CC BY
60
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _____________________________________2012, том 55, №7__________________________________
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
УДК 558.611.541.183
С.С.Раджабалиев, академик АН Республики Таджикистан И.Н.Ганиев , И.Т.Амонов,
А.Э.Бердиев
КИНЕТИКА ОКИСЛЕНИЯ ТВЁРДОГО СПЛАВА Аl+2.18%Fe, ЛЕГИРОВАННОГО СВИНЦОМ И ОЛОВОМ
Таджикский технический университет им. академика М.С.Осими,
Институт химии им. В.И.Никитина АН Республики Таджикистан
Методом термогравиметрии исследована кинетика окисления твёрдого сплава Al+2.18%Fe, легированного свинцом и оловом. Установлены кинетические и энергетические параметры процесса окисления. Выявлено, что свинец и олово при концентрации свыше 0.1 масс.% снижают окисляе-мость исходного сплава.
Ключевые слова: сплав алюминия - олово - свинец - кинетика окисления - скорость окисления - кажущаяся энергия активации - окисление.
Алюминиевые сплавы широко применяются в машиностроении в качестве материала для деталей машин и механизмов самых разных назначений - от бытовой техники до летательных аппаратов. Однако многие машины и механизмы при этом подвержены значительным нагрузкам: удару, циклическому изменению температуры, вибрации и т.п. Учитывая вышесказанное, при конструировании деталей и механизмов необходимо всестороннее изучение свойств этих сплавов. [1].
В последние годы интерес к созданию и внедрению принципиально новых конструкционных материалов, обладающих повышенными механическими свойствами по сравнению с традиционными материалами, возрастает. Поэтому разработка и исследование новых алюминиевых сплавов с различными легирующими компонентами, устойчивых к агрессивным средам являются весьма актуальной задачей.
Для исследования кинетики окисления алюминиевого сплава Л1+2.18%Ре со свинцом и оловом были получены сплавы весом 10 г в печи сопротивления типа СШОЛ в тиглях из оксида алюминия. Взвешивание шихты производили на аналитических весах АРВ-200 с точностью 0.1-10"6 кг. В случае отклонения веса шихты от веса полученного сплава более чем на 2%, плавку повторяли. В качестве объекта исследования использовали алюминий марки А995 (ГОСТ 11069-2001) железо -ч.д.а. - порошок, свинец - металлический чистотой 99.5% (ГОСТ 3778-98), олово марки СЗС (ГОСТ 3778-98).
Кинетику окисления твёрдых сплавов изучали термогравиметрическим методом [2]. Изменение веса фиксировали по растяжению пружины с помощью катетометра КМ-8. В опытах использовались тигли из окиси алюминия диаметром 18-20 мм, высотой 25-26 мм. Тигли перед опытом подвер-
Адрес для корреспонденции: Раджабалиев С.С. 734042, Республика Таджикистан, г. Душанбе, пр. академиков Раджабовых, 10а, Таджикский технический университет. E-mail: [email protected]
гались прокаливанию при температуре 1273.. .1473 К в окислительной среде, в течение 1.5 часа до постоянного веса.
Для исследования влияния свинца и олова на кинетику окисления твёрдого сплава Al+2.18%Fe была синтезирована серия сплавов с содержанием cвинца и олова от 0.005 до 0.5 масс.%. Исследование проводили в атмосфере воздуха при температуре 673, 773 и 873 К. Кинетические и энергетические параметры процесса окисления твёрдого сплава Al+2.18%Fe, легированного свинцом и оловом, представлены в таблице.
