % макс;
магний: 9,5-10,6 %;
марганец: 0,15 % макс.;
кремний: 0,25 % макс.;
железо: 0,30 % макс.;
цинк: 0,15 % макс.;
титан: 0,25 % макс.;
другие: каждый 0,05 %, сумма 0,15 % макс.;
алюминий: остальное.

Типичные механические свойства (в состоянии поставки):

прочность на растяжение: 330 МПа;
предел текучести: 180 МПа;
относительное удлинение: 16 %.

Физические свойства:

плотность: 2,57 г/см 3 ;
температура ликвидус: 605 ºС;
температура солидус: 450 ºС.

Слитки магния для легирования алюминиевых сплавов

Магний – брат алюминия

Магний во многом похож на алюминий. Плотность магния при 20 °C составляет 1,74 г/см³ – он плавает в жидком алюминии (плотность жидкого алюминия – 2,4 г/см³). Температуры плавления алюминия и магния почти одинаковые: у магния – 650 °C, у алюминия 99,5 % – 657 °C. Поэтому магний прямо загружают в плавильную печь, в отличие, например, от кремния. Чистый кремний имеет высокую температуру плавления, 1415 °C. По этой причине кремний вводят в алюминиевый расплав обычно в составе силумина с содержанием кремния около 12 %. Такой эвтектический алюминиевый сплав Al-Si плавятся при температуре всего лишь около 577 °C.

Фазовая диаграмма алюминий-магний

Источник

Система магний-алюминий

Вследствие того что сплавы магния с алюминием представляют собой основу значительного числа высокопрочных технически важных магниевых сплавов, систему Mg—Al изучали интенсивно. Основные факторы, обусловливающие образование этих сплавов, уже рассмотрены ранее; здесь мы напомним лишь, что объемный фактор алюминия относительно магния находится на границе благоприятной зоны. Именно это обусловливает более резкое снижение кривой солидуса в области диаграммы равновесия, богатой магнием, по сравнению с соответствующими кривыми солидуса для сплавов Mg—In и Mg—Tl. Отсюда и меньший предел растворимости алюминия в магнии. Резкое понижение растворимости алюминия в магнии в твердом состоянии с понижением температуры также свидетельствует о существенном различии атомных размеров этих элементов. Все сказанное справедливо и для сплавов данной системы, богатых алюминием.

На рис. 161 приведена диаграмма равновесия системы Mg—Al, построенная по данным большого числа экспериментальных работ. Кривая ликвидуса, которую можно считать установленной достаточно точно, построена по данным работ, перечисленных в ссылке. Co стороны магния кривая плавно снижается вплоть до эвтектики при 32,3% вес. (30,07% атомн.) Al, тогда как со стороны алюминия кривая ликвидуса плавно снижается до эвтектики при 65% вес. (62,6% атомн.) Al. Данные различных исследователей в части кривой ликвидуса между этими двумя эвтектическими точками отличаются между собой. На рис. 161 приведена наиболее вероятная кривая ликвидуса, построенная по данным опубликованной недавно работы, которая будет подробно рассмотрена ниже. Согласно этим данным, кривая ликвидуса от эвтектической точки при 437° С повышается до 462° С в точке, соответствующей 45,4—46% вес. (42,84—43,43% атомн.) Al; в этой точке кривые ликвидуса и солидуса соприкасаются. Далее кривая ликвидуса медленно понижается до эвтектической точки при 450,5° С, соответствующей 60,7% вес. (68,20% атомн.) Al. При дальнейшем увеличении содержания алюминия кривая проходит через небольшой максимум, прежде чем при 460° C достичь эвтектики, богатой алюминием. Неудивительно поэтому, что разными исследователями в этой области были получены различные результаты.

Кривые солидуса также известны достаточно точно; в частности, хорошо совпадают данные кривой солидуса со стороны магния, полученные исследователями при помощи различных методов. Кривая пересекает эвтектическую горизонталь (437° С) при 12,6% вес. (11,50% атомн.) Al.

