Какие изделия изготавливаются из сплава железа с алюминием?

• Обозначение — Al (Aluminium);
• Период — III;
• Группа — 13 (IIIa);
• Атомная масса — 26,981538;
• Атомный номер — 13;
• Радиус атома = 143 пм;
• Ковалентный радиус = 121 пм;
• Распределение электронов — 1s22s22p63s23p1;
• t плавления = 660°C;
• t кипения = 2518°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,61/1,47;
• Степень окисления: +3, 0;
• Плотность (н. у.) = 2,7 г/см3;
• Молярный объем = 10,0 см3/моль.

Алюминий (квасцы) впервые был полуен в 1825 году датчанином Г. К. Эрстедом. Изначально, до открытия промышленного способа получения, алюминий был дорооже золота.
Алюминий является самым распространенным металлом в земной коре (массовая доля составляет 7-8%), и третьим по распространенности среди всех элементов после кислорода и кремния. В свободном виде в проироде алюминий не встречается.

Важнейшие природные соединения алюминия:

• алюмосиликаты — Na2O·Al2O3·2SiO2; K2O·Al2O3·2SiO2
• бокситы — Al2O3·nH2O
• корунд — Al2O3
• криолит — 3NaF·AlF3

Алюминий в Периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева, стоит под номером «13», относится к 13(IIIа) группе (См. Атомы 13(IIIа) группы).

Рис. Строение атома алюминия.

Алюминий химически активный металл — на его внешнем электронном уровне находятся три электрона, которые участвуют в образовании ковалентных связей при взаимодействии алюминия с другими химическими элементами (см. Ковалентная связь). Алюминий — сильный восстановитель, во всех соединениях проявляет степень окисления +3.

При комнатной температуре алюминий вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в атмосферном воздухе, с образованием прочной оксидной пленки, которая надежно препятствует процессу дальнейшего окисления (корродирования) металла, в результате чего химическая активность алюминия снижается.

Благодаря оксидной пленке алюминий не вступает в реакцию с азотной кислотой при комнатной температуре, поэтому, алюминиевая посуда является надежной тарой для хранения и трансопртирования азотной кислоты.

Физические свойства алюминия:

• металл серебристо-белого цвета;
• твердый;
• прочный;
• легкий;
• пластичный (протягивается в тонкую проволоку и фольгу);
• обладает высокой электро- и теплопроводностью;
• температура плавления 660°C
• природный алюминий состоит из одного изотопа 2713Al

Химические свойства алюминия:

• при снятии оксидной пленки алюминий реагирует с водой: 2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2;
• при комнатной температуре вступает в реакции с бромом и хлором с образованием солей: 2Al + 3Br2 = 2AlCl3;
• при высокой температуре алюминий реагирует с кислородом и серой (реакция сопровождается выделением большого кол-ва тепла): 4Al + 3O2 = 2Al2O3 + Q; 2Al + 3S = Al2S3 + Q;
• при t=800°C реагирует с азотом: 2Al + N2 = 2AlN;
• при t=2000°C реагирует с углеродом: 2Al + 3C = Al4C3;
• восстанавливает многие металлы из их оксидов — алюмотермией (при t до 3000°C) получают промышленным способом вольфрам, ванадий, титан, кальций, хром, железо, марганец: 8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe;
• с соляной и разбавленной серной кислотой реагирует с выделением водорода: 2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2; 2Al + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2;
• с концентрированной серной кислотой реагирует при высокой температуре: 2Al + 6H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O;
• со щелочами реагирует с выделением водорода и образованием комплексных солей — реакция идет в несколько этапов: при погружении алюминия в раствор щелочи происходит растворение прочной защитной оксидной пленки, которая находится на поверхности металла; после растворения пленки, алюминий, как активиный металл, реагирует с водой с образованием гидроксида алюминия, который взаимодействует со щелочью, как амфотерный гидроксид: Al2O3+2NaOH = 2NaAlO2+H2O — растворение оксидной пленки;
• 2Al+6H2O = 2Al(OH)3+3H2↑ — взаимодействие алюминия с водой с образованием гидроксида алюминия;
• NaOH+Al(OH)3 = NaAlO2+2H2O — взаимодействие гидроксида алюминия со щелочью
• 2Al+2NaOH+2H2O = 2NaAlO2+3H2↑ — суммарное уравнение реакции алюминия со щелочью.

