Этот процесс представляет собой очистку поверхности изделий металлическими щетками для удаления травильного шлама, окислов, а также для нанесения гальванических покрытий. Для твердых металлов применяются щетки из стали, для мягких — из тонкой латунной проволоки. Частота вращения щеток — 1500— 2000 об/мин.

 

ОБЕЗЖИРИВАНИЕ

 

Обезжиривание в органических растворителях.

 

В настоящее время широко применяются негорючие растворители — трихлорэтилен, тетрахлорэтнлен и другие хлорированные углеводороды — фреон-113, фреон-30. Однако трихлорэтилен не рекомендуется применять для деталей из титана, алюминиевых сплавов, медных сплавов и с серебряными покрытиями. Тетрахлорэтилен не рекомендуется применять для деталей из титановых сплавов.

 

Не допускается обезжиривание деталей, смоченных водой. Обезжиривание происходит в специальных закрытых аппаратах сначала в нагретом растворителе, а затем в паровой фазе Химическое обезжиривание.

 

Обработка в органических растворителях не обеспечивает полного удаления загрязнений. Кроме юго, не всегда есть условия (оборудование, помещение, материалы) для ее проведения. Поэтому применяется химическое обезжиривание в щелочных растворах, которые превращают органические жиры в мыла, легко омываемые водой.

 

Для очистки от минеральных масел в растворы добавляют эмульгаторы. Электрохимическое обезжиривание. Удаление остатков различных загрязнений более эффективно при электрохимическом процессе. При пропускании тока ионы водорода разряжаются на деталях, подвешенных на катоде, механически сбивают с них частицы жира, перемешивают электролит.

 

Кроме того, вокруг деталей накапливается щелочь. Все это значительно ускоряет процесс обезжиривания. Детали из цветных и легких металлов обезжиривают на катоде.

 

Стальные детали тоже обезжиривают на катоде, но при этом происходит сильное наводораживание, повышающее хрупкость металла. Во избежание этого тонкостенные детали и пружины обезжиривают на аноде или сначала на катоде, а затем на аноде.


читать далее »

АНОДЫ


При эксплуатации анодов необходимо придерживаться следующих правил:

 

Перед использованием анодов в первый раз их следует протравить.

Медные и никелевые аноды травятся в азотной кислоте, цинковые — в соляной, оловянные — в щелочи.

 

Крюки для навески анодов на анодные штанги должны быть выше уровня электролита. Аноды следует хранить в чехлах из тканей, стойких к действию электролитов, для предотвращения засорения их анодным шламом.

 

Для чехлов используются бязь (ГОСТ 11680), капроновая ткань (ГОСТ 18436), ткань фильтровальная хлорирновая (ГОСТ 20714) и др. После окончания работы аноды следует удалять из ванны, расчехлять и чистить до металлического блеска стальными щетками. Свинцовые аноды можно очищать химическим способом в растворе, содержащем 80—120 г/л едкого натра и 80—100 г/л сегнетовой соли, при комнатной температуре в течение 1—2 ч. Распределение анодов по штангам должно обеспечивать равномерность покрытий деталей со всех сторон. Глубина погружения анодов должна соответствовать глубине погружения подвесок с деталями.

 

Для более полного использования материала анода его остатки помещают в плоскую рамку из металла, не растворимого в электролите. В щелочных и цианистых электролитах применяются анодные рамки из нержавеющей стали, в кислых электролитах — из титана.

 

Аноды, применяемые при электрохимических процессах, приведены ниже.

 

Процесс

Аноды

Меднение

Медные МО, Ml, М2 (ГОСТ 767)

Никелирование

Никелевые НПА1, НПА2

(ГОСТ 2132)

Хромирование

Свинцовые (ГОСТ 3778);

Цинкование

Цинковые ЦО, Ц1, Ц2 (ГОСТ 1180)

Кадмирование

Кадмиевые (ГОСТ 1468—71)

Лужение

Оловянные (ГОСТ 860—75)

Осаждение сплавов

олово — висмут

Оловянные

олово — никель

Сплав олово — никель (70 *)

олово — свинец

Сплав олово — свинец (60*)

Олово-цинк

Сплав олово — цинк (80*)

Серебрение

Серебряные Ср999,9 (ГОСТ 51214)

Осаждение сплава серебро — сурьма

То же

Золочение

Золотые Зл 999,9 (ГОСТ 6837)

 

Из стали I2X18H9T (ГОСТ 5632) и платинированного титана

Палладироваиие

Палладиевые, из платинированного титана

Оксидироваиие алюминия

Из стали 12X1 ИНТ и свинца

Электрополирование:

 

алюминия

Из стали I2X18Н9Т и алюминия

стали

Из стали 12Х18Н9Т и свинца

Электрохимическое обезжиривание

Никелевые НПА1, НПА2

Железнение

Из низкоуглеродистой стали

 

 

 

* В скобках указывается процентное содержание первого компонента

 


читать далее »

Наиболее распространенными электролитами для серебрения являются цианистые, дицианоаргентатные и железистосинеродистые.

Цианистые электролиты отличаются высокой рассеивающей способностью, дают матовые, мелкокристаллические осадки.

Для уплотнения серебряного покрытия и придания ему блеска изделие полируют, не вынимая из ванны, в том же электролите при токе обратной полярности в течение 3 с с интервалом 0,8—1,2 с. Общее время полирования составляют 60—70 с.

Анодная плотность тока при этом в 2—3 раза превышает катодную. Толщина снимаемого покрытия достигает 0,5—1,5 мкм. Для получения блестящего покрытия непосредственно в процессе электролиза в электролит вводят блескообразующие добавки.

Дицианоаргентатные и железистосинеродистые электролиты дают хорошие осадки, но рассеивающая способность этих электролитов невелика, что несколько ограничивает их применение. Для увеличения твердости и износостойкости серебряного покрытия в него вводят 0,3— 0,8 % сурьмы, для обеспечения постоянства переходного сопротивления — 0,1—2 % палладия.

Для предупреждения контактного вытеснения серебра детали из меди и ее сплавов перед покрытием подвергают специальной обработке — предварительному серебрению или амальгамированию. При амальгамировании деталь опускают на несколько секунд в один из следующих растворов: 5—10 г/л окиси ртути и 50—100 г/л цианистого калия, 10—12 г/л азотнокислой ртути, 7,5 г/л хлористой ртути и 4 г/л хлористого аммония.

Амальгамированная поверхность должна быть блестящей, без пятен Нужно учесть, что амальгамирование вызывает растрескивание латунных деталей, а соприкосновение амальгамированных деталей с алюминием резко увеличивает скорость коррозии последнего.


читать далее »

Для интенсификации процесса серебрения и улучшения качества осадка следует применять реверс анодного и катодного тока при соотношении 10 : 1. При электролизе используются серебряные аноды. Соотношение поверхностей анода и катода составляет 1:1.

Приготовление электролитов.

Цианистый электролит для серебрения готовят двумя способами: осаждают цианистое серебро из раствора азотнокислого серебра точно рассчитанным количеством 5 % -ного раствора цианистого калия отделяют осадок и растворяют его в избытке цианистого калия, осаждают соляной кислотой хлорид серебра из азотнокислого серебра, после отделения осадок растворяют в избытке цианистого калия.

Для блестящего серебрения цианистый калий растворяют в воде, очищают 30 %-ной перекисью водорода (2 мл/л) в течение 12 ч, вводят активированный уголь (1— 2 г/л) и через 1,5—2 ч отфильтровывают. После этого к нему добавляют предварительно растворенные азотнокислое серебро и селен, диспергатор из расчета на сухой остаток и этамон ДС в виде 50 % ного водного раствора. Для приготовления дицианоаргентатного электролита смешивают все его компоненты, предварительно растворенные в воде


читать далее »

Для приготовления железистосинероднстого электролита раствор железистосинеродистого калия доливают к раствору азотнокислого серебра.

