Алюминиевые и магниевые сплавы

      Титан. Основная задача титана в сплавах - измельчение зерна в отливках и слитках, что очень повышает прочность и равномерность свойств во всём объёме. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Применение

 

      Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую  коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах  многих солей и химикатов и в большинстве пищевых продуктов. Последнее свойство в сочетании с тем, что алюминий не разрушает витамины, позволяет широко использовать его в производстве посуды. Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют в морской воде. Алюминий в большом объёме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию. Алюминий также широко применяется в машиностроении, т.к. обладает хорошими физическими качествами.

      Но  главная отрасль, в настоящее  время просто не мыслимая без использования  алюминия – это, конечно, авиация. Именно в авиации наиболее полно нашли применение всем важным характеристикам алюминия

      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.

      На  практике очень широкое применение получил так называемый термит - смесь оксида железа Fe₃O₄ с алюминием. При поджоге данной смеси с помощью магниевой ленты происходит бурная реакция с обильным выделением тепла. 
 

      8Al + 3Fe₃O₄ ® 4Al₂O₃ + 9Fe  

      Данный  процесс используют при сварке. Иногда для получения некоторых чистых металлов в свободном виде.

      Есть  также иное использование данной реакции - если обратить внимание на соединение железа до реакции и его состояние  после реакции, то можно заметить, что до начала реакции это был  оксид железа - а именно - ржавчина, а после реакции - чистое восстановленное железо. Этот эффект используют для химической защиты и удаления ржавчины.

      Поэтому алюминий очень широко используется в технике не только как основа легких сплавов, но и как раскислитель сталей, для восстановления металлов из оксидов (алюмотермия - см. пример выше), в электротехнике.

      Алюминий  в технике также используют для  насыщения поверхности стальных и чугунных изделий с целью  защиты этих изделий от коррозии - этот процесс называется алитирование.

      Тонкая  алюминиевая фольга используется как  упаковочный материал для продуктов  питания (например шоколада), более  толстая - для изготовления банок  для напитков. 

      Алюминиевые сплавы обладают малой плотностью (2,5 - 3,0 г/см³) в сочетании с достаточно хорошими механическими свойствами и удовлетворительной устойчивостью к окислению. По своим прочностным характеристикам и по износостойкости они уступают сталям, некоторые из них также не обладают хорошей свариваемостью, но многие из них обладают характеристиками, превосходящими чистый алюминий.

      Особо выделяются алюминиевые сплавы с  повышенной пластичностью, содержащие до 2,8% Mg и до 2,5% Mn - они обладают большей, чем чистый алюминий прочностью, легко поддаются вытяжке, близки по коррозионной стойкости к алюминию.  
 
 

      Дуралюмины - от французского слова dur - твердый, трудный и aluminium - твердый алюминий. Дуралюмины - сплавы на основе алюминия, содержащие:

• 1,4-13% Cu,
• 0,4-2,8% Mg ,
• 0,2-1,0% Mn ,
• иногда 0,5-6,0% Si ,
• 5-7% Zn ,
• 0,8-1,8% Fe ,
• 0,02-0,35% Ti и др.

      Дуралюмины - наиболее прочные и наименее коррозионно-стойкие  из алюминиевых сплавов. Склонны  к межкристаллической коррозии. Для  защиты листового дуралюминия от коррозии его поверхность плакируют¹ чистым алюминием. Они не обладают хорошей свариваемостью, но благодаря своим остальным характеристикам применяются везде, где необходима прочность и легкость. Наибольшее применение нашли в авиастроении для изготовления некоторых деталей турбореактивных двигателей.  

      Магналии - названы так из-за большого содержания в них магния (Mg), сплавы на основе алюминия, содержащие:

• 5-13% Mg ,
• 0,2-1,6% Mn ,
• иногда 3,5-4,5% Zn ,
• 1,75-2,25% Ni ,
• до 0,15% Be ,
• до 0,2% Ti ,
• до 0,2% Zr и др.

 
 
 

      Магналии  отличаются высокой прочностью и  устойчивостью к коррозии в пресной  и даже морской воде. Магналии также хорошо устойчивы к воздействию азотной кислоты HNO₃ , разбавленной серной кислоты H₂SO₄ , ортофосфорной кислоты H₃PO₄ , а также в средах, содержащих SO₂ .

      Применяются как конструкционный материал в :

• авиастроении;
• судостроении;
• машиностроении (сварные баки, заклепки, бензопроводы, маслопроводы);
• для изготовления арматуры строительных сооружений;
• для изготовления деталей холодильных установок;
• для изготовления декоративных бытовых предметов и др.

 

      При содержании Mg выше 6% магналии склонны к межкристаллической коррозии. Обладают более низкими литейными свойствами, чем силумины.  

      Силумины - сплавы на основе алюминия с большим содержанием кремния (Si).

      В состав силуминов входят:

• 3-26% Si ,
• 1-4% Cu ,
• 0,2-1,3% Mg ,
• 0,2-0,9% Mn ,
• иногда 2-4% Zn ,
• 0,8-2% Ni ,
• 0,1-0,4% Cr ,
• 0,05-0,3% Ti и др.

