Магний и его сплавы реферат
Обновлено: 06.07.2024
В периодической системе элементов магний располагается в главной подгруппе II группы; его порядковый номер – 12, атомный вес 24,312. Электронная конфигурация невозбужденного атома – 1s 2 2s 2 p 6 3s 2 ; валентные электроны наружного слоя определяют валентность +2 и объясняет типичный характер восстановительных реакций, в которые вступает магний. Строение внешних электронных оболочек атома Mg (3s 2 ) соответствует его нульвалентному состоянию. Возбуждение до обычного двухвалентного (3s3p) требует затраты 62 ккал/г-атом
Магний наряду с бериллием, кальцием, стронцием, барием и радием относится к группе щелочноземельных металлов. Все они имеют бело-серебристый цвет (исключение составляет барий – он светло-серый), все они мягкие и легкие (кроме радия – он тяжелый и радиоактивный). Щелочноземельные металлы плохо проводят электрический ток; почти все они неустойчивы на воздухе, активны, легко растворяются в разбавленных кислотах, при нагревании энергично реагируют с кислородом, водородом, азотом, углеродом, галогенами, серой, фосфором и др.; они используются в качестве восстановителей в промышленном многих веществ. Но как конструкционный материал из всей группы широко применяется только магний.
Пары магния содержат молекулы Mg2, энергия диссоциации которых оценивается в 7 ккал/моль.
Сжимаемость Mg мала, под давлением в 100 тыс. атм его объем уменьшается до 0,85 исходного.
Аллотропические модификации магния неизвестны.
На магний не оказывают заметного действия дистиллированная вода, фтористоводородная кислота любой концентрации, водные растворы фтористых солей, сера (жидкая и газ), сернокислый алюминий, сероуглерод, растворы едких щелочей, углекислая щелочь, сухие углеводороды, органические галогенпроизводные, не содержащие спирта и H2O, безводная C2H5OH, этиловый и уксусный эфиры, жиры и масла, не содержащие кислот, ароматические соединения и минеральные масла.
Разрушающе действуют на магний морская и минеральная вода, водные растворы HCl, H2SO4, HNO3, H3PO4, кремнефтористоводородные кислоты, водные растворы галоидных солей, сернистых соединений, NH3, его водные растворы, NxOy, растворы двууглекислой соды, органические кислоты, водные и спиртовые растворы хлорметила и хлорэтила, метиловый спирт, гликоли и гликолевые смеси, многие альдегиды.
При комнатной температуре на воздухе компактный магний химически стоек. На его поверхности образуется оксидная пленка, предохраняющая металл от окисления. При нагревании химическая активность магния повышается. Считается, что верхний температурный предел устойчивости магния в кислороде лежит в интервале 350–400 o C.
На воздухе магний воспламеняется при температуре 600-650 o C, при этом образуется MgO, частично Mg3N2; при 400–500 o C в атмосфере H2 под давлением образуется гидрид MgH2. Реакции сопровождаются большим выделением тепла (чтобы нагреть стакан ледяной воды до кипения, достаточно 4 г магния) и мощным излучением ультрафиолета.
При нагревании магний взаимодействует с галогенами с образованием галогенидов; при 500–600 o C при взаимодействии с серой образуется MgS; при более высокой температуре возможно образование карбидов MgC2 и Mg2C3, силицидов MgSi и Mg3Si2, фосфида Mg3P2.
Нормальный электродный потенциал магния в кислой среде составляет -2,37 в, в щелочной -2,69 в. Магний – сильный восстановитель, может вытеснить большинство металлов из их солей, H2 из воды и кислот.
Холодная вода на магний почти не действует, с горячей водой он медленно взаимодействует с выделением водорода. В разбавленных кислотах магний растворяется даже на холоду. В HF магний не растворяется, поскольку на поверхности образуется пленка из трудно растворимого в воде MgF2; в концентрированной H2SO4 почти не растворяется.
Нормальный потенциал магния равен -2,37 в (в кислой среде) и -2,69 в (в щелочной среде).Поэтому оба металла должны были бы разлагать воду. Однако при обычной температуре такое разложение практически не происходит. Обусловлено это малой растворимостью оксида магния, образующего защитный слой на поверхности металла.
С водным раствором аммиака магний почти не реагирует, зато он растворим при действии на него растворов солей аммония. Реакция в этом случае идет по схеме 2NH4 + +Mg=Mg 2+ +H2+2NH3.
Растворы щелочей на магний не действуют.
Соединения магния.
Поляризующая способность иона Mg 2+ невысока, а по величине коэффициента поляризации, который количественно характеризует деформируемость иона, магний уступает большинству металлов.
Поэтому комплексные соединения магния малоустойчивы и образуются обычно только в щелочной среде.