После образования осадка железистосинеродистого серебра добавляют углекислый калий и нагревают раствор до температуры кипения. Затем доливают 50 -60 мл 30 % ною раствора перекиси водоролй и кипятят 1—2 ч Потом осадок гидроокиси железа отфильтровывают и к фильтрату добавляют раствор роданида калия.

Для составления электролита серебро — сурьма сурьмяновиннокислый калий и едкое кали растворяют в растворе сегнетовой соли и вводят в электролит для серебрения. Для приготовления электролита серебро — палладий к свежеосажденному хлористому серебру прибавляется раствор KCNS (300 г). К раствору, содержащему 250 г KCNS, прибавляется смоченный в воде хлористый палладий. Оба раствора сливаются в ванну и к ним добавляют роданистый калий и пирофосфорнокислый калий.

Дополнительная обработка серебряных покрытий. Под воздействием соединений серы на поверхности серебра образуется пленка сернистого серебра, в результате чего ухудшается внешний вид, увеличивается переходное сопротивление и утрачивается способность к пайке.

Для защиты серебряных контактов они покрываются тонким слоем палладия, родия или золота Для защиты от потускнения серебряные покрытия пассивируются, для получения декоративной черной пленки — подвергаются анодной обработке.


читать далее »

Никель, осажденный химическим путем, представляет собой сплав никеля с фосфором (от 5 до 12 % фосфора).

Основой процесса является реакция восстановления никеля из водных растворов его солей гипофосфитом натрия. При приготовлении растворов все компоненты растворяют в теплой воде в отдельных емкостях. Затем все растворы (кроме раствора гипофосфита) смешивают и доводят рН до нормы аммиаком или уксусной кислотой.

Тио-мочевину добавляют в виде 0,1 %-ного раствора. Раствор гипофосфита прибавляют в последнюю очередь, непосредственно перед началом процесса.

Для инициирования химического никелирования деталей из меди и ее сплавов в начале процесса необходимо обеспечить контакт этих деталей с электроотрицательным металлом (например, со сталью, алюминием). После покрытия детали подвергаются термообработке при 200 °С в течение 2 у для снятия внутренних напряжений и повышения прочности сцепления покрытия с основой.

Для увеличения твердости до 10 ГПа детали необходимо подвергнуть термообработке при 400 °С в течение 1 ч.

Олово можно осаждать химическим путем на медь и медные сплавы из кислых растворов.

Золото химически осаждают из раствора на основе дицианоаурата калия.

В процессе контактно-химического серебрения детали контактируют с алюминием или магнием при соотношении их поверхностей и поверхности покрываемых деталей 1 : 6. Контакт происходит вне рабочего раствора.

Химическое серебрение производится осаждением из сульфитного комплекса.


читать далее »

Процесс коррозионного разрушения металла в условиях воздействия факторов окружающей воздушной среды принято называть атмосферной коррозией.

В процессе эксплуатации неизбежно увлажнение и загрязнение поверхности металлов, что является первопричиной возникновения и развития атмосферной коррозии.

Причинами увлажнения поверхностей могут быть выпадение росы при повышенной относительной влажности воздуха и перепадах температур поверхности металла и окружающей среды, образование конденсационной пленки влаги в результате адсорбционных, химических и капиллярных явлений.

Во всех случаях наблюдается неравномерность увлажнения и загрязнения поверхности, а следовательно, и интенсивности протекания процесса коррозии. Атмосферную коррозию разделяют на сухую, влажную и мокрую.

Атмосферную коррозию, протекающую под молекулярными слоями влаги, называют сухой атмосферной коррозией. Эта разновидность коррозии характеризуется поверхностным окислением металла по чисто химическому механизму взаимодействия какого-либо реагента в газообразном виде, например кислорода воздуха или сероводорода, как примеси в воздухе, с поверхностью металла (потускнение никелевых, цинковых, оловянных покрытий, латунных изделий, почернение медных, серебряных покрытий). Окисные пленки в результате сухой атмосферной коррозии образуются на металлах в течение первых 2—3 ч. В дальнейшем утолщение их практически прекращается.

Процессы сухой атмосферной коррозии не оказывают существенного влияния на сохранность элементов конструкций, не снижают их работоспособности даже при содержании в воздухе небольших количеств агрессивных веществ. Например, полное почернение поверхности серебряных контактов приборов и аппаратуры может вызвать незначительное увеличение переходного сопротивления (до 3%).

Атмосферную коррозию, протекающую при относительной влажности менее 98% под конденсационными пленками влаги (до 1 мкм), называют влажной атмосферной коррозией. Процесс химической конденсации стимулируется продуктами коррозии. При определенной влажности, называемой критической, наблюдается образование сплошной пленки влаги и резкое повышение скорости коррозионного процесса, который протекает с этого момента по электрохимическому механизму. Экспериментальные значения критической влажности для различных металлов и сплавов меди, никеля, цинка, латуни в большинстве случаев находятся между 50—70%.

Атмосферную коррозию, протекающую при относительной влажности выше 98% в условиях капельной конденсации или прямого попадания атмосферных осадков на поверхность металла с образованием фазовых пленок влаги, называют мокрой атмосферной коррозией. По своему механизму процесс подобен электрохимической коррозии при полном погружении металла в электролит и связан с функционированием локальных микроэлементов.


читать далее »

Термодинамическая устойчивость металлов является важнейшим фактором, характеризующим возможность развития коррозионного процесса.

Большинство металлов в воздушной среде и водных растворах электролитов термодинамически неустойчиво. Коррозионные процессы протекают самопроизвольно с кислородной деполяризацией.

К сожалению, величины, полученные в определенных условиях, хотя и дают общее представление о коррозионной стойкости металлов, не определяют однозначно скорость коррозионных процессов.

Металл, нестойкий в одних условиях, может оказаться устойчивым в других. Это обусловливается торможением термодинамически возможных процессов образующимися вторичными продуктами коррозии, пассивными пленками и др.

Например, алюминиевые сплавы в определенных условиях оказываются коррозионно-стойкими вследствие легкой пассивируемости. О коррозионной стойкости металлов с учетом других факторов можно судить по положению их в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Наиболее коррозионно-нестойкие металлы расположены в основных подгруппах первой и второй групп.

Металлы этих подгрупп, начиная со второй группы, пассивируются, и этим можно объяснить повышение их коррозионной стойкости, которая возрастает в каждой группе с уменьшением атомного веса. Коррозионная стойкость металлов вторых подгрупп в значительной мере определяется их термодинамической устойчивостью, которая растет в каждой группе с увеличением атомного веса, и реже — налетом продуктов коррозии (гидрат окиси цинка, сульфат свинца, сульфид серебра, карбонат и гидрат окиси меди).

Наиболее коррозионно-стойкие металлы находятся внизу группы переходных элементов (осмий иридий, платина) и в первой группе (золото). Факторы Х1 и Х2 учитываются при конструировании изделий (выбор коррозионно-стойких сплавов в условиях прямого контакта с кислотами, контактных пар и т. д.), при разработке новых сплавов с повышенной коррозионной устойчивостью для определенных условий эксплуатации.


