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 бв/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 МеНn·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. 
 

     
  1. 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. 
 

     
  1. Применение.
 

    Сплав алюминия с цирконием нашел широкое  применение в качестве жилы в кабельных изделиях. В Японии, например, для воздушных линий электропередач применяют голый многопроволочный кабель, в котором центральный пучок стальных жил обмотан жилами из жаропрочного алюминиевого сплава марки TACSR. Преимущества проволок из алюминиевых сплавов наиболее полно проявляются в собирательных шинах на электрических подстанциях, так как здесь увеличение потерь на нагрев и величина провисания не имеют большого значения. В электротехнических изделиях часто используются алюминиевые сплавы, обладающие повышенным удельным электрическим сопротивлением. Так, короткозамкнутые роторы ('беличьи клетки асинхронных двигателей) обычно заливают алюминием, имеющим в литом виде удельное электрическое сопротивление около 0,03 ом • мм2/м.

    Сплавы  Al-Zr находят применение в сетках катодных электровакуумных ламп.

      Новое поколение линий электропередачи Американская компания 3М разработала новый композитный провод для высоковольтных воздушных линий электропередачи, который способен передавать в 2 - 3 раза больше мощности по сравнению с обычным проводом такого же сечения при одновременном улучшении механических и прочностных характеристик. Новый продукт принял название ACCR — Алюминиевый композитный интенсивный провод (Aluminum Conductor Composite Reinforced). Кроме улучшенной пропускной способности ACCR владеет меньшей массой, большей прочностью, более высокой температуростойкостью и устойчивостью к провисанию, по сравнению с существующими аналогами. Композитный провод более устойчив к ржавчине, владеет повышенным сопротивлением усталости и безвреден для окружающей среды (отсутствие экологической деградации). Это изобретение является воистину революционным и считается первым важным прорывом в области проводов воздушных ЛЭП с тех пор, как в начале 20 столетия появился широко применяемый сталеалюминиевый провод. Алюминиевый композитный провод прошел масштабные лабораторные и линейные испытания при финансировании Министерства Энергетики США и с 2005 года введен в коммерческую использование. В данный момент семь основных энергетических сетей общего применения Соединенных Штатов применяют проводник ACCR, либо располагаются в процессе его установки. С 2007 года новое изобретение стало доступно в Российской Федерации. Структура алюминиевого композитного усиленного провода ACCR является витым многожильным проводом, который состоит из сердечника и внешних токоведущих жил. Композитный сердечник образуют несколько проволок диаметром от 1,9 до 2,9 мм. Каждая проволока представляет собой алюминий высокой чистоты, в который внедрены более 25000 микрометровых непрерывных продольных волокон оксида алюминия (Al 2O3).