Таблица
Влияние добавок свинца и олова на кинетические и энергетические параметры процесса окисления
сплава Al+2.18%Fe
Содержание свинца и олова в сплаве Л1+2.18%Ре, масс. % Температура окисления, К Истинная скорость окисления, К-10"4, -2 -1 кг-м -с Кажущаяся энергия активации окисления, кДж/моль
РЬ 8и
0.00 673 3.6 56.0
773 4.1
873 4.8
0.005 673 4.72 31.8
773 4.48
873 5.0
0.05 673 4.2 38.2
773 4.3
873 4.6
0.1 673 3.8 47.8
773 4.2
873 4.5
0.5 673 3.3 54.34
773 3.4
873 4.2
0.005 673 4.4 57.27
773 5.37
873 5.98
0.05 673 3.75 59.77
773 4.08
873 4.42
0.1 673 3.44 61.0
773 3.56
873 4.25
0.5 673 3.33 63.1
773 3.66
873 3.95
Окисление сплава Al+2.18%Fe протекает по параболическому закону. Сформировавшаяся оксидная плёнка в начальных стадиях процесса, по-видимому, не обладает достаточными защитными свойствами, о чём свидетельствует рост скорости окисления от температуры (рис.1а). Истинная скорость окисления, вычисленная по касательным, проведённым от начала координат к кривым и рас-
£
считанная по формуле К = — • А? , составляет от 3.6 10" до 4.8-10" кгм" •с" , соответственно, с
энергией активации окисления, вычисленной по тангенсу угла наклона прямой зависимости ^К-1/Т, равной 56.0 кДж/моль (табл.).
Процесс окисления сплава Al+2.18%Fe, легированного 0.005 масс.% свинца, заканчивается к 20-25 мин. Значения истинной скорости окисления данного сплава при исследованных температурах лежат в интервале 4.72-10-4 - 5.0-10-4 кг-м-2-с-1. При этом значение кажущейся энергии активации составляет 31.8 кДж/моль (рис. 1б).
Значения истинной скорости окисления сплава Al+2.18%Fe, содержащего 0.05 масс.% свинца, изменяются от 4.2-10-4 до 4.6-10-4 кг-м-2с-1 в интервале температур 673.873 К с энергией активации 38.2 кДж/моль. (рис. 1в).
Окисление сплава Al+2.18%Fe, легированного 0.1 масс.% свинца, показывает, что максимальная величина Лg/s при окислении равняется 9.0 мг/см2, минимальная 5.9 мг/см2. Значение кажущейся энергии активации окисления составляет 47.8 кДж/моль (рис. 1г).
Сплав Al+2.18%Fe, содержащий 0.5 масс.% свинца, характеризуется по сравнению с другими сплавами более низкими значениями скорости окисления (рис. 1д).
В целом, добавки свинца незначительно увеличивают скорости окисления, что видно по величине истинной скорости окисления и кажущейся энергии активации сплавов. Истинная скорость окисления при одинаковых температурах у сплава Al+2.18%Fe со свинцом несколько больше, чем у исходного сплава Al+2.18%Fe. По данным экспериментальных исследований, наблюдается снижение скорости окисления при концентрации свинца 0.1-0.5 масс.% (таблица).
Окисление сплава Аl+2.18%Fe, легированного 0.005 масс.% олова, изучали при температурах 673, 773 и 873 К. Процесс окисления характеризуется высокими скоростями формирования оксидных плёнок, который завершается к 20-25 минутам от начала окисления. При высоких температурах формирование защитных оксидных плёнок идет быстрее и с минимальным количеством кислородных вакансий. Кажущаяся энергия активации окисления данного сплава составляет 57.27 кДж/моль (табл.).
Окисление сплава Al+2.18%Fe, модифицированного 0.05 масс.% олова, показывает, что небольшие добавки модификатора способствуют некоторому уменьшению истинной скорости окисления и, соответственно, увеличению кажущейся энергии активации окисления до 59.77 кДж/моль. С ростом температуры от 673 до 873 К скорость окисления увеличивается от 3.75'10-4 до 4.4210-4 кгм-2 с-1.
Окисление сплава Al+2.18%Fe, содержащего 0.1 масс.% олова, первоначально происходит с образованием несплошной оксидной плёнки, далее по мере образования плотного оксида процесс окисления протекает с диффузионными затруднениями. Истинная скорость окисления изменяется от 3.44-10 -4 при 673 К, до 4.25-10-4 кг-м--2-при 873 К, а кажущаяся энергия активации окисления исследуемого сплава составляет 61.0 кДж/моль.