читать далее »

Этот метод лишен отмеченных выше недостатков. Основными преимуществами его являются быстрота алитирования (от 1 до 15 мин), сравнительно низкие температуры (600 – 800° С) и простота. Кроме того, алитирование погружением является наиболее дешевым по сравнению с другими методами.
Сущность способа состоит в погружении стального изделия с чистой металлической поверхностью в жидкий алюминий или его сплав и выдержки в нем в течение определенного времени. При этом поверхностный слой металла растворяется в алюминии, вступает с ним во взаимодействие, образуя интерметаллические соединения типа Fe Alm. Дальнейший рост переходного слоя интерметаллидов идет в результате диффузии алюминия в железе. При этом реакция и диффузия протекают очень быстро, благодаря чему слой толщиной. 0,02 – 0,10 мм образуется в течение 1 – 15 мин. Процесс алитирования ведут при 700 – 800° С, т. е. при температуре более низкой, чем алитирование методом калоризации. Алитирование погружением имеет и недостатки: 1) наличие хрупкой составляющей; 2) разъедание погружаемых изделий, так как алюминий в жидком состоянии очень легко вступает в реакцию с другими металлами; 3) довольно высокая температура процесса, что снижает стойкость тиглей; 4) местное налипание алюминия на слои алитирования; 5) неравномерность насыщения железа алюминием; 6) окисление железа во время погружения и 7) налипание пленки окиси алюминия.
Все перечисленные недостатки следует учитывать при получении жаростойких покрытий. В производстве биметаллических отливок некоторые недостатки, например местное налипание алюминия на слои алитирования, не имеют никакого значения, так как сразу же после алитирования следует обливка. Такие недостатки, как наличие хрупкой составляющей в слое, неравномерность насыщения алюминием, имеются в других способах получения алюминиевых покрытий (диффузионное покрытие, металлизация), а также при сварке алюминиевых деталей со стальными.
Чтобы устранить недостатки, свойственные алитированию погружением, предложено значительное число различных методов, которые можно свести к трем группам: 1) применение металлических защитных покрытий; 2) создание защитной газовой атмосферы и 3) применение покровных флюсов. В качестве – предварительных металлических покрытий могут служить олово, цинк, свинец, кадмий, медь, серебро. Однако использование предварительных покрытий удорожает процесс алитирования, изменяет со временем состав ванн алитирования.
Создание защитной атмосферы (водорода, углекислого газа, диссоциированного аммиака и т. п.) при производстве биметаллических отливок крайне сложно и дорого. Кроме того, при применении водорода идет интенсивное насыщение и материала арматуры, что ухудшает образование переходного слоя и вызывает хрупкость стали.
читать далее »

 

К группе IA Периодической системы элементов относятся щелочные металлы: литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. Сведений о тройных системах алюминия и железа с перечисленными металлами в литературе нет. К группе IIA относятся бериллий, магний, щелочноземельные металлы (кальций, стронций, барий) и радий. В литературе есть сведения о тройных системах алюминия и железа с бериллием и с магнием. Системы со щелочноземельными металлами (кальцием, стронцием, барием) и с радием до настоящего времени никем не изучались.

Система алюминий – железо – бериллий. Эта система частично исследована. Приводятся данные о существовании в ней тройного соединения FеВе2,3Аl2, которое находится в равновесии с твердым раствором на основе алюминия. Структура этого соединения принадлежит к моноклинной сингонии и структурному типу FеВеАl2 родственному типу МgСu2. Более подробных сведений о системе алюминий – железо – бериллий в литературе нет.

Система алюминий – железо – магний. Эта система также частично изучена. В работе приводятся результаты исследования алюминиевого угла системы. Было установлено, что твердый раствор алюминия в этой системе вступает в равновесия с двойной фазой FеАl3, с р-фазой системы Mg Al (~Мg2Аl3) и в тройное эвтектическое равновесие Al-J-FеАl3- Мg2Аl3.

Тройная эвтектика содержит 3 % (по массе) железа и 29 % (по массе) магния. Тройные соединения в изученной области системы не обнаружены. Данные об исследовании других областей системы алюминий – железо – магний (богатых железом или магнием) не имеется.

К группе периодической системы относятся скандий, иттрий, лантан, 14 лантаноидов (церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний., тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций), актиний и металлы, отнесенные к группе актиноидов (торий, протактиний, уран, нептуний, плутоний и другие трансураны). Из всех перечисленных металлов только четыре (лантан, церий, уран и иттрий) изучались в роли третьих компонентов систем алюминий – железо – третий компонент.

 

Система алюминий – железо – никель. Эта система исследовалась во всем интервале концентраций. Было установлено, что в ней существует непрерывный ряд твердых растворов между изоструктурными соединениями NiAl и FeAl (упорядоченная фаза) и ограниченные твердые растворы на основе соединений NiАl3 и FеАU. В алюминиевом углу системы находятся два соединения р и п. Первому из них присущ состав FeNiAlg и структура типа С02АI9 (моноклинная сингония), второму – состав Fе3NiАli0 и гексагональная структура типа С02АI5.

При высоких температурах было обнаружено также соединение Fе2NiАl, которое при понижении температуры распадается на Fe + NiAl.

В связи с тем, что никель может быть весьма эффективным легирующим элементом для железоалюминиевых соединений, нами было предпринято дополнительное исследование алюминиевого угла системы алюминий – железо – никель для проверки имеющихся литературных данных.

Было изучено 48 тройных сплавов, приготовленных из алюминия АВ000 (99,98 % А1), карбонильного железа (99,99 % Fe) и никеля особой чистоты (99,999 % №). Термическая обработка сплавов заключалась в их 2400–4 отжиге при 500° С и последующей закалке в холодной воде.

Полученные результаты подтверждают литературные данные. В алюминиевом углу системы образуется два тройных соединения р и л составов FeNiAlg и Fе3NiАIiо со структурами типов С02АI9 и Со2Аl3 соответственно. Соединение FеАl3 растворяет примерно 8 % (ат.) никеля, соединения NiAl и FeAl дают непрерывные ряды твердых растворов между собой. В равновесии с твердым раствором на основе алюминия находятся двойные соединения № А13 и FеАl3 и тройное соединение FeNiAlg (Р). FеАl3 вступает в равновесие в виде твердого раствора (А1, Ni) 3Fе.

Следует отметить, что соединение FеАl3 растворяет значительные количества никеля, a Fе2Аl5 никеля практически не растворяет.

К группе 1Б Периодической системы относятся медь, серебро и золото. Тройные системы алюминия и железа с серебром и с золотом не изучались; система алюминий – железо – медь исследовалась различными авторами.

Система алюминий – железо – медь. Исследованию двойной системы алюминий – медь посвящено очень много работ, однако эту систему нельзя еще назвать полностью изученной, и в литературных данных имеется много расхождений. Система алюминий – медь является одной из самых сложных двойных систем. Согласно двойной диаграмме, в системе алюминий – медь существуют 10 соединений.

 


читать далее »

Система алюминий – железо – скандий до настоящего времени эта система не изучалась. Нами было исследовано 15 тройных сплавов, приготовленных из алюминия АВ000 (99,98 % Аl), карбонильного железа (99,99 % Fe) и скандия (98,8 % Sc и 0,94 % других редкоземельных металлов). Термическая обработка сплавов заключалась в их отжиге при 500° С в течение 3600 ч и последующей закалке в холодной воде.
В результате исследования было установлено существование в системе тройного соединения, характеризующегося большой областью гомогенности и обладающего тетрагональной объемноцентрированной структурой типа ТhМni2. Это тройное соединение существует в равновесии со всеми двойными соединениями системы алюминий – железо, т. е. с соединениями FеАl3, Fе2Аl5, FеАl2 и FeAl, и не находится в равновесии с алюминием.