Ниже представлены теплоты образования некоторых соединений магния и бериллия, рассчитанные в ккал на грамм-эквивалент металла:
Отношение Mg/Be
Из приведенных данных видно, что теплоты образования аналогичных производных бериллия и магния близки при сравнительно малых объемах металлоидных атомов (F, O, N) и сильно расходятся при больших (Cl, Br, I, S). Так как сам атом магния значительно больше атома бериллия, это свидетельствует о значительной роли объемных соотношений при образовании рассматриваемых соединений.
Ядерные расстояния в кристаллах MgO (т. пл. 2850 о С) равны 1,64 , а у их индивидуальных молекул (в парах) – 1,75 . Пары MgO сильно диссоциированы на элементы. MgO растворима в воде тем труднее, чем сильнее она была предварительно прокалена. Такое снижение реакционной способности обусловлено в данном случае укрупнением кристаллов. При хранении на воздухе оксид магния постепенно поглощает влагу и CO2, переходя в Mg(OH)2 и в MgCO3. Окись магния изредка встречается в природе (минерал периклаз). Получаемая прокаливанием природного магнезита MgO является исходным продуктом для изготовления различных огнеупорных изделий и искусственных строительных материалов (“ксилолит” и др.) Кашица из замешанной на очищенном бензине окиси магния может быть использована для снятия с бумаги жировых и масляных пятен: ею смазывают пятно и дают бензину испариться, после чего удаляют сорбировавшую жир окись магния.
В основе ксилолита лежит магнезиальный цемент, получаемый смешиванием предварительно прокаленной при 800 о С окиси магния с 30%-ным водным раствором MgCl2 (на 4 вес. ч. MgO берется 1 вес. ч. безводного MgCl2). Вследствие образования более или менее длинных цепей типа –Mg–O–Mg–O–Mg– (с гидроксилами или атомами хлора на концах) смесь через несколько часов дает белую, очень прочную и легко полирующуюся массу. При изготовлении ксилолита к исходной смеси примешивают опилки и т.п. Кроме ксилолита, используемого главным образом для покрытия полов, на основе магнезиального цемента часто готовят жернова, точильные камни и т.д.
Белый амфотерный гидроксид магния очень малорастворим в воде. Растворенная часть Mg(OH)2 диссоциирована по типу основания и является электролитом слабой силы. Осаждение Mg(OH)2 в процессе нейтрализации кислого раствора наступает при pH=10,5. Гидроксид магния встречается в природе (минерал брусит). Помимо кислот, он растворим в растворах солей аммония (что важно для аналитической химии). Растворение, например, в NH4Cl протекает по схеме Mg(OH)2+2NH4Cl MgCl2+2NH4OH и обусловлено образованием сравнительно малодиссоциированного гидроксида аммония.
Для магния известна аналогичная гидроксиду этоксидная производная Mg(OC2H5)2. Она может быть получена взаимодействием амальгамы магния со спиртом и представляет собой белый порошок, растворимый в спирте и разлагаемый водой.
Взаимодействием свежеосажденной Mg(OH)2 с 30%-ной H2O2 была получена перекись магния MgO2. Это бесцветное микрокристаллическое вещество, малорастворимое в воде и постепенно разлагающееся при хранении на воздухе.
Большинство солей магния хорошо растворимо в воде. Растворы содержат бесцветные ионы Mg 2+ , которые сообщают жидкости горький вкус. Соли Mg гидролизуются водой только при нагревании раствора.
Почти все галоидные соли магния расплываются на воздухе и легкорастворимы в воде. Исключением является MgF2, растворимость которого весьма мала (0,08 г/л). Большинство солей выделяется из растворов в виде кристаллогидратов (напр. MgCl26H2O). При их нагревании происходит отщепление части галоидоводородной кислоты и остаются труднорастворимые в воде основные соли.
Нитрат магния легкорастворим не только в воде, но и в спирте. Кристаллизуются он обычно в виде Mg(NO3)26H2O (т. пл. 90 о С). При нагревании выше температуры плавления нитрат отщепляет не только воду, но и HNO3, а затем переходит в оксид.
Для сульфата магния характерен легкорастворимый кристаллогидрат MgSO47H2O. Он полностью обезвоживается при 200 о С. Константа электролитической диссоциации MgSO4 – 510 3 . В природе MgSO4 встречается в виде минералов горькой соли MgSO47H2O и кизерита MgSO4H2O. Кизерит может служить хорошим материалом для получения MgO и SO2, т.к. при накаливании с углем разлагается по схеме MgSO4+C+64 ккал=CO+SO2+MgO. Горькая соль применяется в текстильной и бумажной промышленности, а также в медицине.
С сульфатами некоторых одновалентных металлов MgSO4 образет двойные соли, так называемые шениты состава M2[Mg(SO4)2]6H2O, где M – одновалентный катион. Шенитом K2[Mg(SO4)2]6H2O пользуются иногда в качестве калийного минерального удобрения.