Критическое рассмотрение работ указывает, что растворимость алюминия в магнии в твердом состоянии с понижением температуры постепенно уменьшается, достигая при комнатной температуре 2,1 % вес. (1,90% атомн.) Al, как показано на рис. 161. Эта кривая установлена с точностью от ±0,2 до ±0,3; кривая солидуса со стороны алюминия и кривая растворимости магния в алюминии в твердом состоянии также установлены достаточно точно.

В дальнейшем Хансен и Гейлер подтвердили существование этой промежуточной фазы с максимумом на кривой ликвидуса; положение максимума, однако, установлено лишь приближенно в области от 45 до 50% вес. Al, так как не ясно, точно ли соответствует он составу Mg4Al3. Авторы пришли к выводу, что интервал затвердевания при этом составе составляет приблизительно 5° С. Согласно их данным, кривые ликвидуса и солидуса соприкасаются в точке, соответствующей составу Mg3Al2. Поскольку, однако, точка затвердевания для этого состава ниже, чем для состава Mg4Al3, и поскольку кривая ликвидуса понижается в сторону эвтектики, богатой магнием, такой вывод кажется неверным с точки зрения термодинамики.

Хансен и Гейлер показали также, что в системе имеется вторая промежуточная фаза с узкой областью гомогенности по обе стороны от состава Mg2Al3, также отвечающая слабому максимуму на кривой ликвидуса. Несмотря на трудности проведения металлографического анализа, авторы показали, что при температурах, близких к точке плавления, эта промежуточная фаза занимает область от 40 до приблизительно 57% вес. (37,54— 55,44% атомн.) Al. Фаза, богатая алюминием и имеющая узкую область гомогенности, была обозначена через р, а фаза предполагаемого состава Mg4Al3 или Mg3Al2 — через у. Эти обозначения использованы и при построении диаграммы равновесия, показанной на рис. 161.

Последующие исследования показали, что в действительности система Mg—Al более сложна. Так, Каваками на основе металлографического исследования сплавов, содержащих от 42 до 62% вес. (39,50—63,63% атомн.) Al, показал, что в системе Mg—Al еще имеется и третья промежуточная фаза (рис. 162), обозначенная им через К. К-фаза образуется при 455° С по пери-тектической реакции между жидкостью и у-фазой; она перитектически реагирует с жидкостью, образуя при 450° С в-фазу. Согласно Каваками, К-фаза имеет сравнительно заметную область гомогенности лишь выше 430° С, ниже этой температуры она существует в области 54,2—54,6% вес (51,61—52,01% атомн.) Al. Граница фазы со стороны алюминия при температурах выше 430 С почти точно совпадает с границей у/(у + в), предложенной Хансеном и Гейлером. Хотя Каваками установил наличие К-фазы по данным металлографического и рентгеновского анализа, следует отметить, что больше никто из исследователей не обнаружил перитектическую реакцию, связанную с образованием этой фазы.

Кёстер и Дулленкорф предположили, что поскольку К-фаза была обнаружена после отжига сплавов, возможно, что диаграмма, предложенная Каваками, соответствует стабильному равновесию, тогда как диаграмма, не содержащая К-фазы, соответствует метастабильному состоянию сплавов. Это предположение было подтверждено результатами исследования двух медленно охлажденных из расплава сплавов соответствующего состава, но содержащих небольшие добавки цинка. В одном случае (53,5% Al, 43,5% Mg, 3% Zn) было обнаружено, что первичные кристаллы у-фазы окружены оболочкой, представляющей собой, по-видимому, К-фазу, которая окружена в-фазой. В сплаве, содержащем 57,5% Al, 37,6% Mg и 5% Zn, обнаружены только у- и в-фазы.