Выбор легирующих элементов для железоалюминиевых соединении Основной причиной низкой прочности железо – алюминиевых соединений является образование в них прослойки, состоящей в основном из двойных соединений FеАU и в особенности Fе2Аl5. Таким образом, вопрос упрочнения железоалюминиевых соединений сводится к устранению этих двух фаз из соединения или, по крайней мере, к уменьшению их содержания до таких количеств, чтобы они не образовывали сплошных прослоек из интерметаллидов.
Вполне понятно, что методом введения легирующих добавок полностью устранить образование соединений Fе2Аl5 и FеАl3 в железоалюминиевых соединениях принципиально невозможно. В то же время можно ожидать значительного уменьшения количества указанных фаз в тех случаях, когда введение легирующего металла в железоалюминиевые сплавы приводит к образованию тройных соединений. При этом важно, чтобы образующиеся тройные соединения содержали небольшие количества легирующих металлов и чтобы эти соединения характеризовались значительно большей прочностью и пластичностью, чем соединения Fе2Аl5 и FеАl3.
Проведенные исследования дают возможность сравнить тройные системы друг с другом. Обращает на себя внимание большое сходство между системами алюминия и железа с редкоземельными металлами. Во всех этих системах, в которых третьим компонентом является один из металлов группы лантаноидов или иттрий, в областях, близких к стороне Аl – Fe, образуются фазы с одинаковыми структурами и одинаковыми (или близкими) составами, а именно фазы. Во всех системах только эти фазы вступают в равновесия с алюминием, железом или двойными алюминидами железа.
Большое сходство наблюдается также между системами алюминий – железо – цирконий, алюминий – железо – гафний и алюминий – железо – скандий. Для всех трех названных систем характерно существование тройных фаз, характеризующихся большими областями протяженности, расположенными вдоль изоконцентрат 7,7 % (ат.) циркония, гафния или скандия и вступающими в равновесие с двойными алюминидами железа.
Существование в указанных системах г|) – фаз в некоторой степени роднит эти три системы с системами алюминий – железо – редкоземельный металл. Все остальные системы значительно отличаются от перечисленных систем и друг от друга.
Проведенные исследования дают возможность сделать некоторые выводы относительно целесообразности испытания тех или иных металлов в качестве легирующих элементов в железоалюминиевых соединениях. На наш взгляд, перспективными в этом отношении могут оказаться три группы металлов.
Металлы, при невысоком содержании которых в тройных системах с алюминием железом образуются соединения, составы которых расположены на концентрационном треугольнике близко к составам двойных алюминидов железа. Образование этих соединений должно препятствовать появлению больших количеств двойных железо-алюминиевых фаз, обусловливающих непрочность тройных соединений.
Такими легирующими металлами могут быть элементы групп IIIА и IVA Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, т. е. титан, цирконий, гафний, скандий и редкоземельные металлы. Во всех тройных системах алюминия и железа с перечисленными металлами образуются тройные фазы (чаще всего фазы л|)), содержание третьего компонента в которых невелико и которые, вступая в равновесие с двойными алюмини – дами железа, суживают фазовые области с участием Fе2Аl5.
Необходимым и достаточным, на наш взгляд, количеством третьего компонента (легирующей добавки) в шве должно быть 3 – 5 % (ат.). Перспективными также могут быть металлы группы VIIIA Периодической системы, а именно никель или кобальт.
В системе с никелем существование тройной фазы (FeNiAlg), содержащей 6 % (ат.) Ni, также резко сокращает фазовые области с участием соединения Fе2Аl3.
На целесообразность испытания никеля в роли легирующего компонента указывает также результат исследования образцов железоалюминиевых сварных швов (содержание никеля 12 %). Именно в таких швах интерметаллидная прослойка оказалась самой тонкой (микроскопические исследования) и не содержащей фазы Fе2Аl5 (рентгеноструктурное исследование).
В системе с кобальтом, несмотря на отсутствие в ней тройных интерметаллидов, линии соединения Fе2Аl3 обнаруживаются только на рентгенограммах сплавов, содержание кобальта в которых не выше 5 % (эт.). Следовательно, добавки кобальта порядка 5 % (ат.) подавляют образование фазы Fе2Аl5. Возможно, целесообразным было бы испытать методику соединения алюминия и железа непосредственно никелем или кобальтом.
Судя по характеру фазовых равновесий, в сплавах системы алюминий – железо – ванадий в присутствии 5 % (ат.) V существование фаз Fе2Аl3 в сплавах вообще исключается (при этой концентрации ванадия в системе существует равновесие FеАl3 + FeAl), и такие количества ванадия в шве должны, по-видимому, в значительной мере упрочнить соединение. Таким образом, из рассмотрения приведенных данных следует, что лишь ограниченное количество элементов (23 – 25) может служить «пластификаторами» системы железо – алюминий и железоалюминиевых соединений. Сюда относятся в первую очередь кремний, медь, цинк, серебро, кобальт, хром, никель, молибден, титан, гафний, бериллий. Положительное влияние ряда указанных элементов проявляется в процессе алитирования, получения биметаллических отливок и при сварке. Например, из легирующих элементов, снижающих толщину промежуточного интерметаллического слоя, наиболее пригоден кремний, который добавляют в алюминиевую ванну в количестве до 12 %. Введение даже 2 % Si при одинаковых условиях погружения значительно уменьшает толщину промежуточного слоя. Одновременно для устранения неблагоприятного влияния кремния на внешний вид и коррозионную стойкость алюминиевого покрытия в ванну добавляют 0,1 – 0,4 % Сг, Мо и W. Фирма «Юнайтед Стейтс Стил» рекомендует регулировать толщину промежуточного слоя путем добавки в алюминиевую ванну 4 – 12 % Мg2Si. Исследования фирмы «Инленд Стил» также показали, то росту железоалюминиевого соединения препятствует молибден; влияние этих элементов, однако, проявляется только после диффундирования их в стальную поверхность.
Выше отмечалось влияние никеля, хрома, углерода на процесс алитирования при их введении в стальную основу. Применение меди, цинка, никеля и их комбинаций рекомендовано нами при выполнении сварных соединений между сталью и алюминием. Серебро давно используется как промежуточный металл в различных железоалюминиевых соединениях, не требующих его большого расхода. Введение других элементов либо нецелесообразно (газы, соли, искусственно полученные элементы), либо затруднено из-за их токсичности (полоний, ртуть и др.), либо не оправдано экономически (золото, платина, германий и др.). Некоторые элементы (вольфрам, германий) являются аналогами изученных (молибдена, кремния и др.).
В заключение следует указать, что разработка новых тройных диаграмм состояния алюминий – железо – третий компонент поможет правильно выбирать новые легирующие элементы для алитирования.


читать далее »

При соприкосновении металла с электролитом возможны следующие случаи.

1. Энергия гидратации больше энергии связи ион-атома металла с полусвободными электронами.

В таком случае переход иона металла в раствор является термодинамически возможным; силы гидратации вырывают из кристаллической рещетки часть ионов металла, переходящих в раствор; при этом в металле остается избыточный отрицательный заряд. На границе металл — электролит образуется двойной электрический слой и металл приобретает отрицательное значение потенциала (рисунок, схема 1).

2. Энергия гидратации меньше энергии связи ион-атома с электронами. В этом случае переход ионов в раствор термодинамически невозможен. Наоборот, силы взаимодействия электронов с ионами металла становятся способными дегидратировать часть ионов, находящихся в растворе.

Положительные ионы осядут на металл и зарядят его положительно, а в растворе останется эквивалентное количество отрицательных ионов (анионов). И здесь образуется двойной электрический слой, но металл

приобретает положительный потенциал (см. рисунок, схема 2).

 

Мини-картинка металл - электролит

Схемы образования двойного слоя на границе металл — электролит

 

Величина и знак возникающих на границе металл—электролит электродных или электрохимических потенциалов определяются природой металла, составом электролита и температурой.

В зависимости от величины электродных потенциалов металлы могут быть расположены в ряды напряжений.