Железо: примесь и легирующий элемент

Железо является главной и наиболее опасной примесью в большинстве промышленных литейных и деформированных алюминиевых сплавов. Поэтому содержание железа в алюминиевых сплавах строго ограничивают, в некоторых сплавах – до 0,05 %.

С другой стороны, железо является главным компонентом в материалах на основе алюминия, которые производят с применением новых технологий. Например, в аморфных и нанокристаллических сплавах содержание железа составляет более 10 %. Эти материалы обладают рекордным уровнем прочности до 1500 МПа.

Изготовление

Сплав создаётся из отходов дюрали, алюминия и железа путём алитирования. В жаростойкую ёмкость (электродуговую печь) засыпают, очищенные от окалин и грязи, куски стали (степень очистки 99%), 49% смесь Al или алюминиевого сплава, содержащего 2% хлористого аммония, а затем спекают в атмосфере аргона. Температура термообработки может составлять от +9000С до +15000С.

Нагрев ёмкости осуществляют подачей тока на нагревательные элементы или через саму конструкцию, при условии её высокого омического сопротивления.

После нагрева выбирают оптимальный способ отжига, в зависимости от состава компонент, с последующим естественным охлаждением.

Источники примесей в алюминии

Обычный алюминий и его сплавы неизбежно содержат примеси, то есть химические элементы, которые специально не вводят в состав сплава. Примеси, включая железо, имеют различное происхождение. Они могут попадать из руды, могут входить в металл в процессе электролиза и не всегда полностью удаляются в процессе производства и рафинирования первичного алюминия. Примеси могут возникать в процессе плавления и разливки из-за загрязнения шихты, взаимодействия металла с футеровкой и флюсами, а также из-за растворения элементов литейного оборудования и литейного инструмента. Кроме того, большое количество примесей может поступать при переплавке алюминиевых отходов.

Сварка алюминия со сталью аргонодуговым способом

Перед началом сварочного процесса кромки металлов рекомендуется очистить и нанести на них защитное покрытие. Самое доступное по цене из них — цинковое.

Присадочный материал в этом случае — проволока марки АД1 из алюминия с присадкой кремния (он хорошо влияет на формирование диффузионной прослойки стабильного качества) или проволока из сплава АК-5.

Важно! АМг-6 не рекомендуют применять, поскольку эта присадка дает низкую прочность сварного шва.

Чтобы подготовить стальную деталь к сварке, для стыкового соединения нужно скосить кромки под углом 70° для максимальной прочности соединения.

Кромки нужно тщательно очистить пескоструем или механически обработать, затем нанести поверхностный слой.

Аргонодуговую сварку алюминия и стали отличает расположение дуги: в начале сварки первого прохода оно удерживается на присадочном прутке, а в процессе сварки последующих проходов — на присадочном прутке и образующемся валике. Это обезопасит покрытие от преждевременного выгорания.

Во время сварочного процесса важно последовательно накладывать валики шва (зависит от вида соединения).

Выбор тока:

• сварка МИГ — происходит на постоянном сварочном токе обратной полярности;
• сварка ВИГ — бывает и на переменном сварочном токе, и на постоянном токе прямой полярности.

Величина сварочного тока должна зависеть от толщины свариваемого металла:

• до 3 мм: 110-130 А;
• 6-8 мм: 130-160 А;
• 9-10 мм: 180-250 А.

Неметаллические примеси в алюминии

Главными неметаллическими примесями в алюминии являются кислород и водород. Кислород имеет низкую растворимость в жидком и твердом алюминии, а водород – высокую растворимость в жидком алюминии и чрезвычайно низкую растворимость в твердом алюминии. Кислород образует оксиды. Водород, растворенный в жидком алюминии, выделяется при его затвердевании и приводит к образованию усадочной пористости.

На практике вредное влияние газовых примесей подавляется путем очистки расплава от водорода (обычно продувкой инертными газами или хлором) и путем его фильтрования с целью удаления оксидных частиц.

Менделеев

«Биография Дмитрия Менделеева» — Высота мениска. Медаль Х. Дэви. Обложка первой публикации. Выдвинул в 1880 году идею подземной газификации углей. Исследования в области газов. Естествоиспытатель. Основатели Русского химического общества. Периодический закон. Гейдельбергский период. Определения физических констант. Принимает участие в первом Международном химическом конгрессе.