В дальнейшем Ридерер, исследовавший отожженные и закаленные сплавы, предварительно быстро охлажденные из жидкого состояния, не обнаружил в них К-фазы. Автор подтвердил правильность диаграммы равновесия системы Mg—Al, построенной Хансеном и Гейлером и содержащей в- и у-фазы. Однако после очень медленного охлаждения сплава, содержащего приблизительно 55% Al и незначительное количество цинка, Ридерер металлографически обнаружил фазу, отличную от у-фазы. В дальнейшем эта же фаза была обнаружена им и в сплаве, не содержащем цинка. При последующем отжиге зерна новой фазы, которая была отнесена автором к К-фазе, росли за счет у-фазы. Поскольку К-фаза не наблюдалась в отожженных после закалки образцах и поскольку, появившись однажды, она осталась стабильной, Ридерер пришел к выводу о том, что эта фаза может образоваться только непосредственно из расплава. Им также рентгенографически были исследованы все промежуточные фазы и показано, что p-фаза имеет гексагональную структуру (впоследствии Перлита, опроверг этот вывод), у-фаза изоморфна с а-Мn и содержит 68 атомов в элементарной ячейке, а К-фаза характеризуется сложной дифракционной картиной, не поддающейся расшифровке.

В дальнейшем Лавее и Мюллер пришли к выводу о том, что в системе Mg—Al имеется и четвертая промежуточная фаза. Сплавы, содержащие от 47,6 до 52,6% вес. (45,02—50,01% атомн.) Al и закаленные из жидкого состояния, содержат у-фазу, которая была установлена как металлографически, так и рентгенографически (типа a-Mn). В сплаве, содержащем 53,6% вес. (51,0% атомн.) Al, металлографически было обнаружено незначительное количество другой фазы, которую можно назвать у’-фазой. Она протравливалась почти также, как и у-фаза, но оказалась очень анизотропной в поляризованном свете. С увеличением содержания алюминия доля этой фазы в сплавах возрастала и в области от 56,6 до 57,5% вес. (54,03—54,94% атомн.) Al она наблюдалась в чистом виде. При 60% вес. (57,48% атомн.) Al появились следы в-фазы.

Исходя из аналогии составов, можно заключить, что у’-фазу Лавеса и Мюллера следует идентифицировать с К-фазой Каваками. Однако после трехдневного отжига при 300° С было обнаружено новое явление. Оплавы, содержащие от 61,6 до 52,6% вес. (49,0—50,01% атомн.) Al, которые, по данным Каваками, должны при 300° С состоять из у- и Х-фаз, содержали только у- и p-фазы. Аналогично, в сплавах, которые после закалки из жидкого состояния должны были содержать гомогенную К(у’)-фазу, эта фаза после отжига при 300° (С не была обнаружена. Зато приблизительно в равных количествах наблюдались в- и у-фазы, а также незначительное количество третьей металлографически различимой фазы, которую можно обозначить через в’.

Таким образом, ясно, что К- или у’-фаза не стабильны при 300° С. Природа в’-фазы, однако, не ясна. Все сплавы, содержащие от 64,6 до 60% вес. (52,02—57,48% атомн.) Al и отожженные при 300° С, содержали три фазы в, у и в’. С целью проверки предположения о том, что в’-фаза может представлять собой переходную фазу, образованную в процессе разложения К(у’) на а и у, и должна исчезнуть при дальнейшем нагреве, был проведен длительный отжиг при 300° С в течение девяти дней. В результате такой термической обработки количество в’-фазы в сплаве увеличивается. Лавес и Мюллер не получили эту фазу в чистом виде, но поскольку при 58,5% вес. (55,96% атомн.) Al было обнаружено только незначительное количество у-фазы, авторы предположили, что в’-фаза имеет узкую область гомогенности вблизи 595% вес. (56,92% атомн.) AL В дальнейшем было показано, что в’-фаза исчезает в результате отжига сплава при 300° С и затем при 400° С.

Следовательно, при некоторой температуре в области от 300 до 400° С происходит переход в’ — в+у, тогда как при некоторой температуре между линией солидуса и 300°С К (у’)-фаза становится нестабильной относительно в’.

