Атомные характеристики и некоторые физико-химические свойства

Date: 2015-10-07; view: 490.

Тяжёлые конструкционные металлы: хром, марганец, железо, кобальт, никель и их соединения. Распространённость, основные минералы, методы получения, химические и физические свойства, использование в технике.

Вопрос 59

Основные характеристики и некоторые физико-химические свойства тяжёлых конструкционных металлов приведены в табл. 2.

Fe, Co, Ni, Sn, Pb

Свойство	Fe	Co	Ni	Sn	Pb
Строение внешнего и предвнешнего электронного слоя	3d64s2	3d74s2	3d84s2	5s25p2	6s26p2
Радиус атома, нм	0, 126	0, 125	0, 124	0, 162	0, 175
Первый потенциал ионизации, кДж/моль	7, 893	7, 866	7, 635	7, 343	7, 416
Относительная электроотрицательность (по Полингу)	1, 64	1, 70	1, 75	1, 72	1, 55
Стандартный электродный потенциал, В, для процесса: Э+ + = Э0 Э2+ + 2 = Э0 Э3+ + 3 = Э0 Э4+ + 4 = Э0	- - 0, 44   - 0, 03 -	- - 0, 27   + 0, 4 -	- - 0, 25   - -	- - 0, 13   - 0, 009	- - 0, 12   - 0, 80
Степени окисления в соединениях	+2, +3, +6	+2, +3	+2, +3, +4	+2, +4	+2, +4
Плотность, г/см3	7, 87	8, 84	8, 90	5, 846 (a-Sn) 7, 295 (b-Sn)	11, 33
Температура плавления, 0С				231, 9	327, 4
Содержание в земной коре, масс. %	4,65	4×10-3	8×10-3	4×10-3	16×10-4
Цвет в компактном состоянии	сереб-ристо-серый	сереб-ристо-серый	сереб-ристо-серый	сереб-ристо-белый	сине-вато- серый
Удельная теплоемкость, Дж/(кг× К)				222 (a-Sn) (b-Sn)	127, 6

Железо - основной металл для изготовления различных металлоконструкций и металлоизделий. Применяется в виде железоуглеродистых сплавов, например чугуны (2-4 % углерода) и стали (до 2 % углерода). Чугуны широко применяются в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200 °С в окислительных средах, и др. Развитие авиационной техники потребовало создания новых жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой основах; сталей; титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высоких температурах. Совершенствование техники на каждом этапе развития предъявляет новые, непрерывно усложнявшиеся требования к конструкционным материалам (температурная стойкость, износостойкость, электрическая проводимость и др.).

Физико-химические свойства сплавов железа изменяются как в результате термической обработки, так и при добавлении легирующих компонентов (Cr, Mn, Ni, Co, Ti, W, Mo, Cu, Si, B, V, Zr и др.). Железо и его соединения используются как катализаторы, например при производстве аммиака.

Железоуглеродистые сплавы на основе железа относят к черным металлам. В зависимости от содержания углерода эти сплавы делят на стали – до 2,14% углерода и чугуны – свыше 2,14% углерода.

Чугуны - это сплавы железа с углеродом, содержащие постоянные

примеси марганца, кремния, фосфора и серы, а также при необходимости легирующие элементы.

В зависимости от структуры и состояния, в котором находится углерод (свободный или химически связанный), различают серые, белые и ковкие чугуны. Чугуны также классифицируют в зависимости от назначения – на конструкционные и со специальными свойствами; и от химического состава – на легированные и нелегированные.

Как конструкционный материал наиболее широко применяются серые чугуны, в которых весь углерод находится в свободном состоянии в виде включений графита пластинчатой формы. Они обладают средней прочностью, хорошими литейными и другими технологическими свойствами (жидкотекучестью, малой линейной усадкой, обрабатываемостью резанием), малочувствительны к концентрации переменных напряжений, антифрикционны.

В белых чугунах избыточный углерод, не растворившийся в твердом растворе железа, присутствует в виде карбидов железа. Вследствие низких механических свойств – высокой хрупкости и твердости, плохой обрабатываемости резанием – белые чугуны не применяются в качестве конструкционных материалов.

Ковкий чугун получают из белого путем последующего отжига до распада графита в виде хлопьев. Детали из него могут подвергаться незначительным деформациям. Они обладают меньшей по сравнению с деталями из серого чугуна хрупкостью, но стоят на 30 … 100% дороже.

Высокопрочный чугун характеризуется шаровидной или близкой к ней формой включений графита, которую получают модифицированием жидкого чугуна присадками магния. Шаровидный графит в наименьшей мере ослабляет металлическую основу, что приводит к высоким механическим свойствам. Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и эксплуатационными свойствами.