Почти нерастворимый в воде нормальный карбонат магния может быть получен только при одновременном присутствии в растворе большого избытка CO2. В противном случае осаждаются также почти неростворимые основные соли. Белая магнезия – это основная соль приблизительного состава 3MgCO3Mg(OH)23H2O.
Классификация магниевых сплавов. Взаимодействие магния с легирующими элементами и примесями. Термическая обработка магниевых сплавов. Влияние легирующих элементов на механические свойства магния. Процессы, происходящие при старении магниевых сплавов.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 04.12.2010 |
| Размер файла | 634,8 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Федеральное агентство по образованию.
Государственное Образовательное Учреждения.
Высшего Профессионального Обучения.
Российский государственный профессионально-педагогический университет.
Кафедра материаловеденья, технология и контроль качества в машиностроении и методика профессионального образования.
Реферат на тему
Студент гр. КМ - 206
Магний - один из самых распространенных в земной коре элементов, он занимает VI место после кислорода, кремния, алюминия, железа и кальция. В литосфере (по А.П.Виноградову) содержание магния составляет 2,1%. В природе магний встречается только в виде соединений. Он входит в состав многих минералов: карбонатов, силикатов и др. К числу важнейших из таких минералов относятся, в частности, углекислые карбонатные породы, образующие огромные массивы на суше и даже целые горные хребты - магнезит MgCO3 и доломит MgCO3CaCO3. Под слоями различных наносных пород совместно с залежами каменной соли известны колоссальные залежи и другого легкорастворимого магнийсодержащего минерала - карналлита MgCl2KCl6H2O (в Соликамске, например, пласты карналлита достигают мощности до 100 м). Кроме того, во многих минералах магний тесно связан с кремнеземом, образуя, например, оливин [(Mg, Fe)2SiO4] и реже встречающийся форстерит (Mg2SiO4). Другие магнийсодержащие минералы - это бруцит Mg(OH)2, кизерит MgSO4, эпсонит MgSO47H2O, каинит MgSO4KCl3H2O. На поверхности Земли магний легко образует водные силикаты (тальк, асбест и др.), примером которых может служить серпентин 3MgO2SiO22H2O. Из известных науке 1500 минералов около 200 (более 13%) содержат магний. Однако природные соединения магния широко встречаются и в растворенном виде. Кроме различных минералов и горных пород, 0,13% магния в виде MgCl2 постоянно содержатся в водах океана (его запасы здесь неисчерпаемы - около 610 16 т) и в соленых озерах и источниках. В растительных и животных организмах магний содержится в количествах порядка сотых долей процента, а в состав хлорофилла входит до 2% Mg. Общее содержание этого элемента в живом веществе Земли оценивается величиной порядка 10 11 тонн. При недостатке магния приостанавливается рост и развитие растений. Накапливается он преимущественно в семенах. Введение магниевых соединений в почву заметно повышает урожайность некоторых культурных растений (например, свеклы).
Металлический магний был впервые получен в 1828 г. А. Бюсси. Основной способ получения магния - электролиз расплавленного карналлита или MgCl2. Металлический магний имеет важное значение для народного хозяйства. Он используется при изготовлении сверхлегких сплавов для авиационной и ракетной техники, как легирующий компонент в алюминиевых сплавах, как восстановитель при магниетермическом получении металлов (титана, циркония и т.п.), в производстве высокопрочного “магниевого” чугуна со включенным графитом. Другие соединения магния - окись, карбонат, сульфат и т.п. - совершенно необходимы при изготовлении огнеупорных материалов, цементов и прочих строительных материалов.
Магний кристаллизуется в гексагональную плотноупакованную решетку, на каждой ячейке которой - по 6 атомов, из них 3 - в вершинах и в центре базисных граней, а 3 - в центрах трех тригональных призм. Занятые и свободные призмы чередуются.
Судьбу магния как конструкционного материала решила авиационная техника. Магний отличается мало плотностью; он в 1,6 раза легче алюминия, что обеспечивает высокую удельную прочность магнитных сплавов. Магниевые сплавы хорошо поглощают механические вибрации, что так же имеет важное значение при их применении в авиации, ракетной технике транспорте.
Вместе с тем магний и его сплавы обладают рядом недостатков. Они достаточно уступают алюминию по пластичности, технологичности, особенно при температурах ближе к комнатным и ниже ее. Модуль нормальной упругости магния невысок, он примерно в 1.5 раза меньше, чем у алюминия, и почти в 5 раз меньше. Чем у стали.