Хотя этот участок диаграммы равновесия нельзя считать окончательно установленным, Лавес и Мюллер указали, что наиболее вероятен тот вид диаграммы равновесия системы Mg—Al, который соответствует показанному на рис. 163. Они нашли, что детали наблюдаемых эффектов в значительной степени зависят от примесей и, в частности, нашли, что в’-фаза до некоторой степени стабилизируется в присутствии незначительного количества цинка. Авторы показали, что у’-фаза имеет кристаллическую решетку деформированного а-Mn и, следовательно, структуры у- и у’-фаз очень близки. Рентгенограмма в’-фазы оказалась идентичной рентгенограмме К-фазы Ридерера. Таким образом, ясно, что Ридерер не получил ту же фазу, что Каваками, а обнаружил впервые в’-фазу, не уточнив, однако, температурный интервал существования этой фазы, который находится между 300 и 400° С.

Из рассмотренного следует, что центральная часть диаграммы равновесия системы Mg—Аl достаточно сложная. Значительную ясность в этот вопрос внесла работа Курнакова и Михеевой. В трех работах, посвященных этой системе, авторы показали, что можно наблюдать определенные температурные остановки при нагревании сплавов, содержащих от 49 до 59% вес. (46,41—56,47% атомн.) Al, и что эти остановки изменяются с составом таким образом, как показано пунктирной кривой на рис. 161. Этот термический эффект означает превращение в твердом состоянии, и плавное изменение температуры с изменением состава согласуется с существованием двухфазного поля в этой области составов между у-фазой и предполагаемой К-фазой.

Таким образом, наиболее «вероятен вид диаграммы равновесия, включающий у-фазу, которая доходит до 59% вес. (56,47% атомн.) Al при температуре перехода жидкость — в+у-эвтектика (480,6°С). Это значение близко к границе существования К-фазы со стороны алюминия, кристаллическая структура которой представляет собой искаженную структуру у-фазы.

Наиболее вероятно, что в рассматриваемой средней части диаграммы равновесия при высоких температурах существуют только в- и у-фазы. у-фаза имеет несколько большую область гомогенности, чем это предполагалось, и переходит в неупорядоченную форму вблизи границы области гомогенности со стороны алюминия, Этот переход, согласно данным Курнакова и Михеевой, связан с заметным изменением направления границы у/(у+в) фаз. Об этом свидетельствует и термическая остановка в области (в+у), обнаруженная, но не рассмотренная Хансеном и Гейлер. Следует отметить также, что максимум температуры превращения в твердом состоянии для у-фазы лежит вблизи состава AlMg.

Наличие в’-фазы в сплавах, медленно охлажденных или закаленных «от температур 370—390° С, был подтвержден «Курниковым и Михеевой. Авторы показали, что при введения в сплав цинка в’-фаза может оказаться достаточно стабильной. Она кристаллизуется в этом «случае непосредственно из расплава. Отсюда было высказано предположение, что в бинарных сплавах эта фаза является метастабильной составляющей. Металлографические исследования, однако, указывают, что в’-фаза может «быть и стабильной составляющей бинарной системы (ввиду недостаточной ясности этого вопроса на диаграмме «равновесия рис. 161 она показана пунктирной линией).

B заключение можно «отметить, что диаграмма равновесия системы Mg—Al, приведенная на рис. 161, по-видимому, лучше всего «отражает несколько противоречивые экспериментальные данные, полученные многими исследователями. Наиболее вероятно, что К-фаза Каваками в системе отсутствует; металлографические данные, полученные Лавесом и Мюллером для наиболее высокотемпературной фазы, скорее всего обусловлены эффектами травления, связанными с превращением в пределах у-фазы.

Периоды решетки первичного твердого раствора алюминия в магнии были рассмотрены выше. Интересно рассмотреть результаты ренгеновского исследования промежуточных фаз. Хотя, согласно данным работ, в-фаза имеет гексагональную структуру, изоморфную с Cu4Cd3, более вероятно, что она обладает очень сложной структурой. Кристаллическая структура (С-фазы неизвестна; ясно лишь, что рентгенограмма этой фазы сложна.