Нормальный ряд напряжений содержит значения стандартных потенциалов, приобретаемых металлами в нормальных растворах одноименных солей (например, при погружении цинка в 1н -раствор ZnSО4). Практически более важными являются так называемые неравновесные потенциалы, возникающие при погружении металлов в растворы, содержащие не только одноименные ионы (или совсем их не содержащие). Значения таких неравновесных потенциалов (по отношению к водородному потенциалу[1], условно принятому за нуль) в 3%-ном NaCl при 18° С даны в табл. 55.

Металлы, обладающие более отрицательным потенциалом, например магний, цинк, легко отдают свои электроны и переходят в ионизированное, окисленное состояние. Поэтому их коррозионная стойкость гораздо меньше стойкости металлов с более положительным потенциалом (медь, серебро).

 

Электродные потенциалы некоторых металлов в 3%-ном растворе NaCl при 18°

 

 

Металл

Электродный потенциал в в

Металл

Электродный потенциал в в

начальный

конечный

начальный

конечный

Магний

—1,45

____

Висмут

—0,15

—0,18

Цинк

—0,83

—0,83

Никель

—0,13

—0,02

Алюминий

—0,63

—.0,63

Хром

—0,02

+0,23

Кадмий

—0,58

—0,52

Медь

4-0,02

+0,05

Железо

—0,34

—0,50

Серебро

+0,24

+0,20

Олово

—0,25

—0,25

 

 

 

 

 

 



[1]Водородный потенциал может быть практически измерен с помощью водородного электрода, представляющего собой платиновую проволоку, погруженную в 1н раствор НС1 и обтекаемую газообразным водородом.

Анодом называется всегда электрод, от которого во внешнюю цепь движутся электроны.

 


читать далее »

На этот вопрос неискушенный человек ответит прямолинейно и бесхитростно: редкие элементы — это те, которых на Земле мало. И тут же попадает впросак. Не старайтесь подсчитать долю редких элементов во всей массе Земли; задача эта невероятно трудная. Возьмем лишь самую верхнюю, доступную для изучения и освоения часть Земли — земную кору. Оказывается, лития в земной коре в 10 раз больше, чем всем нам хорошо знакомого серебра. А по суммарному содержанию мало кому известный таллий превышает ртуть. Редкоземельным элементам в земной коре отведено природой в 10 раз больше места, чем свинцу. Редкоземельный лантан распространен шире, чем медь, а радиоактивный редкоземельный тулий больше, чем йод или сурьма. Значит, редких элементов в земной коре много. Почему же тогда они «редкие»?

Драгоценным, редко встречающимся когда-то считался алюминий. В знак особых заслуг великого русского химика Д. И. Менделеева английские ученые в 1889 г. подарили ему весы, отлитые из золота и алюминия. Килограмм алюминия в пересчете на современные деньги стоил 1230 руб., на 80 руб. дороже килограмма золота.

Теперь алюминий — обыденный металл. Современная домашняя хозяйка, обладающая набором алюминиевых кастрюль, не догадывается, сколько бы стоила эта посуда 80—90 лет назад.

Значит, дело не в распространенности. Открытие и использование того или иного редкого элемента в гораздо большей степени зависит от того, в каких природных соединениях он встречается, имеются ли его крупные месторождения, как сложно выделить из руды сам элемент, а главное — получить его в чистом виде.

И тут выясняется, что в отличие от меди, свинца, цинка, железа редкие элементы не образуют крупных месторождений, а распылены по земной коре. Собрать несколько граммов их — задача невероятно трудная, и выполнима она только при определенном уровне науки и техники. В этом случае, если технология получения отработана, а выпуск редкого элемента налажен в больших количествах, он переходит в разряд обыденных, повседневных. Так случилось с титаном, который до 1950 г. числился в редких. Результат стремительного развития техники, особенно военной, в зарубежных капиталистических странах, я производство титана подскочило от килограммов до десятков тысяч тонн. Подобное превращение может произойти с любым ныне малоиспользуемым элементом.

С технических позиций к редким элементам можно отнести такие элементы, которых в рудах содержится очень мало, но извлекать их выгодно потому, что эти элементы весьма необходимы народному хозяйству.

Технология производства редких элементов не проста, как это кажется на первый взгляд, поскольку необходимо извлечь редкие элементы из горных пород и минералов. Вот почему масштабы производства редких элементов так невелики.


читать далее »

Только девять химических элементов были известны людям до начала средних веков: золото, серебро, медь, свинец, олово, железо, ртуть, сера и углерод. Сказанное относится преимущественно к Старому Свету. Жители Нового Света, как впоследствии стала называться Америка, знали и того меньше.

Древним людям были хорошо знакомы драгоценные минералы. Бериллы, изумруды, аквамарины покоряли людей античного мира. Считалось, что они могут гасить пожар, помогать в бою, залечивать раны. Римский император Нерон не расставался с изумрудом, которому приписывались чудодейственные свойства.

Стоили драгоценные камни очень дорого. Их добывали рабы, прикованные цепями к тачкам. Половину своей жизни рабы проводили под землей, в рудниках, добывая драгоценные камни. Никакого другого назначения, кроме как быть драгоценностями, бериллы не имели вплоть до начала XX в.

В течение XIII — XVII вв. стали известны еще пять элементов: мышьяк, сурьма, висмут, цинк, фосфор. В те времена эти, ныне повседневные, элементы считались редкими, так как их получали в малых количествах. Изобретение способов переработки руд в XVIII в. пополнило семейство элементов платиной, никелем и кобальтом.

История первоначального изучения рассматриваемых нами редких элементов относится к 1782 г. Изучая золотосодержащие руды области Трансильвания в Карпатах, минералог Мюллер фон Рейхенштейн (Мюллер) предположил, что в них существует вещество с металлическим блеском, в то же время не похожее на металл. Рейхенштейн назвал это вещество в честь планеты Земля теллуром (по-латыни означает Земля). Это предположение спустя шестнадцать лет подтвердилось М. Клапротом, который не только подтвердил самостоятельность теллура, но и доказал существование его минералов — теллуридов.

В 1787 г. любитель-минералог К. Аррениус, исследуя отвалы старой шахты у местечка Иттерби в Швеции, нашел черный не похожий на известные минералы камень, который по месту обнаружения назвал иттербитом. По мнению К. Аррениуса, неизвестный минерал был сложным веществом, и это нашло подтверждение в работах члена Российской академии наук Юхана Гадолина, который выделил из него иттриевую землю — окисел неизвестного металла. На этом исследования загадочного минерала приостановились.

В те же годы в Шотландии, у деревушки Стронциан был обнаружен светлый камень, сразу нашедший дорогу в технику. Двое ученых, независимо один от другого, обнаружили в нем новый металл стронций. Это были англичанин Т. Хоп и русский Т. Е. Ловиц, но последний сумел еще и описать свойства стронция.

Стронций назвали металлом красных огней, потому что его соли окрашивали огонь в красный цвет. Металл использовался для фейерверков. Этот редкий элемент исправно служит праздникам и сейчас. Любуясь праздничным салютом, знайте — в ракетах есть соединения стронция.

Выделение новых земель стало своеобразной модой. Одну из них — бериллиевую — в 1797 г. открыл французский химик Л. Воклен в драгоценных минералах берилле и смарагде, а через год, выступая на заседании Французской академии наук, Воклен заявил, что всем известный глинозем (тогда не подозревали, что в нем есть алюминий) содержит то же вещество, что и берилл. Это вещество, новый элемент, содержащийся в земле, назвали глюциний (по-гречески «сладкий»).

Чистый глюциний, за которым впоследствии утвердилось название бериллий, с невероятным трудом получили в 1828 г. До изобретения промышленного способа получения глюциний-бериллий (через сто лет после открытия) почти нигде не применялся.