Коррозийная стойкость магния и его сплавов также ниже по сравнению с алюминием и сплавами на его основе. При высоких температурах магний активно взаимодействует с газами. В частности с кислородом. Поэтому при извлечении магний из руд, плавке и горячей обработке давлением встречаются существенные трудности. Вследствие этого магний производят и применяют в меньших масштабах, чем можно ожидать от его распространенности в природе.
По распространению в природе(2,4% массы земной коры) магний среди конструкционных металлов занимает третье место после алюминия(7,5%) и железа (5,1%).
Магний относиться ко второй группе периодической системе Д.И. Менделеева. Атомная масса его 24,32; магний - щелочноземельный металл.
Магний – один из самых распространенных в земной коре элементов, он
занимает VI место после кислорода, кремния, алюминия, железа и кальция. В
литосфере (по А.П.Виноградову) содержание магния составляет 2,1%. В природе
магний встречается только в виде соединений. Он входит в состав многих
минералов: карбонатов, силикатов и др. К числу важнейших из таких минералов
относятся, в частности, углекислые карбонатные породы, образующие огромные
массивы на суше и даже целые горные хребты – магнезит MgCO3 и доломит
MgCO3(CaCO3.
Содержание
Введение…………………………………………………………………………2
Физические и химические свойства……………………………………………3
Соединения магния………………………………………………………………4
История магния…………………………………………………………………..6
Не конструкционное применение магния……………………………………. 7
Конструкционное применение магния………………………………………….9
Биологическая роль магния…………………………………………………….11
Магний как лекарственное средство………………………………………….12
Использованная литература……………………………………………..…….13
Работа содержит 1 файл
магний.doc
Оглавление
Физические и химические свойства……………………………………………3
Не конструкционное применение магния……………………………………. 7
Конструкционное применение магния………………………………………….9
Биологическая роль магния…………………………………………………….11
Магний как лекарственное средство………………………………………….12
Использованная литература……………………………………………..… ….13
Введение
Магний – один из самых распространенных в земной коре элементов, он
занимает VI место после кислорода, кремния, алюминия, железа и кальция. В
литосфере (по А.П.Виноградову) содержание магния составляет 2,1%. В природе
магний встречается только в виде соединений. Он входит в состав многих
минералов: карбонатов, силикатов и др. К числу важнейших из таких минералов
относятся, в частности, углекислые карбонатные породы, образующие огромные
массивы на суше и даже целые горные хребты – магнезит MgCO3 и доломит
MgCO3(CaCO3. Под слоями различных наносных пород совместно с залежами
каменной соли известны колоссальные залежи и другого легкорастворимого
магнийсодержащего минерала – карналлита MgCl2(KCl(6H2O (в Соликамске,
например, пласты карналлита достигают мощности до 100 м). Кроме того, во
многих минералах магний тесно связан с кремнеземом, образуя, например,
оливин [(Mg, Fe)2SiO4] и реже встречающийся форстерит (Mg2SiO4). Другие
магнийсодержащие минералы – это бруцит Mg(OH)2, кизерит MgSO4, эпсонит
MgSO4(7H2O, каинит MgSO4(KCl(3H2O. На поверхности Земли магний легко
образует водные силикаты (тальк, асбест и др.), примером которых может
служить серпентин 3MgO(2SiO2(2H2O. Из известных науке 1500 минералов около
200 (более 13%) содержат магний. Однако природные соединения магния широко
встречаются и в растворенном виде. Кроме различных минералов и горных
пород, 0,13% магния в виде MgCl2 постоянно содержатся в водах океана (его
запасы здесь неисчерпаемы – около 6(1016 т) и в соленых озерах и
источниках. В растительных и животных организмах магний содержится в
количествах порядка сотых долей процента, а в состав хлорофилла входит до
2% Mg. Общее содержание этого элемента в живом веществе Земли оценивается
величиной порядка 1011 тонн. При недостатке магния приостанавливается рост
и развитие растений. Накапливается он преимущественно в семенах. Введение
магниевых соединений в почву заметно повышает урожайность некоторых
культурных растений (например, свеклы).
Металлический магний был впервые получен в 1828 г. А. Бюсси. Основной
способ получения магния – электролиз расплавленного карналлита или MgCl2.
Металлический магний имеет важное значение для народного хозяйства. Он
используется при изготовлении сверхлегких сплавов для авиационной и
ракетной техники, как легирующий компонент в алюминиевых сплавах, как
восстановитель при магниетермическом получении металлов (титана, циркония и
т.п.), в производстве высокопрочного “магниевого” чугуна со включенным
графитом. Другие соединения магния – окись, карбонат, сульфат и т.п. –
совершенно необходимы при изготовлении огнеупорных материалов, цементов и
прочих строительных материалов.
Магний кристаллизуется в гексагональную плотноупакованную решетку, на
каждой ячейке которой – по 6 атомов, из них 3 – в вершинах и в центре
базисных граней, а 3 – в центрах трех тригональных призм. Занятые и
свободные призмы чередуются.