Процесс окисления сплава, содержащего 0.5 масс.% олова, протекает с большими диффузионными затруднениями. Окисление сплава нарастает, наибольшее его значение, равное 9.28 мг/см2, достигается при температуре 873 К, а наименьшее - 6.0 мг/см2 при 773 К. Окисление данного сплава подчиняется параболическому закону с энергией активации 63.1 кДж/моль (табл.).
Рис.1. Кинетические кривые окисления алюминиево-железового сплава (2.18 масс.% Бе), легированного, масс.%: а). 0.00 ; б) 0.005 РЬ; в) 0.05 РЬ; г) 0.1 Бп; д) 0.5 Бп.
На рис.2 изображена зависимость lg К — 1/ Т для сплава Al+2.18%Fe, содержащего 0.00,
0.005, 0.05, 0.1, 0,5 масс.% олова, которая имеет прямолинейный характер. Последний указывает о соответствии процесса окисления исследованных сплавов параболическому закону.
Рис.2. Зависимость от 1/Т для сплава А1+2.18%^е,легированного свинцом, масс.%:
0.00 (1); 0.005 (2); 0.05 (3); 0.1 (4); 0.5(5).
Приведенные на рис.3 изохроны окисления сплава A1+2.18%Fe, легированного оловом при 10 и 20 минутах окисления, показывают уменьшение скорости окисления с ростом концентрации олова и соответственно увеличение кажущейся энергии активации.
Рис. 3. Изохроны окисления сплава Л1+2.18%Р,е легированного оловом.
В целом, положительное влияние добавки олова наблюдается при концентрации свыше 0.1
масс.%.
Олово и свинец относятся к элементам четвертой группы. При сравнении влияния свинца и олова можно проследить, что оба металла при концентрации свыше 0.1 масс.% уменьшают окисляе-мость исходного сплава. Следует отметить, что окисление сплавов является более сложным процес-
сом и на него влияют такие факторы, как природа компонентов сплава, сродство к кислороду, теплота образования оксидов, взаимодействие продуктов окисления и др.
Поступило 09.07.2012 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Томашов И.Д., Чернова Г.Л. Коррозия и коррозионностойкие сплавы. - М.: Металлургия, 1973, 232 с.
2. Лепинских Б.М., Киселёв В.Н. - Известия АН СССР. Металлы, 1974. № 5, с.51-54.
С.С.Рачабалиев, И.Н.Ганиев*, И.Т.Амонов, А.Э.Бердиев*
КИНЕТИКАИ ОКСИДШАВИИ ХУЛАМ САХТИ Al+2.18%Fe, КИ БО СУРБ ВА КАЛЪАГЙ ЛЕГИРОНИДА ШУДААСТ
Донишго^и техникии Тоцикистон ба номи академик М.С.Осими,
*Иниститути химияи ба номи В.И.Никитин Академияи илмхои Чумхурии Точикистон
Бо усули термогравиметри оксидшавии хулаи сахти Al+2.18%Fe , ки бо сурб ва калъагй легиронида шудааст мавриди тахкикот к;арор дода шуд. Бузургии кинетикй ва энергетикии раванди оксидшавй муайян карда шудааст. Нишон додашудааст, ки сурб ва калъагй дар микдори гилзати (контсентратсияи) зиёда аз 0.1%-и вазнй, суръати оксидшавии хулаи ибтидоиро паст менамояд.
Калима^ои калиди: хулаи алюминий - сурб - цалъагй - кинетики оксидшавй - суръати оксидшавй -энергияи зоуири авцгирии оксидшавй - оксидшавй.
S.S.Rajabaliev, I.N.Ganiev*, I.T.Amonov, A.E.Berdiev*
THE KINETICS OF OXIDATION OF HARD ALLOY Al +2.18% Fe ALLOYED WITH LEAD AND TIN
M.S.Osimi Tajik Technical University,
V.I.Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan
The method of thermogravimetry examined the oxidation of hard alloy Al +2.18% Fe alloyed with lead and tin. Determined the kinetic and energetic parameters of the oxidation process. Revealed that lead and tin at a concentration greater than 0.1 mass.% reduces oxidation of the source alloy.
Key words: alloy aluminum - tin - lead - kinetics of the oxidation - the rate of oxidation - apparent activation energy of oxidation - oxidation.