Для улучшения прочностных характеристик и получения особых эксплуатационных свойств: износостойкости, немагнитности, коррозионной стойкости и т.д., в состав чугунов вводят легирующие элементы (никель, хром, медь, алюминий, титан и др.). Легирующими элементами могут служить также марганец (при содержании более 2%) и кремний (более 4%).

Стали– это деформируемые сплавы железа с углеродом и другими

элементами.

По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали содержат кроме железа и углерода также марганец (до 1%) и кремний до (0,8%), а также примеси, от которых трудно избавиться в процессе выплавки – серу и фосфор. Сера и фосфор снижают механические свойства сталей: сера увеличивает хрупкость в горячем состоянии (красноломкость), а фосфор – при пониженных температурах (хладноломкость). В зависимости от содержания углерода различают низко- (С ≤ 0,25%), средне- (0,25 < С ≤ 0,6%) и высокоуглеродистые (C > 0,6%) стали.

В состав легированных сталей помимо указанных компонентов для улучшения технологических и эксплуатационных характеристик и придания особых свойств вводят легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий и др.). Легирующими элементами могут быть также марганец при содержании более 1% и кремний – более 0,8%.

По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Наиболее широко применяют конструкционные стали. Они бывают как углеродистыми (С ≤ 0,7%), так и легированными. Инструментальные стали служат для изготовления режущего, ударно-штампового и мерительного инструментов. Они бывают углеродистыми (С ≥ 0,8 … 1,3%) и легированными хромом, марганцем, кремнием и другими элементами. К сталям с особыми свойствами относят нержавеющие, немагнитные, электротехнические стали, стали постоянных магнитов и др.

По качеству стали делят на обыкновенные, качественные, высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных (сера и фосфор) примесей. Так, в сталях обыкновенного качества допускается содержание серы до 0,06% и фосфора до 0,07%; в качественных – каждого элемента не более 0,035%; а в высококачественных – не более 0,025%.

Легированными называют стали, в состав которых для придания им специальных свойств вводят легирующие элементы. Они по-разному влияют на свойства стали: марганец повышает прочность и износостойкость; кремний увеличивает упругие характеристики стали; хром повышает коррозионную стойкость, твердость, прочность, жаропрочность; никель снижает коэффициент линейного расширения, повышает прочность и износостойкость; вольфрами молибден повышают прочность и твердость, улучшают режущие свойства при повышенной температуре.

Обладая хорошими механическими характеристиками, стали являются наиболее распространенным конструкционным материалом.

Кобальт в виде сплавов широко используется как жаропрочный и жаростойкий материал. Сплав виталлиум (65 % Со, 28 % Cr, 3 % Ni, 4 % Mo) применяют для изготовления деталей реактивных двигателей и газовых турбин. Сплав алнико (50 % Fe, 24 % Co, 14 % Ni, 9 % Al, 3 % Cu) применяется для изготовления постоянных магнитов. Для изготовления режущего инструмента используют сверхтвёрдые сплавы, представляющие собой сцементированные кобальтом карбиды вольфрама (сплавы ВК) и титана (сплавы ТК). Кобальт имеет большое значение как легирующая добавка к сталям.

Никель используется для получения сплавов и легирования сталей (нержавеющих, бронебойных, жаростойких и др.). Жаропрочный сплав инконель (73% Ni, 15% Cr, 7% Fe, 2,4% Ti, остальное – Al, Nb, Mn, Si). Сплавы нихромы (например, состава 80% Ni, 20% Cr) широко применяются в качестве материалов нагревательных элементов в электротехнике. Из никеля изготавливают специальную аппаратуру химических производств, конструкционные детали для ракетной, газотурбинной и атомной техники. Никель применяется также для изготовления декоративно-защитных покрытий (никелирование). Никель и его соединения используются в качестве катализаторов в органическом синтезе. Никелевые сплавы и кобальтовые сплавы применяются в авиационных и ракетных двигателях; паровых турбинах; аппаратах, работающих в агрессивных средах, и др.

Олово используется, главным образом, для лужения железа – получения белой жести, которая расходуется в основном в консервной промышленности. Оловянная фольга (станиоль) применялась для изготовления конденсаторов (сейчас олово заменяют алюминиевой фольгой).

Свинец используется для изготовления аккумуляторных пластин, обкладок электрических кабелей, применяется для защиты от радиоактивных и рентгеновских излучений, в качестве коррозионно-стойкого материала используется в химической промышленности. И олово, и свинец применяются для изготовления легкоплавких сплавов.