«Химия Менделеев» — Иван Павлович Менделеев — отец Д. И. Менделеева. Золотая медаль АН СССР (ныне — РАН) имени Д. И. Менделеева. Награды академии и общества. Воздухоплавание. Чемоданы Д. И. Менделеева. Освоение крайнего севера. Монумент, установленный с фасадной стороны факультета пищевой и химической технологии в Братиславе.

«Менделеев биография» — Скульптор Петин В. П. Мрамор, гранит. Менделеев Д.И. Учение о промышленности Д.Менделеева. Члены комиссии по обследованию Уральских горных заводов. СССР 1 рубль 1984 год (Д.И.Менделеев). Автор известного учебника «Основы химии». Дмитрий Иванович Менделеев (слева) и Клеменс Вииклер. Памятники великому ученому Д.И.Менделееву.

«Менделеев Дмитрий Иванович» — Д.И.Менделеев с детьми –Владимиром и Ольгой. «Трудился –вот и стал гением!»- говорил Дмитрий Иванович. Строение атома (1911г .Э.Резерфорд). С 1861 года Дмитрий Иванович преподавал в Петербурге. Прочно и плодотворно только приобретённое своим трудом. Любовь Менделеева («Прекрасная дама») и Александр Блок.

«Жизнь Менделеева» — «Если не будешь знать имен, то умрет и познание вещей» К.Линей. Жизнь и деятельность Д.И.Менделеева. Открытие периодического закона. 18 июля Д.И.Менделеев окончил Тобольскую гимназию. Семья. Мария Дмитриевна Менделеева (1793 — 1830), мать ученого. 1834, 27 января (6 февраля) – родился Д.И.Менделеев в городе Тобольске, в Сибири.

«Менделеев и охрана окружающей среды» — Химия гидросферы. Выбор горючего материала. Использование «повсюдных веществ». Требования к производственным процессам. Сокращение потерь в производственном процессе. Д.И. Менделеев. Работы учёного по химии атмосферы. Д.И. Менделеев о проблемах охраны природы. Предложения. Химия атмосферы. Величайший русский учёный.

Нерастворимые примеси в алюминии

Отрицательное влияние примесей с низкой растворимостью связано с образованием фаз и/или эвтектик с низкой температурой плавления. Частицы фаз, не растворимые при гомогенизирующем отжиге, имеют обычно низкую пластичность и часто вытянутую форму. Такие частицы значительно снижают технологическую пластичность, относительное удлинение и прочность алюминиевого сплава. Кроме того, необходимо учитывать возможность соединения основных легирующих элементов в нерастворимые фазы. Такие фазы могут приводить к снижению, например, эффекта упрочнения старением.

Нерастворимые фазы часто имеют электродный потенциал, сильно отличающийся от потенциала алюминиевой матрицы, что снижает коррозионную стойкость сплава. С другой стороны, низкорастворимые металлы почти не влияют на электрическую проводимость, что дает возможность применять их как легирующие добавки в электротехнических сплавах: марках алюминия и алюминиевых сплавах.

История открытия

Первые попытки применения сплавов алюминия и железа были предприняты Фарадеем в 1820 году. Были попытки использовать сплав алюминия в качестве легирующего элемента для получения высокопрочной стали, но они оказались неэффективными.

Тщательные исследования были возобновлены после 1918 года в СССР, Германии, Англии. Было показано, что при добавлении Al возрастают жаропрочные свойства чугуна. Образцы обладают повышенной прочностью, хрупкостью, стойко переносят контакт с кислыми средами, не склонны к образованию окалин.

Было обнаружено, что появление окалин зависит от толщины оксидной плёнки на образцах: чем она толще, однороднее, тем выше защита поверхности. Важно, чтобы окислы не формировали эвтектическую фазу и не подвергались возгонке, а их ионная проводимость была минимальной.

Условием жаростойкости образца являются потери с окалиной в пределах 2-10-3–4-10-3 г/см2/ч.

Множество проведённых исследований сплавов Fe и Al закончились определением их химических и физических свойств. Это связано с проблемами газового насыщения образцов, угаром алюминия, формированием внутренних оксидных плёнок, разрушением образцов при нормальных условиях.