Физические и химические свойства
Магний – серебристо-белый блестящий металл, сравнительно мягкий и
пластичный, хороший проводник тепла и электричества. На воздухе он
покрывается тонкой оксидной пленкой, придающей ему матовый цвет.
Кристаллическая решетка магния относится к гексагональной системе.
В природе магний встречается в виде трех стабильных изотопов: 24Mg
(78,60%), 25Mg (10,11%) и 26Mg (11,29%). Искусственно были получены изотопы
с массами 23, 27 и 28.
В периодической системе элементов магний располагается в главной
подгруппе II группы; его порядковый номер – 12, атомный вес 24,312.
Электронная конфигурация невозбужденного атома – 1s22s2p63s2; валентные
электроны наружного слоя определяют валентность +2 и объясняет типичный
характер восстановительных реакций, в которые вступает магний. Строение
внешних электронных оболочек атома Mg (3s2) соответствует его
нульвалентному состоянию. Возбуждение до обычного двухвалентного (3s3p)
требует затраты 62 ккал/г-атом
На внешнем электронном уровне атома содержатся только 2 электрона,
конфигурации, в результате чего образуются двухвалентные положительно
заряженные ионы магния. Поэтому химически магний очень активен, на воздухе
окисляется, но образующаяся при этом на поверхности окисная пленка отчасти
препятствует дальнейшему окислению.
Магний наряду с бериллием, кальцием, стронцием, барием и радием
относится к группе щелочноземельных металлов. Все они имеют бело-
серебристый цвет (исключение составляет барий – он светло-серый), все они
мягкие и легкие (кроме радия – он тяжелый и радиоактивный).
Щелочноземельные металлы плохо проводят электрический ток; почти все они
неустойчивы на воздухе, активны, легко растворяются в разбавленных
кислотах, при нагревании энергично реагируют с кислородом, водородом,
азотом, углеродом, галогенами, серой, фосфором и др.; они используются в
качестве восстановителей в промышленном многих веществ. Но как
конструкционный материал из всей группы широко применяется только магний.
Пары магния содержат молекулы Mg2, энергия диссоциации которых оценивается в 7 ккал/моль. Сжимаемость Mg мала, под давлением в 100 тыс. ат его объем уменьшается
до 0,85 исходного.
Соединения магния
Поляризующая способность иона Mg2+ невысока, а по величине
коэффициента поляризации, который количественно характеризует
деформируемость иона, магний уступает большинству металлов.
Поэтому комплексные соединения магния малоустойчивы и образуются
обычно только в щелочной среде.
Ниже представлены теплоты образования некоторых соединений магния и
бериллия, рассчитанные в ккал на грамм-эквивалент металла:
| |F |Cl |Br |I |O |S |N |
|Mg |134 |77 |62 |43 |72 |42 |19 |
|Be |134 |77 |62 |43 |72 |42 |19 |
|Отношение Mg/Be |0,90 |0,73 |0,65 |0,47 |1,00 |0,47 |1,21 |
Из приведенных данных видно, что теплоты образования аналогичных
производных бериллия и магния близки при сравнительно малых объемах
металлоидных атомов (F, O, N) и сильно расходятся при больших (Cl, Br, I,
S). Так как сам атом магния значительно больше атома бериллия, это
свидетельствует о значительной роли объемных соотношений при образовании
Ядерные расстояния в кристаллах MgO (т. пл. 2850оС) равны 1,64 (, а у
их индивидуальных молекул (в парах) – 1,75 (. Пары MgO сильно
диссоциированы на элементы. MgO растворима в воде тем труднее, чем сильнее
она была предварительно прокалена. Такое снижение реакционной способности
обусловлено в данном случае укрупнением кристаллов. При хранении на воздухе
оксид магния постепенно поглощает влагу и CO2, переходя в Mg(OH)2 и в
MgCO3. Окись магния изредка встречается в природе (минерал периклаз).
Получаемая прокаливанием природного магнезита MgO является исходным
продуктом для изготовления различных огнеупорных изделий и искусственных
строительных материалов (“ксилолит” и др.) Кашица из замешанной на
очищенном бензине окиси магния может быть использована для снятия с бумаги
жировых и масляных пятен: ею смазывают пятно и дают бензину испариться,
после чего удаляют сорбировавшую жир окись магния.
В основе ксилолита лежит магнезиальный цемент, получаемый смешиванием
предварительно прокаленной при 800оС окиси магния с 30%-ным водным
раствором MgCl2 (на 4 вес. ч. MgO берется 1 вес. ч. безводного MgCl2).
