Вопрос 58

Date: 2015-10-07; view: 552.

Лёгкие конструкционные металлы: магний, алюминий, бериллий, титан и их соединения. Распространённость, основные минералы, методы получения, химические и физические свойства, использование в технике.

Вопрос 57

Конструкционные материалы – это материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами конструкционных материалов являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества конструкционных материалов относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др. Основой конструкционных материалов являются металлические сплавы на основе железа (чугуны и стали), меди (бронзы и латуни), свинца и олова.

Металлы, применяемые в машиностроении для изготовления несущих нагрузку деталей, принято называть конструкционными. Конструкционные металлы подразделяют на лёгкие (Ве, Mg, Al, Ti, V) и тяжёлые (Fe, Co, Ni, Sn, Pb). Металлы различают по плотности: плотность лёгких конструкционных металлов меньше 5 г/см³, тяжёлых – свыше 5000 кг/м³.

Основные характеристики и некоторые физико-химические свойства лёгких конструкционных металлов приведены в табл. 1.

	Be	Mg	Al	Ti	V
Строение внешнего и предвнешнего электронного слоя	…2s2	…3s2	…3s23p1	…3d24s2	…3d34s2
Радиус атома, нм	0,113	0,160	0,143	0,147	0,134
Первый потенциал ионизации, кДж/моль					650,3
Относительная электроотрицательность (по Полингу)	1,50	1,20	1,47	1,45	–
Стандартный электродный потенциал, В, для процесса: Э2+ + 2 = Э0 Э3+ + 3 = Э0 Э4+ + 4 = Э0	-1,85   – –	-2,37   – –	–   -1,66 –	-1,63   – -0,88	-1,175
Степени окисления в соединениях	+2	+2	+3	+2, +3, +4	+2, +3, +4, +5
Плотность, г/см3	1,85	1,74	2,70	4,51	6,11
Температура плавления, 0С
Содержание в земной коре, масс. %	2×10-4	2,09	8,13	0,44	0,015
Цвет в компактном состоянии	Свин-цово-серый	Сере-бристо-белый	Сере-бристый	Сталь-ной	Сере-бристо-серый
Удельная теплоемкость, Дж/(кг×К)	1982,6	1047,5

Бериллий используют в качестве легирующей добавки к сплавам, придающей им повышенную коррозионную стойкость, высокую прочность и твёрдость. Наиболее ценны сплавы Cu-Be (бериллиевые бронзы), содержащие до 2,5 % Ве. Сплавы с бериллием применяют в самолётостроении, электротехнике и др.

Оксид бериллия ВеО применяют в качестве химически стойкого и огнеупорного материала для изготовления тиглей и специальной керамики, а в атомной энергетике – как замедлитель и отражатель нейтронов. Оксид бериллия входит в состав некоторых стеклообразующих смесей.

Магний с металлами образует смеси, твёрдые растворы, интерметаллические соединения. Магниевые сплавы применяются преимущественно в виде литья в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной и полиграфической промышленности и др. Наиболее важный сплав магния – электрон (3-10 % Al, 0,2-3 % Zn, остальное Mg), который благодаря его прочности и малой плотности применяют в ракетной технике и авиастроении. Магний в основном используется для производства «сверхлёгких» сплавов. В металлотермии для производства Ti, Zr, V, U и др. Смеси его порошка с окислителями применяются для осветительных и зажигательных ракет, снарядов, в фото- и осветительной технике.

Оксид магния (жжёная магнезия) используют в качестве наполнителя в производстве резины, для очистки нефтепродуктов, в производстве огнеупорных и строительных материалов.