читать далее »

Конец 70-х годов стал эпохой находок. Трижды проведя анализ одного из минералов серебра, немецкий химик К. Винклер обнаружил, что сумма известных ему химических составляющих компонентов равняется не 100%, а только 93. Подобную разницу нельзя было объяснить несовершенством исследований. Поэтому К. Винклер предположил существование нового элемента и вскоре открыл предсказанный Менделеевым экасилиций. Элемент был назван в честь родины К. Винклера германием.

В статье, посвященной открытию и описанию свойств германия, К. Винклер писал, что открытием экасилиция ярко доказывается справедливость периодичности элементов. Открытие Винклером германия означает больше, чем простое подтверждение теории. Оно знаменует выдающееся расширение химического кругозора, огромный шаг в области познания. В личном письме к Д. И. Менделееву К. Винклер поздравил русского ученого с этим триумфом, засвидетельствовал почтение и глубокое уважение.

Ф. Энгельс немедленно откликнулся на открытия редких элементов. В «Диалектике природы» он писал, что Менделеев совершил научный подвиг, который можно смело поставить рядом с открытием Леверье, вычислившего орбиту еще неизвестной планеты Нептун.

В петербургском кабинете Д. И. Менделеева висели четыре портрета-фотографии. Они были настолько дороги Менделееву, что он повесил эти портреты рядом с фотографиями родных и близких — отца, матери, жены. На твердый картон Д. И. Менделеев наклеил фотографии Лекока де Буабодрана, Нильсона, Винклера и чешского ученого Браунера. Собрание портретов-фотографий называлось «Укрепители периодического закона».

Профессор из Праги Богуслав Браунер, не открывший редких элементов, был назван в числе укрепителей потому, что, пользуясь периодической системой, предсказал существование редчайшего элемента прометия, уточнил атомные веса бериллия, теллура, предложил вынести за пределы менделеевской таблицы близкие по свойствам лантаноиды.

Во второй половине XIX в. русский горный инженер В. Е. Самарин обнаружил в Ильменских горах на Урале новый минерал, который в честь первооткрывателя назвали самарскитом. Спектральным анализом в нем открыли элемент самарий, а впоследствии и другой редкий элемент — европий (назван в честь Европейского континента).


читать далее »

О редком элементе скандии известно мало, хотя в природе он распространен довольно широко. Немногие отрасли науки и техники могут похвастаться применением скандия, так как выделить чистый скандий невероятно трудно. Грамм скандия в сорок раз дороже грамма золота.

Какие же качества скандия делают необходимым его применение в технике? Сплавы скандия с титаном и магнием усиливают жаропрочность, ученые сообщают о возможности применения скандия в лазерах, в качестве катализатора при крекинге нефти. С помощью изотопов скандия пытались лечить опухоли. Будущее же этого элемента представляется пока неопределенным.

Властелин радиоэлектроники

Без германия трудно представить себе радиоэлектронику и кибернетику, производство искусственного волокна, преобразование электричества и радиолокацию.

Большая Советская Энциклопедия второго издания писала о нем в 1955 г. как о металле будущего. А сейчас громоздкие хрупкие лампы в радиоприемниках заменены крошечными диодами и триодами, изготовленными из германия. Это дало возможность создать, например, мини-транзистор величиной со спичечную коробку. При этом необходимо соблюдать важнейшее условие — используемый германий должен быть кристально чистым. Только в этом случае германий будет работать надежно, а значит, долговечно.

Процесс очистки германия кропотливый и дорогостоящий. Количество примесей в сверхчистом германии не должно превышать одного атома на триллион.

В Советском Союзе методы очистки германия были разработаны еще в 1952 г. Руководителем комплексного изучения германия был советский ученый, академик Н. П. Сажин.

Сверхчистый германий выпускается обычно в виде стержней диаметром 10-—35 см, длиной 50—70 см. Цвет стержней зависит от обработки их поверхности, чаще всего оп серебристый. Германий очень хрупок. Если уронить стержень на пол, он разлетится на мельчайшие частички.

Полупроводниковая индустрия мира потребляет до 90% выпускаемого германия. Его используют радио и телевидение, космонавтика и радиоастрономия. С помощью германия ученым удалось провести радиолокацию Луны, измерить температуру поверхности Юпитера. У экватора планеты она оказалась равной — 110°С.


читать далее »

Индий по внешнему виду напоминает свинец и по температуре плавления ( + 155° С) близок к нему. Из индия легко получить сплавы со свинцом, таллием, оловом, серебром. Эти сплавы имеют большую коррозионную стойкость. Благодаря таким сплавам долго служат подшипники, авиационные двигатели, подводные части судов.

Индий обладает еще одним редким свойством — высокой отражательной способностью. Поэтому он нашел применение при изготовлении зеркал, рефлекторов, оптических приборов, телескопов.

Новая отрасль применения германия  катализ при производстве искусственного волокна, — особенно широко развивающаяся в США и Японии.

Соединения германия можно найти в зеркалах для  телескопов, керамике, инфракрасной оптике, медицине. Сплав никеля, алюминия, германия является сверхпроводником при температурах ниже 20,4° Кельвина (—252,6°С). (в дальнейшем обозначается К). Попытка создать сверхпроводник при более высоких температурах оказалась безуспешной.


читать далее »

Были времена, когда редкий и крайне рассеянный по земной коре элемент галлий нигде пе использовался. Эго было связано, с одной стороны, с трудностями его получения, а с другой — с отсутствием потребителей. За 90 лет, с 1875 по 1966 г., во всем мире было получено только 5 т галлия. Однако уже в 1967 г. мировое производство галлия (без СССР) оценивалось в 1,5—2,5 т. А в 1970 г. галлий вышел на широкую промышленную дорогу.

Спрос на галлий возник потому, что были обнаружены его полупроводниковые свойства. Полупроводник из арсенида галлия (мышьякового соединения галлия) — третий по важности после кремниевого и германиевого — становится их опасным конкурентом.

Полупроводниковая техника — главная сфера использования галлия. Крошечные дозы арсенида галлия используются в настенных плоских телевизорах, настольных счетных машинах. Первый советский полупроводниковый лазер также создан на основе арсенида галлия.

Вторая область применения галлия — авиационная, ракетная, космическая индустрия. Солнечные батареи для космических аппаратов не могут работать без галлиевых соединений.

Галлий является жидкостью в интервале температур — от 29,78° до 2070°С. Его хранят в каучуковых флакончиках и извлекают на холоде. Жидкое состояние галлия позволяет применять его в термометрах. Таким термометром, имеющим, разумеется, жаропрочные каркас и стекло, измеряют температуру в металлургических печах.

Галлий и его соединения способствуют преобразованию электрической энергии в ультразвуковую. Сплавы галлия и алюминия прокатываются в тончайшие листы при комнатной температуре. Наконец, новая область его применения — зубоврачебное дело. Золотые пломбы с примесью галлия долго не изнашиваются.

Термоэлементы из сверхчистого арсенида индия преобразуют тепловую энергию в электрическую, а сурьмяно-индиевые элементы незаменимы в инфракрасной технике. Индий обладает способностью поглощать нейтроны и поэтому используется в атомных реакторах. Сплав индия (5%) с золотом (75/°о) и серебром (20%) находит применение в ювелирных изделиях и известен под названием зеленого золота.


читать далее »

Вскоре после открытия таллия о нем почти забыли. А если изредка вспоминали, то говорили как об элементе редком, рассеянном и еще странном.

А странностей в свойствах таллия хоть отбавляй. С одной стороны, по своим физико-химическим свойствам таллий сходен со щелочными металлами — калием, рубидием. С другой стороны, он чем-то похож на серебро, свинец и олово.