Вследствие образования более или менее длинных цепей типа –Mg–O–Mg–O–Mg– (с
Монумент в честь покорителей космоса воздвигнут в Москве в 1964 г. Почти семь лет (1958 – 1964) ушло на проектирование и сооружение этого обелиска. Авторам пришлось решать не только архитектурно-художественные, но и технические задачи. Первой из них был выбор материалов, в том числе и облицовочных. После долгих экспериментов остановились на отполированных до блеска титановых листах.
Действительно, по многим характеристикам, и прежде всего по коррозионной стойкости, титан превосходит подавляющее большинство металлов и сплавов. Иногда титан называют вечным металлом.
Титан был впервые получен лишь в 1875 г. русским ученым Д. К. Кирилловым. Результаты этой работы опубликованы в его брошюре “Исследования над титаном”. Но работа малоизвестного русского ученого осталась незамеченной. Еще через 12 лет довольно чистый продукт — около 95 % титана — получили соотечественники Берцелиуса, известные химики Л. Нильсон и О. Петерсон.
Одной из основных “проблем”, которые пытались разрешить средневековые алхимики, было получение “философского камня”. Предполагалось, что он необходим для массового производства золота из “неблагородных” металлов [Беляев А. И. История магния. — М.: Наука, 1974, стр. 15].
Поиски велись в разных направлениях, но ни “камня философов”, ни “эликсира молодости” алхимики не нашли. Они делали много ошибок; некоторых из них современники уличали в ереси, но для будущей химической науки, особенно для техники лабораторного эксперимента, алхимики сделали немало.
В XVII в. начался новый период в истории химической науки. Именно в этот период произошло открытие, в значительной степени предвосхитившее открытие элемента магния.
В 1808 г. Хэмфри Дэви при электролизе слегка увлажненной белой магнезии с окисью ртути получил амальгаму нового металла, который вскоре был из нее выделен и назван магнием. Правда, магний, полученный Дэви, был загрязнен примесями; первый действительно чистый магний получен А. Бюсси в 1829 г. [Популярная библиотека химических элементов. —М.: Наука, 1977, стр. 145].
1. Свойства титана и его сплавов
1.1. Физико-механические свойства титана
Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Однако промышленный способ его извлечения был разработан лишь в 40-х годах ХХ века. Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плотность, высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, холодостойкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик, приведенных ниже.
Физико-механические свойства титана
Температура плавления Тпл, ° С
Коэффициент линейного расширения · 10–6, град–1
Теплопроводность, Вт/(м · град)
Предел прочности при растяжении в, МПа
Условный предел текучести 0,2, МПа
Удельная прочность ( в/ · g) · 10–3, км
Модуль нормальной упругости Е х 10–3, МПа
Модуль сдвига G х 10–3, МПа
Ударная вязкость KCU, Дж/см2
Титан имеет две полиморфные модификации: -титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию -титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900° С. Температура полиморфного ↔ -превращения составляет 882° С.
Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения — кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается [Некрасов Б. В. Основы общей химии. — М.: Химия, 1967, стр. 56].
1.2. Титан и его сплавы
А вообще в титановые сплавы входят очень многие элементы, вплоть до платины и палладия. Последние (в количестве 0,1. 0,2 %) повышают и без того высокую химическую стойкость титановых сплавов.
Прочность титана повышают и такие “легирующие добавки”, как азот и кислород. Но вместе с прочностью они повышают твердость и, главное, хрупкость титана, поэтому их содержание строжайше регламентируется: в сплав допускается не более 0,15 % кислорода и 0,05 % азота.
Несмотря на то, что титан дорог, замена им более дешевых материалов во многих случаях оказывается экономически выгодной. Вот характерный пример. Корпус химического аппарата, изготовленный из нержавеющей стали, стоит 150 рублей, а из титанового сплава — 600 рублей. Но при этом стальной реактор служит лишь 6 месяцев, а титановый — 10 лет. Прибавьте затраты на замену стальных реакторов, вынужденные простои оборудования — и станет очевидно, что применять дорогостоящий титан бывает выгоднее, чем сталь.
Значительные количества титана использует металлургия. Существуют сотни марок сталей и других сплавов, в состав которых титан входит как легирующая добавка. Его вводят для улучшения структуры металлов, увеличения прочности и коррозийной стойкости.
Некоторые ядерные реакции должны совершаться в почти абсолютной пустоте. Ртутными насосами разрежение может быть доведено до нескольких миллиардных долей атмосферы. Но этого недостаточно, а ртутные насосы на большее неспособны. Дальнейшая откачка воздуха осуществляется уже особыми титановыми насосами. Кроме того, для достижения еще большего разрежения по внутренней поверхности камеры, где протекают реакции, распыляют мелкодисперсный титан.