    Внешние токоведущие жилы провода ACCR состоят  из температуроустойчивого сплава алюминий-цирконий (Al-Zr). Какие основные преимущества несет собой новое изобретение, и как они связаны с проблемами энергетики Российской Федерации? Новые ЛЭП на старых опорах Известно, что многие регионы нашей страны сталкиваются с проблемой ограниченной пропускной способности ЛЭП. Согласно данным РАО перечень регионов включает 16 районов, в числе которых Московская, Ленинградская, Нижегородская, Архангельская, Волгоградская области, Краснодарский и Пермский край, республика Коми, Карелия, Тыва, Дагестан и другие. Уже сегодня энергопотребление данных районов в несколько раз превышает величины, заложенные в Энергетической общие направления действий РФ до 2020 года, и потребление электрической энергии в них постоянно повышается. В данных условиях электросетевые компании вынуждены модифицировать существующие сети — либо путем строительства параллельных линий, либо при помощи переноса дополнительной нагрузки на провода большего сечения. Первое требует беспрецедентных вложений, времени и получения разрешений на установку новых линий. Второе оказывается не всегда возможным, так как сталеалюминиевый провод большого сечения владеет такой массой, на которую старые опоры часто не рассчитаны, что наконец, приводит к необходимости инсталляции новых опор ЛЭП большего размера. Организация строительства новых опор может обернуться серьезными проблемами в плотно населенных областях, областях частных земель, в национальных парках, заповедниках и других зонах с запретом на строительство. Например, в горных областях подготовить площадки для опор высоковольтных линий электропередачи и проложить к ним дороги чрезвычайно трудно и дорого из-за того, что приходится производить большой объем буровзрывных работ. В таких ситуациях приходит на поддержку новый проводник. ACCR владеет малым весом — всего на 20% тяжелее чистого алюминия. Он достаточно легко определяется на имеющиеся опоры. В итоге жизнь старых конструкций продлевается, территория сохраняется от застройки, полоса пропускания линии электропередачи сильно повышается, а энергосетевая компания экономит миллионы $ и время, часто измеряемое годами. Решение проблемы обрыва высоковольтных проводов из-за превышения допустимой величины провисания В условиях пиковых нагрузок типовой стальной сердечник перегревается и увеличивается, провод растягивается под действием собственной массы и провисает ниже допустимой величины, что часто приводит к его обрыву или замыканию на землю. Эта ситуация усугубляется при сильных снегопадах — провод обрывается под массой налипающего на него снега. В декабре 2006 г. авария в итоге такого обрыва высоковольтной ЛЭП в одном из районов Дагестана оставила без электричества 471 000 человек. Из-за сложных географических и метеоусловий этом районе (скалистые горы, сильные ветра и снегопады) доступ аварийно- восстановительных бригад к месту повреждения был затруднен, и целый район оставался без электрической энергии в течение нескольких дней, ожидая ликвидации повреждения. Частые обрывы линий электропередачи из-за образования наледи характерны для Краснодарского края. Они ставят под удар развитие инфраструктуры города Сочи, находящегося в числе претендентов на проведение зимней Олимпиады 2014 года и подвергают опасности функционирование социально значимых объектов края. Так, в итоге обрыва линий электропередачи 30 января 2007 года, без электрической энергии более чем на сутки остались 400 тысяч жителей г.Сочи, Туапсинского и Апшеронского районов Краснодарского края. Среди них медицинские, детские и образовательные учреждения. По состоянию на 31 января 2007г., снабжение данных городов электроэнергией прерывалось более 3-х раз. В данных условиях проблему может решить использование композитного провода ACCR, который владеет низким температурным коэффициентом линейного расширения и высокими прочностными характеристиками, и поэтому менее подвержен удлинению, чем провода со стальными сердечниками. Это разрешает сильно увеличить рабочую температуру без риска провисания и разрушения провода. Местности с повышенными запросами к длине пролета При планировании новых линий на основе ACCR высокая устойчивость к провисанию разрешает увеличить длину пролета. Это критично, большей частью, в прибрежных областях, при пересечении линией электропередачи рек, озер, горных ущелий и каньонов. Линии электропередачи, проходящие через заповедники и национальные парки В данный момент в Российской Федерации около 335 тыс. кв. км. природных заповедников и 70 тыс. кв. км. национальных парков. Неизбежно появляются ситуации, когда по территории заповедника проходит линия электропередачи. Такие линии часто строились еще в середине прошлого столетия, и были рассчитаны на небольшую заселенность обслуживаемых территорий. Но со временем район развивается, плотность населения в нем возрастает, и мощности существующих линий становится недостаточно. Типичным примером такого региона является тот же Краснодарский край. Стремительное наращивание объемов строительства рискует погубить исключительный Кавказский заповедник и Сочинский национальный парк. Чтобы сохранить природу и сделать изменение в соответствии с современными требованиями ЛЭП как можно менее ощутимой для окружающей среды используется ACCR. Строительства новых линий не требуется, необходимо заменить только провод. Замена провода довольно не сложна, не занимает много времени и никак не меняет вид местности и ее экологическое состояние. Зоны с агрессивными внешними условиями Новый проводник великолепно показал себя в экстремальных условиях, таких как чрезвычайно низкие или высокие температуры, повышенная влажность, влияние соленой воды, сильные ветры, вибрация, УФ-излучение. Использование ACCR в данных условиях поможет сильно снизить расходы на ремонт линий и частую замену подвергающихся ржавчины участков. Итак, описанное выше решение, безусловно, является заманчивым выбором в проектах по повышению пропускной способности сетей. Жизнеспособность и технические характеристики ACCR уже доказаны многолетними испытаниями в реальных условиях при участии самых авторитетных энергетических организаций Америки и Европы, а также первыми коммерческими внедрениями. В данный момент провод предлагается использовать, прежде всего, для ликвидации особенно проблемных участков, так как его стоимость довольно высока. Благоприятные возможности для композитных проводов располагаются по всему земному шару, везде, где есть нужда в увеличении плотности существующей инфраструктуры — по оценкам экспертов, полный объем рынка превышает 50 млрд. $ США. Для использования ACCR в Российской Федерации понадобится ряд процедур по сертификации и локализации продукта которые, как мы надеемся, он успешно преодолеет, и в скором времени мы сможем воспользоваться преимуществами нового продукта в нашей стране.  

     
  1. Выводы.

    В ходе исследовательской работы были получены следующие результаты:

  1. Были обработаны литературные и интернет – источники.
  2. Определены основные физико - химические характеристики сплава Al-Zr.
  3. Литературные данные показали, что сплав Al-Zr имеет следующие особенности:
    • сохраняет свои свойства ( в том числе прочность ) при температуре до 210 oC, с пиковыми нагрузками до 240 oC;
    • является коррозийно устойчивым.
  1. Анализ литературных данных указывает на востребованность данного сплава в настоящее время. Особенно актуален сплав Al-Zr при производстве алюминиевых композитных интенсивных проводов.

            
 
 
 
 
 

         Литература.

              Книги и монографии:

  1. Алюминиевые сплавы. Применение алюминиевых сплавов. Справочное руководство. Редакционная коллегия И.В. Горынин и др. Москва «Металлургия», 1978.
  2. Алюминий. Свойства и физическое металловедение. Справочник. Дж.Е.Хэтч. Москва, «Металлургия», 1989.
  3. В.А.Рабинович, З.Я.Хавин “Краткий химический справочник”
  4. Алюминий. Н.Г.Ключников, А.Ф.Колодцев. Учпедгиз, 1958.
  5. Краткий справочник по машиностроительным материалам М.,

    «Государственное  научно-техническое издательство машиностроительной литературы» 1963.

  1. Гуляев  А.  П.  Металловедение:  М.,  «  Государственное   научно-

            техническое издательство ОБОРОНГИЗ» 1963

          Интернет – ссылки:

  1. Википедия. Алюминий, цирконий. http://ru.wikipedia.org
  2. Алюминиевый композитный интенсивный провод (ACCR) http://www.vsesmi.ru
  3. Алюминий, цирконий. http://webelements.narod.ru

Методы получения и физико-химические свойства сплавов системы Al-Zr 📙 Курсовая → 🆔 128720

Методы получения и физико-химические свойства сплавов системы Al-Zr 📙 Курсовая → 🆔 128720

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