Подобно калию и натрию, таллий хорошо взаимодействует с водой, но почти не реагирует с растворами йода, брома, хлора. Это свойство роднит его с серебром. По внешнему виду, плотности, твердости, температуре плавления он больше всего напоминает свинец.

Более 60 лет после открытия таллий оставался «безработным». Лишь к началу 20-х годов XX столетия были открыты его специфические свойства: соединениями таллия стали травить мышей, крыс и других грызунов. Эти вещества без вкуса и запаха вошли в состав пестицидов.

Обнаружилось также, что одно из соединений таллия — так называемый оксисульфид — улавливает инфракрасные лучи. Поэтому соединения таллия стали использоваться в приборах инфракрасной техники, обнаруживающей военные объекты по тепловому излучению. Линзы и приемы для оптических приборов, работающих на инфракрасных волнах, делают из препаратов таллия. С их помощью можно фотографировать в темноте.

Использует соединения таллия и медицина. Препаратами таллия лечат дизентерию и туберкулез.

С помощью солей таллия получают краски, устойчивые к воздействиям сернистых соединений. Такие краски сохраняют первоначальный цвет в отделке зданий больших городов, атмосфера которых содержит сернистый газ, образующийся в результате сжигания угля.

Неизменный атрибут больших городов — реклама, в зеленых огнях которой обязательно присутствуют соединения таллия. И конечно, таллий есть в зеленых огнях праздничного салюта.

До сих пор говорилось о практическом применении соединений таллия. А как же сам металл? Его используют, но не так широко, поскольку таллий окисляется на воздухе; его обязательно нужно хранить в воде.

Металлический таллий придает сплавам прочность, сопротивление износу. Чаще всего таллий вводят в состав родственного ему свинца. Подшипниковый сплав с использованием 8% таллия превосходит лучшие оловянные подшипниковые сплавы, а сплав с 10% таллия устойчив к воздействию азотной и соляной кислот.

Амальгама таллия (сплав с ртутью) остается жидкой при температуре —60°С, поэтому ее применяют в термометрах, используемых в Антарктиде и на Крайнем Севере, а также при опытах с низкими температурами. Вдобавок сплав таллия с оловом, индием, свинцом имеет свойства сверхпроводимости, что используется при создании линий электропередач в целях максимальной экономии энергии.

Не остались «без работы» и изотопы таллия. Тал-лий-204 с периодом полураспада в 3,56 года — излучатель бета-лучей. С помощью таллия-204 измеряется толщина покрытий, тонкостенных изделий, бумаги, тканей. Подобными 'установками с радиоактивным таллием снимают заряды статического электричества с синтетических тканей.

Родившийся «в рубашке»

Рений — один из наименее распространенных элементов на Земле. Для получения 1 г чистого рения его первооткрывателям — супругам Ноддак пришлось переработать 600 кг молибденита.

Рений находится в ряду самых тяжелых металлов на Земле. Штангист, без усилия поднимающий железную штангу, не одолел бы рениевую штангу подобного объема.

Рений — также один из самых тугоплавких металлов. Температура плавления составляет +3170°, а кипения — + 5870°. Его можно прокатывать, ковать, вытягивать в проволоку при обычных условиях.

Этот интересный редкий элемент имеет и еще одно важное свойство — высокую жаропрочность. Поэтому термопарами из вольфрама и рения измеряют температуры до 2600°С.

Сплав рения с танталом используется и хорошо зарекомендовал себя в теплозащитных поверхностях космических летательных аппаратов.

Рений хорошо сваривается, устойчив к коррозии, при нагревании до 1500° не соединяется с кислородом, а при любых температурах совершенно «равнодушен» к водороду и азоту. Не растворяется в серной и соляной кислотах. Это роднит рений с платиной и другими благородными металлами.

Средневековые алхимики подозревали присутствие заменителя платины, но, имея на вооружении только примитивные нагревательные печи, реторты и колбы, выделить таинственный элемент рений из руд были не в состоянии.

Таким образом, любопытных и нужных современной технике свойств у рения хоть отбавляй. А вот применялся он до конца 60-х годов нынешнего столетия незначительно. Виной этому было не только малое распространение рения и трудности получения, но и то, что его химико-технологическая сфера оставалась нераскрытой.

С 1969 г. нефтеперегонная промышленность ряда стран начала осваивать рениево-платиновые катализаторы, с помощью которых вырабатываются бензины с высоким октановым числом. Использование смешанных рениево-платиновых катализаторов вместо только платиновых на 45% подняло пропускную способность установок. Дай срок службы катализаторов повысился в 3—6 раз. Рений совершил в нефтепереработке ц нефтехимии нечто вроде революции, ибо выход бензинов с высокооктановым числом с помощью рения позволил отказаться от добавок в бензин тетраэтилсвинца, который вместе с выхлопными газами выбрасывается в атмосферу, отравляя ее.

Рений и платина используют в перьях для авторучек. Такие перья не изнашиваются до 5 лет.

Наконец, рений исправно служит нашему дому. У многих перегоревших радио - и электроламп на стенках виден темный налет. Это результат действия водяных паров. Как бы мы ни откачивали воздух из ламп, пары всегда остаются. При температуре горения лампы в 1750 °С рений устойчивее к водяным парам, чем используемый для производства нитей накаливания вольфрам. Следовательно, сплав вольфрама и рения был бы наилучшим материалом для изготовления нитей накаливания, чем чистый вольфрам. Жаль, что рений еще очень дорог. Однако несомненно: это металл с блестящими перспективами.


читать далее »

К редкоземельным относятся 15 элементов, которые в менделеевской таблице занимают места с 57 по 71. Сюда же причисляют близкий по свойствам к редким землям элемент иттрий № 39. Редкоземельные элементы — лантаноиды (лантаниды) подразделяются на цериевую и иттриевую группы.

История редких земель насчитывает более 170 лет. Из них более 100 потребовалось, чтобы выделить и в отдельности изучить свойства редких земель. Оказалось,

что они химически активны. При хранении на воздухе покрываются окисью и тускнеют. Особенно сильно окисляются лантан и церий. Редкоземельные элементы обнаруживают большое родство с неметаллами — кислородом, азотом, углеродом, водородом, фосфором, серой и жадно с ними соединяются, а соединившись, с трудом разделяются.

Окислы редких земель тугоплавки. Так, например, температура плавления окиси церия J30000, европия 1973°. Это и определило их главное применение в сплавах, особенно с алюминием и магнием,— для отливки деталей сверхзвуковых самолетов, управляемых снарядов, оболочек искусственных спутников. Малые добавки их к чугуну придают ему прочность и износоустойчивость. Редкоземельные элементы и их соединения магнитны.

Можно отметить другие важные сферы применения редкоземельных соединений: в стекольной и керамической промышленности, где используется их способность окрашивать стекло и, наоборот, обесцвечивать; в атомной технике для регулирования ядерных реакций; в радиоэлектронике, электротехнике, в лазерах, ЭВМ, телевидении, светотехнике.

Ряд лантаноидов возглавляет лантан. Это серебристо-белый металл, покрытый сероватой пленкой окиси, надежно защищающей его от дальнейшего окисления.

Чистый лантан стоит дорого, поэтому его стараются заменить более дешевым и доступным церием. А вот окись лантана — белый порошок, нерастворимый в воде, но растворимый в кислотах, — используют широко. Она — главный компонент оптических стекол. Добавка окиси лантана дала возможность уменьшить размеры фотообъектива при той же светосиле и намного улучшить качество цветной съемки. Лучший советский фотообъектив «индустар 61ЛВ» сделан из лантанового стекла, а одна из наших лучших любительских кинокамер так и называется — «лантан».

Другой лантаноид — церий относится к металлам с большим будущим. Использовать же его начали давно в газокалильных лампах. Колпачки, пропитанные окислами тория и церия, стали надевать на газовые рожки, что значительно улучшило освещение.