Наиболее перспективными оказались сплавы с содержанием от 16 до 20% Al и 3% углерода, получившие название «чугаль». Именно их начали выплавлять в СССР.

Позже группа изобретателей во главе с З. Эмингером разработала технологию производства качественных отливок железоалюминиевых образцов. Благодаря этому были получены новые данные.

Снижение вредного влияния примесей в алюминии

Однако технологические операции не всегда способны снизить содержание примесей до приемлемого уровня, а в некоторых случаях они просто экономически не эффективны. Например, стоимость алюминия после зонного рафинирования может быть в несколько раз больше, чем первичный электролитический алюминий. Альтернативным путем является контроль над примесями путем дополнительного легирования и термической обработки. Специальное легирование изменяет фазовый состав, свойства и морфологию избыточных фаз, а термическая обработка может приводить к растворению, фрагментации и коагуляции частиц с неблагоприятной морфологией.

Сравним свойства атома алюминия с соседними ХЭ по группе и периоду

Сравним свойства атома алюминия с соседними ХЭ по группе и периоду. В группе : Бор — Алюминий — Галлий На внешней оболочке – по 3 электрона (сходство) Количество оболочек: у алюминия на 1 оболочку больше, чем у бора, но на 1 оболочку меньше, чем у галлия, следовательно, радиус атома плюминия больше, чем у бора, но меньше, чем у галлия, металлические и восстановительные свойства алюминия сильнее, чем у бора, но слабее, чем у галлия В периоде: Магний – Алюминий — Кремний Количество оболочек – по 3 (сходство) Количество внешних электронов: у кремния 4e, у алюминия – 3, у магния — 2e, следовательно, радиус атома алюминия больше, чем у кремния, но меньше, чем у магния, металлические и восстановительные свойства алюминия слабее, чем у магния, но сильнее, чем у кремния.
Слайд 5 из презентации «По химии 8 класс кислоты в свете тэд»

Размеры: 720 х 540 пикселей, формат: .jpg. Чтобы бесплатно скачать слайд для использования на уроке, щёлкните на изображении правой кнопкой мышки и нажмите «Сохранить изображение как. ». Скачать всю презентацию «По химии 8 класс кислоты в свете тэд.ppt» можно в zip-архиве размером 223 КБ.

Эвтектика железа с алюминием

Железо является переходным металлом, который образует с алюминием эвтектику и имеет очень низкую растворимость в твердом алюминии. Железо,в отличии от таких переходных металлов как марганец, хром, цирконий, титан и скандий, не имеет тенденции образовывать твердый раствор. Причем твердый раствор не образуется не только при промышленных скоростях охлаждения (до 1000 К/с), но даже и при быстром затвердевании при скоростях порядка 1000000 К/с. Более того, фазы, которые образует железо, имеют параметры решетки и структуры, не такие как у алюминия. Поэтому железо не применяют в качестве измельчителя зерна или замедлителя рекристаллизации алюминиевых сплавов.

Другие способы сварки алюминия со сталью

Лазерным способом пользуются не только для создания миниатюрных соединений, но и для того, чтобы получить длинные швы, например, в автомобильной промышленности. Этот способ позволяет тонко управлять тепломощностью импульсного лазерного излучения.

Чтобы получилось нахлёсточное соединение, нагрев лазером нужно вести со стороны стали. Она нагреется до температуры, когда алюминий уже расплавится, но останется твёрдой.

Прочность швов можно повысить с помощью присадки на основе алюминия.

Диффузионная

В этом сварочном процессе соединяемые детали не расплавляются. Но из-за их продолжительного контакта на высокой температуре образуются интерметаллидные фазы.

Электронно-лучевая

На сталь наносят буферные покрытия из титана, никеля и циркония: тогда сварочный процесс будет успешен.

Точечная контактная

Хорошее точечное соединение стали и алюминия получается не всегда, даже если варить на конденсаторных машинах с жестким режимом разряда.

Этого можно избежать, применив промежуточную биметаллическую ленту. Полученные точечные соединения по прочности можно сравнить с клепаными.

Фазовая диаграмма алюминий-железо

Для анализа алюминиевых сплавов, в которых железо является примесью или легирующим элементом, незаменимым инструментом является диаграмма состояния (или фазовая диаграмма) железо-алюминий.