 

      При своих относительно невысоких прочностных  характеристиках силумины обладают наилучшими из всех алюминиевых сплавов  литейными свойствами. Они наиболее часто используются там, где необходимо изготовить тонкостенные или сложные по форме детали.

      По  коррозионной стойкости занимают промежуточное  положение между дуралюминами и  магналиями.

      Нашли свое основное применение в:

• авиастроении;
• вагоностроении;
• автомобилестроении и строительстве сельскохозяйственных машин для изготовления картеров, деталей колес, корпусов и деталей приборов.

 

      САП - сплавы, состоящие из Al и 20-22% Al₂O₃ .

      Получают  спеканием окисленного алюминиевого порошка. После спекания частицы  Al₂O₃ играют роль упрочнителя.

      Прочность данного соединения при комнатной температуре ниже, чем у дуралюминов и магналиев, но при температуре превышающей 200 °С превосходит их.

      При этом САП обладают повышенной стойкостью к окислению, поэтому они незаменимы там, где температура эксплуатации превышает 400 °С . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      2. Магниевые сплавы 

       2.1 Химические свойства  магния 

      Название  «магнезия» встречается уже в III веке н.э., хотя не вполне ясно, какое вещество оно обозначает. Долгое время магнезит - карбонат магния - ошибочно отождествляли с известняком - карбонатом кальция. Слово магнезия происходит от названия одного из Греческих городов - Магнесии. До XVIII века соединения магния считали разновидностями кальциевых или натриевых солей. Открытию магния способствовало изучение состава минеральных вод. В 1695 году английский врач Крю сообщил, что им выделена из воды эпсомского минерального источника соль, обладающая лечебными свойствами, и вскоре был доказан её индивидуальный характер. Затем стали известны и другие соединения магния. Карбонат магния получил название "белая магнезия", в отличие от «чёрной магнезии» - оксида марганца. Отсюда и созвучие названий металлов, выделенных впоследствии из этих соединений.

      Впервые магний был получен Деви (XIX в.) из окиси магния. Бюсси, Либих, Девильс, Карон и др получали магний действием паров калия или натрия на хлористый магний.

      В 1808 г. английский химик Г. Деви электролизом увлажнённой смеси магнезии и  оксида ртути получил амальгаму  неизвестного металла, которому и дал  название "магнезии", сохранившееся до сих пор во многих странах. В России с 1831 года принято название "магний". В 1829 г. Французский химик А. Бюсси получил магний, восстанавливая его расплавленный хлорид калием. Следующий шаг к промышленному получению сделал М. Фарадей. В 1830 г. он впервые получил магний электролизом расплавленного хлористого магния.

      Промышленное  производство магния электролитическим  способом предпринято в Германии в конце XIX в. Перед второй мировой  войной началось освоение термических  способов получения магния.

      В настоящее время наряду с развитием  электролитического способа совершенствуются силикотермический и карботермический способы получения магния. На первой стадии развития магниевой промышленности в качестве сырья применяли хлористые  соли карналлит, природные рассолы, хлоромагниевые щёлочи калийной промышленности.

Сейчас наряду с  хлористыми солями широко используют доломит и магнезит. Большой интерес  представляет применение в качестве сырья для производства магния из морской воды. В России электролитический метод получения магния впервые разработал П.П. Федотьев в 1914 г. в Петроградском политехническом институте. В 1931 г. в Ленинграде вступил в строй первый опытный магниевый завод. Промышленное производство магния в СССР начато в 1935 г. 

₊₁₂Mg )))  1S²  2S²     2P⁶       3S²  3P⁰ –электронная формула нормального атома

     282    

При затрате необходимой  энергии один из электронов переходит  в P-состояние, т.е. оба электрона  становятся неспаренными. Поэтому магний проявляет степень окисления +2. 

3S²-валентные электроны 

1S²     2S²     2P⁶       3S¹        3P¹

                                        - электронная формула возбуждённого атома 

₊₁₂Mg +P¹²,n⁰12

 e12

         Строение внешней электронной  оболочки магния, обладающей структурой 3S², с двумя слабо связанными электронами объясняет восстановительный характер типичных реакций, в которых магний переходит в двухвалентный катион Mg²⁺. Благодаря большому химическому сродству к кислороду, магний способен отнимать кислород у многих окислов и хлор у хлоридов. Это свойство в последнее время используется при магниетермическом получении титана, циркония, урана. При комнатной температуре на воздухе компактный магний химически стоек.  На его поверхности образуется окисная пленка, предохраняющая от окисления. При нагревании химическая активность магния возрастает. Считается, что верхний температурный предел устойчивости магния в кислороде находится в интервале 350-400 ^оС.  Кипящую воду магний разлагает с выделением водорода. 

         На магний не оказывает  заметного действия  дистиллированная вода,  фтористоводородная  кислота  любой  концентрации, хромовая кислота,  водные растворы фтористых солей  и  др.