Как уже указывалось, у-фаза имеет кристаллическую структуру типа а-Мn. Согласно Ридареру, который подтвердил данные Лaвeca и др., период решетки у-фазы изменяется линейно от 10,45 А при 52,7% Al до 10,56 А при 40,5% Al. Из рис. 161 видно, что эти значения периодов отвечают границам фазы соответственно со стороны алюминия и магния.

Делингер, исходя из подобия структур у-фазы и а-Мn, пришел к выводу, что данная фаза скорее всего основана на соединении, идеальный состав которого Mg17Al12; элементарная; ячейка в этом случае содержит две «молекулы».

Пельцель измерил плотности сплавов Mg—Al в твердом, и жидком состояниях с целью определения сжатия при затвердевании и изменения удельного объема при образовании сплава, из исходных элементов. Автор нашел, что в сплавах Mg—Al уменьшение объема при затвердевании, составляющее 3,97%, для чистого магния, возрастает с увеличением содержания алюминия вплоть до 32% Al. Далее сжатие несколько уменьшается вблизи состава Mg17Al12 и снова увеличивается при дальнейшей добавке алюминия. Полученные значения приведены в табл. 21.

Более важные данные о сжатии, наблюдаемом при образовании сплавов, т. е. о разнице между наблюдаемыми удельными объемами и рассчитанными по правилу смешения. В табл. 21 приведены эти значения сжатий, а также линейные коэффициенты расширения, полученные при измерениях в твердом состоянии.

Интересно отметить, что как в твердом, так и в жидком состояниях наибольшее сжатие наблюдаются в области составов, соответствующей двум основным интерметаллическим соединениям. )В соединении Mg17Al12 наиболее вероятен гетерополярный характер связей и, по-видимому, аналогичное явление имеет место и в соединении Mg2Al3. С этой точки зрения (т. е. исходя из взаимодействия между атомами компонентов) становится ясным наблюдаемое уменьшение удельных объемов. Интересно отметить также, что характер изменения сжатия с составом почти аналогичен характеру изменения теплоты смешения или образования сплавов, так что факторы, которые обусловливают сжатие, ответственны также и за термохимические эффекты.

Уменьшение удельного объема в значительной степени и в жидком состоянии свидетельствует о наличии взаимодействия между атомами компонентов не только в твердом, но и в жидком состоянии.

Источник

Алюминий и его сплавы: характеристика, свойства, применение

Алюминий — серебристо-белый легкий парамагнитный металл. Впервые получен физиком из Дании Гансом Эрстедом в 1825 году. В периодической системе Д. И. Менделеева имеет номер 13 и символ Al, атомная масса равна 26,98.

Производство алюминия

Для производства алюминия используют бокситы — это горная порода, которая содержит гидраты оксида алюминия. Мировые запасы бокситов почти не ограничены и несоизмеримы с динамикой спроса.

Боксит дробят, измельчают и сушат. Получившуюся массу сначала нагревают паром, а затем обрабатывают щелочью — в щелочной раствор переходит большая часть оксида алюминия. После этого раствор длительно перемешивают. На этапе электролиза глинозем подвергают воздействию электрического тока силой до 400 кА. Это позволяет разрушить связь между атомами кислорода и алюминия, в результате чего остается только жидкий металл. После этого алюминий отливают в слитки или добавляют к нему различные элементы для создания алюминиевых сплавов.

Алюминиевые сплавы

Наиболее распространенные элементы в составе алюминиевых сплавов — медь, марганец, магний, цинк и кремний. Реже встречаются сплавы с титаном, бериллием, цирконием и литием.

Алюминиевые сплавы условно разделяют на две группы: литейные и деформируемые.

Для изготовления литейных сплавов расплавленный алюминий заливают в литейную форму, которая соответствует конфигурации получаемого изделия. Эти сплавы часто содержат значительные примеси кремния для улучшения литейных свойств.