Алюминий по применению занимает одно из первых мест среди металлов. Это обусловлено его невысокой плотностью, высокой прочностью, способностью пассивироваться. Устойчивость пассивированного алюминия позволяет использовать его для изготовления ёмкостей для хранения и транспортировки азотной кислоты. Из алюминия изготавливают химическую аппаратуру, электрические провода, конденсаторы. Алюминиевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевой и фармацевтической промышленности для упаковки продуктов и медицинских препаратов. Основную массу алюминия используют для получения сплавов: дуралюмин (94 % Al, 4 % Cu, по 0,5 % Mg, Mn, Fe, Si ), силумин (85-90 % Al, 10-14 % Si, 0,1 % Na) и др. Сплавы алюминия широко применяются в автомобилестроении, судостроении, авиационной технике и проч. Как легирующая добавка алюминий вводится во многие сплавы для придания им жаростойкости. Алюминиевые сплавы служат для изготовления корпусов самолётов, вертолётов, ракет, судов различного назначения и др. Они обладают малой плотностью, высокой электро- и теплопроводностью, коррозийной стойкостью и удельной прочностью. Алюминиевые сплавы в зависимости от технологических свойств делят на деформируемые и литейные.

Наибольшее распространение из деформируемых сплавов получили термически упрочняемые с помощью закалки и старения алюминиево-медно-магниевые и алюминиево-магниевые сплавы. Они обладают высокими механическими свойствами, выпускаются в виде прутков, листов, труб, фасонных профилей. Их применяют для средненагруженных деталей типа стоек, крышек, втулок и т.д. К деформируемым относится высокопрочный алюминиево-магниево-цинковый сплав, который применяют для деталей с повышенными статическими нагрузками (валы, зубчатые колеса).

Деформируемыми являются так называемые спеченные алюминиевые сплавы, отличающиеся очень высокими прочностными свойствами (модуль упругости, пределы прочности σ_ut и текучести σ_у). Они бывают двух видов: САП (спеченная алюминиевая пудра) и САС (спеченный алюминиевый сплав). САП упрочняется дисперсными частицами окиси алюминия Al₂O₃, образуемой в процессе помола алюминиевой пудры в атмосфере азота с регулируемой подачей кислорода. Пудру брикетируют, спекают и подвергают деформации – прессованию, прокатке, ковке. Прочность сплава возрастает при увеличении окиси алюминия до 20 – 22%. Сплавы САС содержат до 25% кремния и 5% железа. Их получают распылением жидкого сплава, брикетированием полученных гранул и последующей деформацией. Спеченные алюминиевые сплавы применяют для изготовления высоконагруженных деталей и различных профилей.

Из литейных алюминиевых сплавов наибольшее распространение получили сплавы алюминия с кремнием – силумины. Они обладают хорошими литейными и средними механическими свойствами. Их применяют для изготовления литьем корпусов, крышек, кронштейнов и других сложных средненагруженных деталей.

Алюминий и его сплавы трудно паяются.

Оксид алюминия Al₂O₃ известен в виде различных модификаций. Высокая твёрдость позволяет применять его в виде абразивных материалов, как опорные камни в точных механизмах. В виде искусственных рубинов Al₂O₃ используют в качестве квантовых генераторов (лазеров).

Титан благодаря легкости, высокой термической и коррозионной устойчивости – важный конструкционный металл. Он используется для строительства самолётов, подводных лодок, химических реакторов и проч. Титановые сплавы начинают успешно конкурировать в ряде отраслей техники со сталями и алюминиевыми сплавами, превосходя их по удельной прочности, коррозионной стойкости и по жёсткости. Сплавы на основе титана применяются для изготовления компрессоров авиационных двигателей, аппаратов химической и нефтеперерабатывающей промышленности, медицинских инструментов и др. Введение титана в сплавы придаёт им ценные физико-химические свойства. Так, добавка в сталь 0,1 % Ti придаёт ей твёрдость и эластичность.

Диоксид титана TiO₂ вследствие химической инертности используется в качестве наполнителя в производстве пластмасс, красок, резины.

Распространенность в земной коре: Алюминий - 7,45%, Магний – 2,35%, Титан – 0,61%, Бериллий – 0,006%