Рисунок — «Алюминиевый» край фазовой диаграммы алюминий-железо

Сплавы богатые алюминием характеризуются эвтектическим взаимодействием твердого раствора алюминия и фазы Al3Fe:

L –> Al + Al3Fe.

Эвтектическая реакция происходит при 652-655 ºС при концентрации железа в эвтектической точке 1,8 %.

Фаза Al3Fe (40,7 % Fe) занимает обширную гомогенную область от 37,3 до 40,7 %. Фаза Al5Fe2 имеет концентрацию железа 27,5-29 % Fe.

Характеристики и свойства

Сплавы железа и алюминия имеют следующие характеристики:

• количество циклов термического нагрева до 240, в зависимости от химического состава;
• предел прочности на растяжение 100 МПа;
• отличные литейные свойства сплава;
• допустимо применение легирующих элементов: Cr, Ni, Ti, Mo, Cu, B, Si, Nb, Zr.

Свойства сплава:

• хорошая свариваемость при условии термообработки выше +7000С;
• высокая химическая стойкость;
• необходимость формирования стабильной фазы расплава при температуре до 9000С;
• коррозионная стойкость.

Алюминий как простое вещество: физические свойства

Если говорить об алюминии, как о простом веществе, то он представляет собой серебристо-белый блестящий металл. На воздухе быстро окисляется и покрывается плотной оксидной пленкой. Тоже самое происходит и при действии концентрированных кислот.

Наличие подобной особенности делает изделия из этого металла устойчивыми к коррозии, что, естественно, очень удобно для людей. Поэтому и находит такое широкое применение в строительстве именно алюминий. Свойства вещества также еще интересны тем, что данный металл очень легкий, при этом прочный и мягкий. Сочетание таких характеристик доступно далеко не каждому веществу.

Можно выделить несколько основных физических свойств, которые характерны для алюминия.

1. Высокая степень ковкости и пластичности. Из данного металла изготовляют легкую, прочную и очень тонкую фольгу, его же прокатывают в проволоку.
2. Температура плавления – 660 0 С.
3. Температура кипения – 2450 0 С.
4. Плотность – 2,7 г/см 3 .
5. Кристаллическая решетка объемная гранецентрированная, металлическая.
6. Тип связи – металлическая.

Физические и химические свойства алюминия определяют области его применения и использования. Если говорить о бытовых сторонах, то большую роль играют именно уже рассмотренные нами выше характеристики. Как легкий, прочный и антикоррозионный металл, алюминий применяется в самолето- и кораблестроении. Поэтому эти свойства очень важно знать.

Химические свойства алюминия

С точки зрения химии, рассматриваемый металл – сильный восстановитель, который способен проявлять высокую химическую активность, будучи чистым веществом. Главное – это устранить оксидную пленку. В этом случае активность резко возрастает.

Химические свойства алюминия как простого вещества определяются его способностью вступать в реакции с:

С водой он не взаимодействует при обычных условиях. При этом из галогенов без нагревания реагирует только с йодом. Для остальных реакций нужна температура.

Можно привести примеры, иллюстрирующие химические свойства алюминия. Уравнения реакций взаимодействия с:

• кислотами – AL + HCL = AlCL3 + H2;
• щелочами – 2Al + 6H2O + 2NaOH = Na[Al(OH)4] + 3Н2;
• галогенами – AL + Hal = ALHal3;
• серой – 2AL + 3S = AL2S3.

Читать также: Просекатель для профиля гипсокартона своими руками

В целом, самое главное свойство рассматриваемого вещества – это высокая способность к восстановлению других элементов из их соединений.

Свойства гидроксида алюминия

Гидроксид – самое распространенное соединение, которое образует алюминий. Свойства химические его такие же, как и у самого металла, – он амфотерный. Это значит, что он способен проявлять двойственную природу, вступая в реакции как с кислотами, так и со щелочами.

Сам по себе гидроксид алюминия – это белый студенистый осадок. Получить его легко при взаимодействии соли алюминия с щелочью или гидроксидом аммония. При взаимодействии с кислотами данный гидроксид дает обычную соответствующую соль и воду. Если же реакция идет с щелочью, то формируются гидроксокомплексы алюминия, в которых его координационное число равно 4. Пример: Na[Al(OH)4] – тетрагидроксоалюминат натрия.