Деформируемые сплавы сначала разливают в слитки, а затем придают им нужную форму.

Прокаткой, если необходимо получить листы и фольгу.
Прессованием, если нужно получить профили, трубы и прутки.
Формовкой, чтобы получить сложные формы полуфабрикатов.
Ковкой, если требуется получить сложные формы с повышенными механическими свойствами.

Марки алюминиевых сплавов

А — технический алюминий;
Д — дюралюминий;
АК — алюминиевый сплав, ковкий;
АВ — авиаль;
В — высокопрочный алюминиевый сплав;
АЛ — литейный алюминиевый сплав;
АМг — алюминиево-магниевый сплав;
АМц — алюминиево-марганцевый сплав;
САП — спеченные алюминиевые порошки;
САС — спеченные алюминиевые сплавы.

М — сплав после отжига (мягкий);
Т — после закалки и естественного старения;
А — плакированный (нанесен чистый слой алюминия);
Н — нагартованный;
П — полунагартованный.

Виды и свойства алюминиевых сплавов

Алюминиево-магниевые сплавы

Эти пластичные сплавы обладают хорошей свариваемостью, коррозийной стойкостью и высоким уровнем усталостной прочности.

В алюминиево-магниевых сплавах содержится до 6% магния. Чем выше его содержание, тем прочнее сплав. Повышение концентрации магния на каждый процент увеличивает предел прочности примерно на 30 МПа, а предел текучести — примерно на 20 МПа. При подобных условиях уменьшается относительное удлинение, но незначительно, оставаясь в пределах 30–35%. Однако при содержании магния свыше 6% механическая структура сплава в нагартованном состоянии приобретает нестабильных характер, ухудшается коррозийная стойкость.

Для улучшения прочности в сплавы добавляют хром, марганец, титан, кремний или ванадий. Примеси меди и железа, напротив, негативно влияют на сплавы этого вида — снижают свариваемость и коррозионную стойкость.

Алюминиево-марганцевые сплавы

Это прочные и пластичные сплавы, которые обладают высоким уровнем коррозионной стойкости и хорошей свариваемостью.

Для получения мелкозернистой структуры сплавы этого вида легируют титаном, а для сохранения стабильности в нагартованном состоянии добавляют марганец. Основные примеси в сплавах вида Al-Mn — железо и кремний.

Сплавы алюминий-медь-кремний

Сплавы этого вида также называют алькусинами. Из-за высоких технических свойств их используют во втулочных подшипниках, а также при изготовлении блоков цилиндров. Обладают высокой твердостью поверхности, поэтому плохо прирабатываются.

Алюминиево-медные сплавы

Механические свойства сплавов этого вида в термоупрочненном состоянии порой превышают даже механические свойства некоторых низкоуглеродистых сталей. Их главный недостаток — невысокая коррозионная стойкость, потому эти сплавы обрабатывают поверхностными защитными покрытиями.

Алюминиево-медные сплавы легируют марганцем, кремнием, железом и магнием. Последний оказывает наибольшее влияние на свойства сплава: легирование магнием значительно повышает предел текучести и прочности. Добавление железа и никеля в сплав повышает его жаропрочность, кремния — способность к искусственному старению.

Алюминий-кремниевые сплавы

Сплавы этого вида иначе называют силуминами. Некоторые из них модифицируют добавками натрия или лития: наличие буквально 0,05% лития или 0,1% натрия увеличивает содержание кремния в эвтектическом сплаве с 12% до 14%. Сплавы применяются для декоративного литья, изготовления корпусов механизмов и элементов бытовых приборов, поскольку обладают хорошими литейными свойствами.

Сплавы алюминий-цинк-магний

Прочные и хорошо обрабатываемые. Типичный пример высокопрочного сплава этого вида — В95. Подобная прочность объясняется высокой растворимостью цинка и магния при температуре плавления до 70% и до 17,4% соответственно. При охлаждении растворимость элементов заметно снижается.