2. Свойства магния и его сплавов
2.1. Физико-химические и механические свойства магния
Магний — металл серебристо-белого цвета, один из самых распространенных элементов в земной коре. Магний кристаллизуется в решетку ГПУ с периодами a = 0,32 нм, с = 0,52 нм и не имеет аллотропических модификаций. Характеристики основных физико-химических и механических свойств приведены ниже.
Характеристики физико-химических и механических свойств магния
Плотность , (кг/м3) · 10–3 1,74
Температура плавления Тпл, °С 651
Температура кипения Ткип, °С 1107
Скрытая теплота плавления, Дж/г 393
Удельная теплоемкость (при 20–100 °С), Дж/(г·град) 1,03
Теплопроводность , Вт/(м град) 157
(при 20 °С), Ом мм2/м 0,047
Коэффициент линейного расширения , при 25° С, (1/град) 106 26
Временное сопротивление в, МПа:
в литом состоянии 118
в деформированном состоянии 196
Предел текучести, МПа:
в литом состоянии 30
в деформированном состоянии 88
в литом состоянии 30,0
в деформированном состоянии 36,0
в литом состоянии 8,0
в деформированном состоянии 12,0
Модуль упругости Е, МПа:
в литом состоянии 42000–44000
в деформированном состоянии 41000–43000
Магний — химически активный металл и легко окисляется. Оксидная пленка MgO не обладает высокими защитными свойствами и с повышением температуры скорость окисления быстро возрастает. При нагреве на воздухе до 623° С магний воспламеняется. Это затрудняет плавку и разливку магния и его сплавов. Магниевая пыль, мелкая стружка самовозгораются при еще более низкой температуре. Поэтому отливки перед загрузкой в печь для их термообработки необходимо очищать от магниевой пыли, стружки и заусенцев [Самсонов Г. В., Перминов В. П. Магниды. — Киев: Наукова думка, 1971, стр. 35].
Литой магний имеет крупнокристаллическую структуру и низкие механические свойства: в = 110–120 МПа, 0,2 = 20–30 МПа, = 6–8 %, НВ 30. Низкая пластичность магния при нормальной температуре связана с особенностью решетки ГПУ, в которой скольжение происходит только по базисным плоскостям. Повышение температуры приводит к появлению новых плоскостей скольжения и двойникованию и, как следствие, к увеличению пластичности. Поэтому обработку давлением магния и его сплавов проводят при температуре 320–430° С в состоянии наибольшей пластичности.
2.2. Магний и его сплавы
Из-за низких механических свойств чистый магний как конструкционный материал не применяется. Он используется для производства магниевых сплавов, в пиротехнике, в химической промышленности, а также в металлургии в качестве раскислителя, восстановителя, модификатора и легирующего элемента.
Свойства магния значительно улучшаются при легировании. Основными легирующими элементами магниевых сплавов являются Al, Zn, Mn, Li. Для дополнительного легирования используют Zr, Cd, Ce, Nd и др. Механические свойства магниевых сплавов при температуре 20–25° С улучшаются с помощью легирования алюминием, цинком и цирконием, при повышенной температуре — добавкой церия, неодима и, особенно, тория. Цирконий и церий оказывают модифицирующее действие на структуру сплавов магния. Особенно эффективен цирконий: добавка 0,5–0,7 % Zr уменьшает размер зерна в 80–100 раз. Кроме того, Zr и Mn значительно уменьшают вредное влияние примесей железа и никеля на свойства сплавов.
Увеличение растворимости легирующих элементов в магнии с повышением температуры позволяет подвергать сплавы упрочняющей термической обработке: закалке и искусственному старению. Однако термическая обработка магниевых сплавов усложняется из-за весьма медленных диффузионных процессов в магниевом твердом растворе. Малая скорость диффузии требует больших выдержек при нагреве под закалку (до 16 – 30 ч) для растворения вторичных фаз и обеспечивает закалку при охлаждении на воздухе. Магниевые сплавы не склонны к естественному старению. При искусственном старении необходимы высокие температуры (до 200° С) и большие выдержки (до 16 – 24 ч).
Магниевые сплавы находят широкое применение. Авиация и реактивная техника, ядерные реакторы, детали моторов, баки для бензина и масла, приборы, корпуса вагонов, автобусов, легковых автомобилей, колеса, масляные насосы, отбойные молотки, пневмобуры, фото и киноаппараты, бинокли — вот далеко не полный перечень областей применения магниевых сплавов [Тихонов В. Н. Аналитическая химия магния. — М.: Наука, 1973, стр. 65].
Благодаря высокой коррозионной стойкости титан и его сплавы широко используются в химической промышленности: теплообменники и выпарная аппаратура, реакторы, скрубберы, сушилки, разделительные колонны, емкости, насосы, прочее оборудование . Примерно 30 % титана расходуется на изготовление коммуникаций из титана, применяемых в химической промышленности, титан используется также в хлорном производстве.
