Влияния cкандия и неодима на кинетику окисления сплава al 4sr в жидком состоянии Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2015, том 58, №3_

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 669.715.620.193

Р.Х.Саидов, академик АН Республики Таджикистана И.Н.Ганиев, А.Э.Бердиев, Д.Б.Эшова ВЛИЯНИЯ СКАНДИЯ И НЕОДИМА НА КИНЕТИКУ ОКИСЛЕНИЯ СПЛАВА

А148Г В ЖИДКОМ СОСТОЯНИИ

Институт химии им. В.И.Никитина АН Республики Таджикистан

Термогравиметрическим методом исследовано взаимодействие сплава состава Al4Sr, легированного скандием и неодимом, с кислородом воздуха в интервале температур 1373-1473 K в жидком состоянии. Определены кинетические параметры процесса окисления. Показано, что по мере увеличения содержания легирующих добавок энергия активации процесса окисления повышается для сплавов со скандием от 174 до 191.1 и для сплавов с неодимом - от 140.1 до 143.3 кДж/моль.

Ключевые слова: сплав Al4Sr - скандий - неодим - термогравиметрический метод - кинетика окисления - истинная скорость окисления - энергия активации.

В настоящее время алюминий и его сплавы по объёмам производства и потребления занимают второе место после стали. Производство алюминия и его сплавов в последние годы развивается опережающими темпами. Это связано с уникальными свойствами алюминия, среди которых в первую очередь следует отметить высокую прочность в сочетании с малой плотностью, удовлетворительную коррозионную стойкость, хорошую способность к формоизменению путём литья, давления и резания; способность к нанесению защитных и декоративных покрытий, сварка, пайка и т.д. [1].

Алюминиево-стронциевый сплав состава Al4Sr является самым тугоплавким составом в системе Al-Sr с температурой плавления 10400С и используется в качестве графитизатора при литьё тонкостенных отливок из чугуна [2]. Поэтому изучение особенностей окисления данного сплава и легированных составов представляет научный и практический интерес.

Изучению процесса окисления алюминиевых сплавов в жидком состоянии посвящены работы

[3, 4].

Материал и методы исследований

Для получения тройных сплавов Al4Sr-Sc (№) были использованы: алюминий марки А95, стронций - марки СтМ1, промышленная лигатура на основе алюминия, содержащая 2.5 мас.% скандия, неодим - НМ-2 (ТУ48-40-205-72). Синтез сплавов массой 20 г осуществляли в вакуумной печи сопротивления типа СНВ-1.31/16ИЗ в атмосфере гелия под избыточным давлением 0.5 МПа. Шихтовка сплавов проводилась с учётом угара металлов. Состав полученных сплавов выборочно контролировался химическим анализом, а также взвешиванием образцов до и после сплавления. В дальнейшем исследованию подвергались сплавы, у которых разница в массе до и после сплавления не превышала 2% (отн.). Полученные сплавы подвергались исследованию термогравиметрическим методом на установке, принцип действия которой описан в работах [5, 6].

Адрес для корреспонденции: Бердиев Асадкул Эгамович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/2, Институт химии АН РТ. E-mail: berdiev75@mai.ru

Результаты исследований

Результаты исследования представлены на рис. 1, 2 и в таблице.

Влияние редкоземельных металлов скандия и неодима на кинетику окисления алюминиево-стронциевого сплава Л148г, характеризующегося высокой температурой плавления - 1313 К, исследовано в жидком состоянии. Теплота его плавления составляет 3.34 ккал/гмоль. Энергия активации окисления данного интерметаллида по нашим данным составляет 120.3 кДж/моль. Содержание редкоземельного металла в алюминиево-стронциевом сплаве Л148г составило от 0.004 до 0.37 ат.% скандия и 0.0135 0.33 ат.% неодима.

На рис. 1 представлены кривые окисления сплавов систем Л148г-8е и Л148г-№, которые имеют параболический вид. Истинная скорость окисления, определённая для начального участка кривой для сплавов Л148г-8с, лежит в интервале 1.2510-5 -3.3310-5 кгм-2с-1, а для сплавов системы Л148г-№ составляет 1.1-10-2.77-10 кгм- с- . Исследования проведены в интервале температур 1373-1473 К. Отмечается повышение скорости окисления с увеличением температуры. Почти для всех сплавов отсутствует начальный участок формирования плёнки, характеризующийся быстрыми скоростями окисления. По-видимому, образующаяся оксидная плёнка обладает защитными свойствами и процесс окисления протекает по механизму тонких плёнок. Энергии активации сплавов указанных систем свидетельствуют о том, что с увеличением содержания добавок энергия активации повышается для сплавов со скандием от 174 до 191.1 и для неодима - от 140.1 до 143.3 кДж/моль.

Рис. 1. Изотермы окисления сплавов систем Л148г-8е (а) и Л148г-Ш (б) (цифры обозначают содержание РЗМ в

ат.%) в жидком состоянии.

Отмечается тенденция к снижению скорости окисления исходного сплава с увеличением в нём содержания РЗМ. При этом добавка легирующего компонента от 0.004 до 0.8 ат.% скандия и 0.01-0.33 ат.% неодима почти в 2-2.5 раза уменьшает скорость окисления основного сплава. Оптимальная концентрация легирующего компонента составляет 0.43 ат.% Sс и 0.14 ат.% Nd (рис. 2).

Доклады Академии наук Республики Таджикистан

2015, том 58, №3

g/s, кг/м2

А 1= 1473К Т= 1-ГЗК

[• 1- 10 мин. 1 1- 10 мни.

1 2- 20 мин. 1 2- 20 мин.

щ 1

-- 1

а б

1 1

04

0J

A-USr

1 AL,Sr

o.ij о.;

Nd. ат.%

Рис. 2. Изохроны окисления жидких сплавов систем Al4Sr-Sc (a) и Al4Sr-Nd (б).

0.5 Sc. ат. %

Образующиеся продукты окисления вышеперечисленных тройных сплавов были исследованы методом ИК-спектроскопии. Частоты ИК-спектра продуктов окисления сплавов показаны в таблице. Состав компонентов плёнки определяется составом окисляемых сплавов. С увеличением концентрации РЗМ в сплавах в ИК-спектрах увеличиваются частоты, характерные для оксидов их сплавов. Стронций является поверхностно-активным металлом, поэтому в ИК-спектрах продуктов окисления сплавов систем Al4Sr-Sc и Al4Sr-Nd частоты при 860 и 430 см"1 относятся к фазе SrO.

Таблица

Частоты в ИК-спектрах продуктов окисления сплавов системы и

Содержание легирующего компонента, ат.% Частоты, см 1

0.5 Sс 510, 780, 860, 1040

0.1 Nd 400, 420

1.0 Nd 400, 1140

Полоса поглощения при 510 см-1 в ИК-спектрах продуктов окисления сплавов системы А1^г-Sc относиятся к А1203, а при 780 см-1 к фазам SrO, А1203. Видимо, в тройной системе А1^г-№ в образующейся при окислении плёнки преобладает фаза SrNd•AЮ4) которая характеризуется высокими защитными свойствами.

Поступило 01.12.2014 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вахобов А.В., Ганиев И.Н. Диаграммы состояния двойных и тройных систем с участием бария и стронция. - Душанбе: Дониш, 1992, 295 с.

2. Ганиев И.Н., Вахобов А.В., Василевская Л.Е., Трубнякова Э.Д. Структура и свойства чугуна СЧ-18-36 модифицированного совместно стронцием и иттрием. - Литейное производство, 1982, № 4, с. 42-45.

3. Белоусова Б.Ш., Денисов В. М., Истомин С. А. Взаимодействие жидких металлов и сплавов с кислородом. - Екатеринбург, Ур О РАН, 2002, 600 с.

4. Денисов В.М., Пингин В.В., Тимофеева Л. Т. и др. Алюминий и его сплавы в жидком состоянии. -Екатеринбург, УрО РАН, 2005, 268 с.

5. Бердиев А.Э., Ганиев И.Н., Гулов С.С.Силумины, модифицированные элементами подгруппы германия и стронция. - Германия. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011, 152 с.

6. Бердиев А.Э., Ганиев И.Н. и др. - Изв. вузов. Химия и химическая технология, 2013, т. 56, № 3, с.28-30.

Р.Х.Саидов, И.Н.Ганиев, А.Э.Бердиев, Д.Б.Эшова ТАЪСИРИ СКАНДИЙ ВА НЕОДИМ БА КИНЕТИКАИ ОКСИДШАВИИ

ХУЛАИ AUSr ДАР ^ОЛАТИ МОЕЪ

Институти химияи ба номи В.И.Никитини Академияи илмх;ои Цум^урии Тоцикистон

Дар макола натичаи омузиши термогравиметрии таъсири скандий ва неодим ба оксид-шавии хулаи AUSr, дар оксигени хаво дар худуди харорати 1373-1473 К дар полати моеъ, оварда шудааст. Нишондих,андах,ои кинетикии раванди оксидшавй муайян карда шудааст. Нишон дода шудааст, ки иловаи скандий ва неодим бо зиёдшавии энергияи фаъолй раванди оксидшавй ба-рои хулаи скандий дошта аз 174 то 191.1 ва барои хулаи неодим дошта аз 140.1 то I43.3 кДж/моль мегузарад.

Калима^ои калиди: хулаи Al4Sr - скандий - неодим - усули термогравиметрй - кинетикаи оксидшавй - суръати х,ацщии оксидшавй - энергияи фаъол.

R.Hh.Saidov, I.N.Ganiev, A.E.Berdiev, D.B.Eshova INFLUENCE SCANDI AND NEODYMIUM ON THE KINETICS Al4Sr OXIDATION

OF THE ALLOY IN THE LIQUID STATE

V.I.Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan

By thermogravimetric methods studied the interaction of alloy composition Al4Sr, modified scandium and neodymium with oxygen in the temperature range 1373-1473 K in the liquid state. The kinetic parameters of the process of oxidation. It is shown that increasing the content of alloying elements the activation energy of oxidation increases for alloys with scandium from 174 to 191.1 for neodymium alloys - from 140.1 to I43.3 kJ/mol.

Key words: alloy Al4Sr - scandium - neodymium - termogravimetric method - oxidation kinetics - the true rate of oxidation - activation energy.