Основной недостаток этих сплавов — низкую коррозионную стойкость во время механического напряжения — исправляет легирование медью.

Авиаль

Авиаль — группа сплавов системы алюминий-магний-кремний с незначительными добавлениями иных элементов (Mn, Cr, Cu). Название образовано от сокращения словосочетания «авиационный алюминий».

Применять авиаль стали после открытия Д. Хансоном и М. Гейлером эффекта искусственного состаривания и термического упрочнения этой группы сплавов за счет выделения Mg2Si.

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью и удовлетворительной коррозионной стойкостью. Из авиаля изготавливают кованые и штампованные детали сложной формы. Например, лонжероны лопастей винтов вертолетов. Для повышения коррозионной стойкости содержание меди иногда снижают до 0,1%.

Также сплав активно используют для замены нержавеющей стали в корпусах мобильных телефонов.

Физические свойства

Плотность — 2712 кг/м 3 .
Температура плавления — от 658°C до 660°C.
Удельная теплота плавления — 390 кДж/кг.
Температура кипения — 2500 °C.
Удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг.
Удельная теплоемкость — 897 Дж/кг·K.
Электропроводность — 37·10 6 См/м.
Теплопроводность — 203,5 Вт/(м·К).

Химический состав алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы
Марка		Массовая доля элементов, %											Плотность, кг/дм³
ГОСТ	ISO 209-1-89	Кремний (Si)	Железо (Fe)	Медь (Cu)	Марганец (Mn)	Магний (Mg)	Хром (Cr)	Цинк (Zn)	Титан (Ti)	Другие		Алюминий не менее
ГОСТ	ISO 209-1-89	Кремний (Si)	Железо (Fe)	Медь (Cu)	Марганец (Mn)	Магний (Mg)	Хром (Cr)	Цинк (Zn)	Титан (Ti)	Каждый	Сумма	Алюминий не менее
АД000	A199,8 1080A	0,15	0,15	0,03	0,02	0,02	0,06	0,02	0,02	99,8	2,7
АД00 1010	A199,7 1070A	0,2	0,25	0,03	0,03	0,03	0,07	0,03	0,03	99,7	2,7
АД00Е 1010Е	ЕА199,7 1370	0,1	0,25	0,02	0,01	0,02	0,01	0,04	Бор:0,02 Ванадий+титан:0,02	0,1	99,7	2,7

Применение алюминия

Ювелирные изделия

В далеком прошлом из-за высокой стоимости алюминия его использовали для изготовления ювелирных изделий. Так, весы с алюминиевыми и золотыми чашами были подарены Д. И. Менделееву в 1889 г.

Когда себестоимость алюминия снизилась, мода на ювелирные изделия из этого металла прошла. Но и в наши дни его используют для изготовления бижутерии. В Японии, например, алюминием заменяют серебро при производстве национальных украшений.

Столовые приборы

По-прежнему пользуются популярностью столовые приборы и посуда из алюминия. В частности, в армии широко распространены алюминиевые фляжки, котелки и ложки.

Стекловарение

Алюминий широко применяют в стекловарении. Высокий коэффициент отражения и низкая стоимость вакуумного напыления — основные причины использования алюминия при изготовления зеркал.

Пищевая промышленность

Алюминий зарегистрирован как пищевая добавка Е173. Ее используют в качестве пищевого красителя, а также для сохранения продуктов от плесени. Е173 окрашивает кондитерские изделия в серебристый цвет.

Военная промышленность

Из-за небольшого веса и низкой стоимости алюминий широко применяют при изготовлении ручного стрелкового оружия — автоматов и пистолетов.

Ракетная техника

Алюминий и его соединения используют в качестве ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твердых ракетных топливах.

Алюмоэнергетика

В алюмоэнергетике алюминий используют для производства водорода и тепловой энергии, а также выработки электроэнергии в воздушно-алюминиевых электрохимических генераторах.

Источник