Широкое применение титан находит в производстве искусственного волокна, красителей, азотной кислоты, синтетических жирных кислот, хлорированных углеводородов, кальцинированной соды, в хлорорганическом синтезе, во многих агрессивных средах.
Титан применяется в качестве элемента, повышающего твердость алюминиевых сплавов, и модификатора, позволяющего получать мелкозернистую структуру металла.
Добавки титана повышают качество чугуна и стали. Отдельно или с другими элементами титан применяется как раскислитель при производстве многих низколегированых и углеродистых сталей.
Титан часто называют металлом будущего. Факты, которыми уже сейчас располагают наука и техника, убеждают, что это не совсем так — титан уже стал металлом настоящего.
Магний — один из самых распространенных в земной коре элементов, он занимает VI место после кислорода, кремния, алюминия, железа и кальция.
Он используется при изготовлении сверхлегких сплавов для авиационной и ракетной техники, как легирующий компонент в алюминиевых сплавах, как восстановитель при магнийтермическом получении металлов (титана, циркония и т. п.), в производстве высокопрочного “магниевого” чугуна со включенным графитом. Другие соединения магния — окись, карбонат, сульфат и т. п. — совершенно необходимы при изготовлении огнеупорных материалов, цементов и прочих строительных материалов.
Магний — чрезвычайно реакционноспособный металл; жадно соединяется с кислородом, особенно при повышенных температурах. Как и алюминий, магний образует защитную окисную пленку, но непрочную, поэтому он и его сплавы сильно подвержены коррозии.
Магний кристаллизуется в гексагональной системе. Гексагональная решетка в отличие от кубической имеет не несколько, а только одну плоскость скольжения. Этим и объясняется невысокая пластичность магния и большая разница в свойствах в зависимости от направления и величины зерна.
Меньший удельный вес магния (1,74), лучшая обрабатываемость его резанием и стойкость к восприятию больших ударных нагрузок, чем алюминия, способствуют применению магния как конструкционного материала, но его низкая коррозионная стойкость, невысокая пластичность, низкий предел текучести и пониженные литейные свойства в известной мере снижают ценность этого металла.
В промышленности магний применяется как раскислитель, для магниетермических процессов, в виде порошков и для производства сплавов. В чистом виде как конструкционный материал магний не применяется из-за невысокой прочности.
Термическая обработка магниевых сплавов, в отличие от термической обработки алюминиевых, дает незначительный эффект упрочнения.
В связи с тем, что сплавы магния легко воспламеняются, приходится принимать специальные меры противопожарной безопасности при работе с ними. Химический состав магния, выпускаемого в России, и его марки приведены в табл. 19.
Предел прочности литого магния 8.5—13 кг/мм2, относительное удлинение 3—6%, а твердость по Бринелю 25—30 кг/мм2.
В техническом магнии в качестве примесей присутствуют железо. никель, медь, кремний, натрий и калий.
Железо плохо растворяется в магнии (при 650—655° растворимость железа составляет 0,025%), но даже очень малые количества железа значительно снижают коррозионную стойкость магния и его сплавов. а также увеличивают пористость магния.
Кремний в количестве свыше 0,03% снижает предел прочности и относительное удлинение магния и его сплавов. Медь уменьшает коррозионную стойкость и несколько снижает механические свойства магния.
Натрий и калий — также вредные примеси в магнии и его сплавах. Натрий вызывает горячеломкость (при содержании его 0,07%), отчего становится невозможной обработка магниевых сплавов. Калий понижает механические свойства при повышенных температурах, увеличивает усадку и пористость магниевых оплавов.
Алюминий сильно повышает прочность магния, улучшает его литейные свойства, но понижает пластичность.
Максимальная добавка алюминия в магний обычно не превышает 9—11%, что определяется пределом растворимости магния в алюминии (см. рис. 6).
Бериллий, вводимый в небольших количествах (до 0,07%), понижает способность магниевых сплавов к окислению и предохраняет жидкий металл от возгорания при разливке. Кадмий повышает ударную вязкость магниевых сплавов.
Марганец, как и в алюминиевых сплавах, повышает прочность, способствует измельчению зерна, а главное — улучшает стойкость магния против коррозии.
Цинк повышает механические свойства магния и способствует появлению эффекта упрочнения, правда, незначительного. Цирконий повышает механическую прочность и пластичность магния. Церий и торий повышают жаропрочность магниевых сплавов. Иногда для повышения плотности структуры, снижения окисляемости и для измельчения зерна в магниевые сплавы вводят незначительные количества кальция (0,05—0.2%).
Промышленные магниевые сплавы разделяются на литейные и деформируемые.
Химический состав, механические свойства и примерное назначение некоторых магниевых сплавов приведены в табл. 20.
Читайте также: