Сплавы алюминия и железа с церием и неодимом тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ГЛАВА I. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С ЖЕЛЕЗОМ И РЗМ ЦЕРИЕВОЙ ПОДГРУППЫ.

1.1. Структура и свойства сплавов системы Al-Fe.

1.2. Структура и свойства сплавов систем А1-РЗМ цериевой подгруппы).

1.3. Структура и свойства сплавов систем Fe-P3M цериевой подгруппы).

1.4. Диаграммы фазовых равновесий систем Al-Fe-РЗМ.

ГЛАВА II. ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЙ СИСТЕМ Al-Fe-Ce и Al-Fe-Nd.

2.1 Методики исследования диаграмм состояний тройных систем Al-Fe-Ce и Al-Fe-Nd.

2.2. Система А1 -CeFe2Al8 -CeFe4Al8 - Fe2Al5.

2.3. Система Al-Fe2Al5 -NdFe3!65 A18i35 NdAl2.

2.4.Обсуждение результатов.

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ СПЛАВОВ СИСТЕМ AI-Fe-Ce(Pr, Nd)

3.1. Кинетика окисления сплавов систем Al-Fe-Ce и Al-Fe-Nd.

3.2.Влияние церия, празеодима и неодима на механические свойства алюминиево-железовых сплавов.

3.3. Исследование акустодемпфирующих свойств алюминиево-железовых сплавов легированных РЗМ. выводы.:.юо

Развитие современной науки и техники предъявляет все возрастающие требования к уровню, эффективности, качеству и разнообразия свойств изделий из цветных металлов.

В современных материалах должны сочетаться высокие свойства и качества для обеспечения необходимых ресурса и надежности работы изделий авиационно-космической техники, судостроения, машиностроения, атомной энергетики, радиотехники и вычислительной техники и строительства. В связи с этим особое значение приобретают производство и использование алюминия и его сплавов, обладающих высокой механической прочностью и пластичностью, малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью и жаропрочностью, стойкостью в вакууме и рядом специфических характеристик.

Однако первичный алюминий извлекаемый из электролизеров (алюминий сырец) содержит ряд металлических примесей, в том числе, железа и кремния переходящие непосредственно из сырья.

Примеси железа и кремния оказывают большое влияние на качество получаемого алюминия, то есть с увеличением содержания этих примесей ухудшается коррозионная стойкость, уменьшается электропроводность и пластичность, повышается прочность алюминия.

Для блокировки отрицательного влияния железа, алюминий и его сплавы легируют марганцем в количестве 0,5-1%. Это обусловлено тем, что соединение FeAb способна растворять значительное количество марганца, поэтому фазу существующую в тройном системе, обозначают (Fe, Мп)А13. В фазе

FeAb до 1/10 атомов железа может замещаться атомами марганца.

Очистка алюминия от железа фильтрованием и другими способами является трудоемкой и дорогостоящей процедурой. Поэтому в качестве альтернативного варианта использования технического алюминия с повышенным содержанием железа в работе рассматривается разработка сплавов на основе системы алюминии-железо. Для этого в качестве легирующих элементов используются редкоземельные металлы, так, как в литературе сообщается об их положительном влиянии на электропроводность и коррозионную стойкость алюминия технической чистоты.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Цель работы заключается в разработке новых алюминие-во-железовых сплавов, легированных редкоземельными металлами, обладающих высокими акустодемпфирующими свойствами.

Научная новизна работы состоит в:

- построении диаграммы состояний тройных систем Al-Fe-Се и Al-Fe-Nd, в области богатой алюминием;

-установлении и построении квазибинарных систем и проведение с их помощью сингулярной триангуляции систем А1-Fe-Ce и Al-Fe-Nd, в области богатой алюминием;

- выявлении и определении координат фазовых превращений и областей кристаллизации фаз в указанных системах;

-установлении закономерности влияния церия, лантана и неодима на акустодемпфирующие и механические свойства алюминиево-железовых сплавов;

-определении кинетических и энергетических параметров процесса окисления твердых алюминиево-железовых сплавов, содержащих РЗМ.

Практическая значимость работы заключается в: -разработке новых алюминиевых сплавов с повышенным содержанием железа в качестве акустодемпфирующих материалов. Разработанные сплавы с улучшенными акустодемпфирую-щими свойствами прошли полупромышленные испытания в условиях АООТ «Душанбинского арматурного завода им. С. Орджоникидзе».

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на: Республиканском научно-практическом конференции «Технология новых конструкционных материалов и их применение в производстве» (ТГПУ - Душанбе. 2001г.); Республиканском научно-практическом семинаре «Внедрение разработок ученых Таджикистана в промышленность» (Госкомпром при правительстве РТ- Душанбе. 2001г.); Международной научно-технической конференции «Генезис, теория и технология литых материалов»(ВГУ-Владимир-Суздаль, Россия. 2002г.); Международной научно-практической конференции «16-сесия Шурой Оли Республики Таджикистан (12-го созыва) и ее историческая значимость в развитии науки и образования» (ТТУ-Душанбе.2002г.); Международной конференции по современным проблемам физико-механических свойств конденсированных сред (ХГУ-Худжанд. 2002г.)

Публикации. По результатам исследований опубликованы 11 научных работ в журналах и материалах Международных и Республиканских конференций.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из трех глав, 109 страниц машинописного текста, 44 рисунков, 28 таблиц, 54 библиографических названий и приложения.

ВЫВОДЫ

1.В системах Al-Fe-Ce и Al-Fe-Nd экспериментально подтверждено существование тройных соединений состава: CeFe2Al 10, CeFe2Al8, CeFe4Al8, NdFe2Al]0 и NdFe365Al8 35. Установлено, что фазы CeFe4Al8,CeFe2Al8 и NdFe3.65Al8,35 плавятся конгруэнтно при 1570°С, 1050°С и 1310°С, a CeFe2Al,n и NdFe2Alio инконгруэнтно при 1080°С и 1200°С, соответственно. Из выше перечисленных интерметаллидов с алюминиевым твердым раствором в равновесии находятся следующие: CeFe2Al]0 и NdFe2Ali0 .

2. Основными методами физико-химического анализа построены диаграммы состояния следующих 8 квази- и частично квазибинарных разрезов, исходящих из алюминия, тройных и двойных интерметаллидов: А1- CeFe2Al10, CeFe.2Ali0 -CeFe2Al8, CeFe2Al8- CeFe4Al8, CeFe4Alg-Fe2Al5 (в системах Al-Fe-Ce); NdFe3,65Al8)35-Fe2Al3, Al-NdFe2Al10, NdFe2Al,0- NdFe3.65Al8.35, NdFe3565Al8535-NdAl2 в системе Al-Fe-Nd. Показано, что разрезы CeFe4Al8-Fe2Al5 и NdFe3;65Al8!35-NdAl2 являются эвтектическими системами с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии, а разрезы CeFe2Al8- CeFe4Al8 и NdFe3!65Al8)35-Fe2Al5 квазибинарными перитектического типа.

3. Проведена сингулярная триангуляция и построена проекция поверхности ликвидуса тройных систем Al-Fe-Ce и Al-Fe-Nd, в области богатой алюминием. Разрезы Al-NdFe2Al|0 и Al-CeFe2Alio триангулируют алюминиевый угол систем Al-Fe

Се (Nd) на следующие вторичные системы: Al-NdFe2Al 10-Fe4Al13, Al-NdFe2Alio- Al-Nd5Alu, Al-CeFe2Al,0 -Fe4Al13, и Al-CeFe2Al ю- Се4А1ц. Триангилирующими, также, являются разрезы идущие от CeFe2Al8 и NdFe3;65Al835 к СеА12, NdAl2, Fe2Al5, CeFe2Alio и NdFe2Alio- Установлено, что на поверхности ликвидуса наибольшую область первичной кристаллизации имеют интерметаллиды Fe4Al5, NdAl2, CeFe4Al8 и NdFe3;65Al8;35, как самые тугоплавкие в исследованных системах. Определены характеристики нонвариантных равновесий 18 квазитройных подсистем.

4. Методом массогравиметрии исследована кинетика окисления алюминиево-железового (2,18 %) сплава, легированного РЗМ. Показано, что окисление сплавов в твердом состоянии протекает по параболической зависимости. Истинная скорость окисления имеет порядок 10"4, кажущаяся энергия активации окисления составляет 52,4-84,2 кДж/моль в зависимости от состава сплавов.

5. На основе технического алюминия, с повышенным содержанием железа, разработаны сплавы с высокой пластичностью и акустодемпфирующими свойствами. Изделия из разработанных сплавов прошли опытно-промышленные испытания в условиях АООТ «Душанбинского арматурного завода им. С.Орджоникидзе» в качестве шумопоглощающего зонта.

102

1. Хансен М, Андерко К. Структуры двойных сплавов. -М.: Металлургиздат, 1962. Т.1,2. 1188с.

2. Эллот Р.П. Структуры двойных сплавов. -М.: Металлургия, 1970. Т.1. 456с.; Т.2. 472с.

3. Кубащевски О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа: пер. с англ. /Под ред. Л.А. Петровой.- М.: Металлургия, 1985. 184 с.

4. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа: Справочник / Под ред. О.А. Банных, М.Е. Дрица.- М.: Металлургия, 1986. 440 с.

5. Чичко А.Н., Юркевич Н.П. О влиянии железа на процесс зародышеобразования «-твердого раствора в сплавах Al-Fe. // РАН.Металлы. 1993.№4. С.123-127.

6. Леонов А.В., Фадеева В.И., Соколовская Е.М. Концентрационная неоднородность и анизотропия микроискажений в быстрозакаленных твердых растворах Al-Fe // Известия АН СССР. Металлы. 1989.№5. С.113-114

7. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Д44. Справочник: ВЗт.: T.l.-М.: Машиностроение, 1996. 992с.

8. Шанк Ф.А. Структуры двойных сплавов. -М.: Металлургия, 1973. 760с.

9. Massalski Т.В. Binary alloy phase diagrams. American Society for Metals Park. Ohio. 1986/1987. V.1,2. 2224p.

10. Ю.Савицкий E.M., Терехова В.Ф. Металловедение редкоземельных металлов. -М.: Наука, 1975. С.211-212.

11. П.Савицкий Е.М. Терехова В.Ф. и др. Сплавы редкоземельных металлов-М.: -Издательство АН СССР. 1962. 352с.

12. Спеддинг Ф., Даан А. Редкоземельные металлы. -М.: Мир. 1965.

13. Тинейджер К. Сплавы редкоземельных металлов. -М.: Мир. 1965.

14. Савицкий Е.М., Терехова Е.Ф., Бупов И.В. и др. // неорганические материалы 1965. Т1. №10 с.1648

15. Кумереев В.К., Станолевич Т.П., Козоов В.Г. // Известие вузов. 1971. №4. С.108.

16. Кононенко В.И, Голубев С.В. //Изв. АН СССР. Металлы. 1990. №2. С.197-199.

17. Крипякевич П.И, Залуцкий И.И. //Вопросы теории и применения редкоземельных металлов: Сб.статей. -М.: Наука, 1964.С.144-145.

18. Кононенко В.И., Голубев С.В. //Изв. АН СССР. Металлы, 1990. №2. С. 197-1999.

19. Гшнейднер К.А. Сплавы редкоземельных металлов: Пер. с англ.- М.: Мир. 1965 .427 с.

20. Chuang Y.G., Mu С.Н., Shao Z.B.//J. Less Common Met. 1987. V.136. №1. P. 147-153.

21. Бурханов Г.С., Илюшин А.С., Кольчугина Н.Б. и др. // РАН. Металлы. 1994. №5. С. 163-169.

22. Ray А.Е., Stemat К., Feldman D. //Rare Earth Research New- York: Cordon and Breach. Sciene Publishers Inncc., 1964. P. 443-457.

23. Гладывшевский Е.И., Бодак О.И. Кристаллохимия интерметаллических соединений редкоземельных металлов. Львов: Вища школа, 1982. 255 с.

24. Терехова В.Ф. Маслова Е.В., Савицкий Е.М. // Изв. АН СССР, Металлы, 1965, №3. С. 128-130.

25. Крипякевич П.И., Терехова В.Ф., Заречюк О.С., Буров И.В., Кристаллография, 1963. Т. 8, №2. С.268.

26. Заречнюк О.С., Эмес Мисенко Е.И., Рябов В.Р., Дикий И.И. исследование фазового состава сплавов системы La-Fe-Al. //Изв. АН СССР. Металлы, 1968, №3, с. 219-221.

27. Ярмолюк Я.П., Рыхаль P.M., Заречнюк О.С. Кристаллические структуры соединений Се Fe2Al8 и ЬаСоАЦ В кн.: Вторая Всесоюз. Конф. По кристаллохимии интерметалл. Соединений: Тез. Докл. Львов, 1974. С. 39-40.

28. Заречнюк О.С., Крипякевич П.И. Кристаллические структуры соединений в системах церий-переходный металл -алюминий. Кристаллография, 1962. 7. №4.С. 543-553.

29. Заречнюк О.С., Мыськив М.Г., Рябов В.Р. Рентгеност-руктурные исследования фазового состава сплавов системы Се-Fe А1, содержащих до 33,3ат.% Се. // Изв. АН СССР. Металлы, 1969. №2. С.164-166.

30. Соколовская Е.М., Казакова Е.Ф., Филиппова А.А., Фадеева В.И., Грибанов А.В., Романова B.C., Боровникова С.И. Фазовые диаграммы равновесных и бистрозакаленных сплавов Al-Fe-Ce // Известия Ан СССР. Металлы. 1988. №2. С. 209-210.

31. Mclntyre Rulluff D. Freese-dried A1 comes of agl.rapid. Progress is being made in the rapid solidification of an advonced class of A1 alloys//Mater.Engng. 1981. V.94.№4.P.42.

32. Вивчар О.И., Заречнюк О.С., Рябов В.Р. О фазовом составе сплавов Nd-Fe-Al, в области содержания неодима 0-33,3 ат.%.//Изв. АН СССР. Металлы, 1970. №1. С. 211-213.

33. Вивчар О.И., Заречнюк О.С., Рябов В.Р. Потр1йна система Sm-Fe-Al в области 0-33,3 ат.% //ДАН УРСР,сер. А, 1974. №4.С. 363-365.

34. Oesterreicher Н. StructurAl studies of rare earth compounds RfeAl. //J. Less-Common MetAls, 1971. 25. №36. P.341-342.

35. Кочержинский Ю.А., Безштонько H.H. и др. Высокотемпературный термоанализатор ВДТА // Изв. СОАНСССР, серия хим.наук. 1974. Вып.4. №9. С.32-35.

36. Берг А.Г. Введение в термографию. -М.: Металлургия, 1969. 395с.

37. Васильев Е.Х., Накмансон С.С. Качественный рентге-нофазовой анализ.- Новосибирск.: Наука, Сибирское отд, 1986. 200с.

38. Ушанский Я.С. и др. Кристаллография, рентгенография, и электронная микроскопия.-М.: Металлургия, 1982.-632с.

39. Амонов И.Т., Ганиев И.Н., Назаров Х.М., Бердиев А.Э. Ликвидус системы Al-Fe-Ce, в области богатой алюминием // Докл. АНРТ. 2002. №1.

40. Бодак, Гладышевский, Тройные системы содержащие РЗМ-М:

41. Амонов И.Т., Ганиев И.Н., Назаров X. М., Бердиев А.Э., Рахмонов К. А. Система Al-Fe-Nd в области богатой алюминием // Вестник ТГНУ. 2001. №4 (8). С. 17-19.

42. Петрова Д.А. Двойные и тройные системы. -М.: Металлургия, 1986.256с.

43. Угай Я.Л. Общая химия. Учеб.пособие для студентов университетов. -М.: Высшая школа, 1977. С.52-61.

44. Савицкий Е.М., Терехова В.Ф. Металловедение редкоземельных металлов. -М.: Наука, 1975. С. 151-153.

45. Амонов И.Т., Рахмонов К.А., Рахматов С.Т. Усовершенствованая вакуумная установка для получения сплавов на основе алюминия // Тадж.НПИЦентр.2000. № 15.3с.

46. Лепинских Б.М., Белоусов А.А. Окисление жидких металлов и сплавов. -М.; Наука, 1979.-е.116.

47. Миркин JI.H. Рентгеноструктурный контроль машиностроительных материалов.-М.: Машиностроение, 1979. С.136.

48. Амонов И.Т., Рахмонов К.А. Оснастка для отливки образцов новых сплавов с целью их испытания //Тадж НПИЦентр. 2000.№10. Зс.

49. Амонов И.Т., Рахмонов К.А., Ганиев И.Н., Назаров Х.М. Влияние некоторых РЗМ на механические свойства алюминиево-железовых сплавов //Вестник ТГПУ.-Душанбе, 2001. №3. С.2-5.

50. Хакдодов М.М. Экспериментальная акустодемпфи-рующих свойств материалов. Инф. Листок №78. Душанбе, НПИ Центр. 2001. Зс.

51. Амонов И.Т., Хакдодов М.М., Ганиев И.Н. Новые демпфирующие конструкционные материалы на основе сплавов системы алюминий-железо-церий// Материалы научно-практической конференции «Технология новых конструкционных материалов». Душанбе. 2001. С.16-17.

52. Амонов И.Т., Хакдодов М.М., Бердиев А.Э. Демпфирующая способность алюминиево-железовых сплавов, легированных РЗМ// Сборник трудов научно-практического семинара «Внедрение разработок ученых Таджикистана в промышленность» Душанбе. 2001. С. 117-11 8.