В подобной, конечно, видоизмененной, роли церий выступает и теперь. Киносъемка и демонстрация фильмов не обходится без ярких дуговых ламп. Чтобы сделать свет ярче, в состав углей, между которыми вспыхивает дуга, вводят трифторид церия.

Церий — главный компонент пирофорного состава, из которого делают кремни для зажигалок, трассирующие снаряды и пули. Кроме него, в этот состав входят другие редкоземельные элементы и железо. Специальная насадка с примесью церия надевается на снаряд снаружи, а роль колесика, высекающего искру при полете снаряда, играет воздух. Стали, легированные церием, высокопрочны. Кроме того, малые добавки церия очищают металл от нежелательных включений.

Керамику с добавками церия используют в ракетостроении: она тугоплавка. Содержащие примеси церия стекла не тускнеют под действием радиации, отсюда его применение в атомной технике. Двуокись церия увеличивает прозрачность стекла, а порошком полиритом, где церия более 45%, шлифуют оптические и зеркальные стекла. Витамины во флаконах из цериевого стекла не теряют целебных свойств под действием света; стекла пропускают обычные световые лучи, но задерживают ультрафиолетовые.


читать далее »

Празеодим внешне мало отличается от лантана и церия — тот же серебристый металл с окисной пленкой. А вот соли празеодима светло-зеленые, окись же — вещество темно-серого, почти черного цвета. Празеодим хорошо взаимодействует с неодимом. Окись празеодима окрашивает стекла в зеленый цвет. Вместе с неодимом и церием празеодим входит в состав защитных стекол для сварочных работ. Неодим также входит в рецептуры специальных стекол, керамики, глазури. Неодимовые стекла используются в лазерах. В нашей стране созданы магниевые и алюминиевые сверхпрочные сплавы, легированные неодимом и цирконием.

Один из семьи искусственных радиоактивных элементов — прометий. В природе он возникает при радиоактивном распаде ядер тяжелых элементов. В земной коре прометий обнаружен после того, как он был получен искусственным путем, по в ничтожно малых дозах.

Известно 14 изотопов прометия, и все они радиоактивны. Дольше всех живет прометий-145 с периодом полураспада в 18 лет. Однако наибольшее практическое применение получил прометий-147 (период полураспада 264 года). Этого достаточно, чтобы использовать элемент в миниатюрных атомных батарейках, способных давать электроэнергию в течение 5 лет. Такие батарейки можно использовать как источник энергии в космических кораблях, радиоустройствах, слуховых аппаратах, часах.

Радиоактивные свойства прометия-147 своеобразны. В них отсутствует гамма-излучение, очень низка энергия бета-лучей, и поэтому с прометием можно работать без сложных защитных приспособлений. Другой же лантаноид — самарий, полученный в начале XX в., долго не применялся. Теперь в нем крайне нуждается атомная энергетика, поскольку самарию свойственно большое поперечное сечение тепловых нейтронов. Оно больше, чем у бария и кадмия — металлов, используемых для регулирующих стержней в ядерном реакторе. Окись самария используют в ракетостроении как защитный материал. Из соединения самария с кобальтом изготавливают очень сильные магниты. Самарий входит в состав стекол, поглощающих инфракрасные лучи. В будущем его, по-видимому будут применять в фильтрах автомобилей при очистке выхлопных газов от вредных продуктов.


читать далее »

Человечеству известно "105 химических элементов. Однако более 99% веса земной коры приходится на 8 из них. Кислород с соединениями занимает 47% веса земной коры, кремний — 29,5%, алюминий — 8,05 %, железо — 4,65%. Природа не обеднила себя кальцием — 2,96%, натрием—-2,5%, калием —2,5%, магнием — 1,85%. Что же тогда остается на долю остальных, хотя бы хорошо известных нам — водорода, углерода, фосфора, золота, меди и прочих элементов? Оказывается, что все эти элементы составляют всего 1% веса земной коры. На первый взгляд кажется, что это немного, но если же перевести проценты в тонны, то придется писать астрономические цифры — сотни миллиардов тонн.

Содержание того или иного элемента в земной коре, выраженное в атомных процентах, называется кларком (кларк — единица измерения, названная в честь американского геохимика Ф. У. Кларка, который впервые установил средний химический состав земной коры). Каждый элемент имеет свой кларк. Исчисления среднего содержания элементов вели в СССР В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман, А. П. Виноградов.

Кларки редких и некоторых хорошо знакомых элементов в сравнении с ними таковы: литий — 0,005; рубидий — 0,015; цезий — 0,00037; бериллий — 0,0005; цирконий — 0,016—0,017; гафний — 0,0003; бор — 0,0003; скандий — 0,0006; германий—0,0002; галлий—0,0019; индий—0,00001; таллий —0,0001; рений—0,00000001; селен — 0,000005; теллур —0,0000001; ниобий — 0,002; тантал— 0,0002; редкие земли (включая иттрий)—0,01 — 0,005; медь — 0,01; золото — 0,000000043; серебро — 0,00000007.

Редкие элементы необычайно рассеяны по земной коре и редко образуют концентрации промышленного назначения. Их можно обнаружить: а) в горных породах и заключенных в них минералах; б) в полезных ископаемых органического происхождения; в) морской воде; г) почвах; д) живых организмах.

Редкие элементы в горных породах и минералах

Как правило, редкие элементы концентрируются в определенных видах горных пород и минералов, и, если эти породы и минералы при существующем высоком уровне развития техники пригодны для извлечения полезных компонентов, их принято считать рудами редких элементов.

К таким минералам и рудам можно отнести: 1) медьсодержащие — пирит, халькопирит, медистый песчаник (халькозин), колчедан; 2) медь-молибденсодержащие — молибденит; 3) полиметаллические — галенит, сфалерит; 4) оловянные — касситерит; 5) железосодержащие — титаномагнетит; 6) алюминиевые — боксит, нефелиновый сиенит, силлиманитовый сланец; 7) собственно редкометалльные — танталит, колумбит, тантало-колумбит, редкоземельные — монацит, бастнезит, ортит, сфен, а также гадолинит; 8) железованадиевые; 9) ура-ноториевые; 10) фосфорсодержащие — апатит, фосфорит.

Кроме того, редкие металлы вмещаются в различные марки углей — каменных и бурых.

Как показывают исследования ученых, наибольшими носителями редких элементов являются минералы и горные породы древних возрастов — докембрийского, протерозойского, палеозойского. И лишь иногда редкие элементы, да и то в виде рудопроявлений, встречаются в горных породах более молодых возрастов. Весьма перспективна на редкие элементы кора выветривания — слой земной поверхности, состоящий из рыхлых продуктов изменения горных пород, образующихся под совместным воздействием воды, воздуха и организмов. В ее составе — пегматиты со слюдами (биотитом и мусковитом), граниты, содержащие редкоземельные минералы.

Ученым известно на Земле около 4 тысяч минералов, в строении которых принимают участие и редкие элементы.


читать далее »

К потенциальным источникам редкоземельного сырья, которое, вероятно, будет использоваться промышленностью, относятся знакомые нам апатиты, фосфориты, флюориты, различные угли.

Угли при комплексной переработке могут дать небольшие доли редких земель. Анализы показывают, что, например, на 1 т углей, добываемых в Великобритании, приходится 800 г окиси иттрия, а в силезских углях (Польша) 0;2% окиси церия, 0,1% иттрия, по 0,005% окисей неодима, самария, гадолиния, до 0,001% окиси скандия. Однако тысячные доли этих элементов при современном уровне обогатительной техники пока еще не могут считаться промышленными.

Скандий распылен необычайно, по распространен значительно шире, чем золото и серебро. Известно около 100 скандийсодержащих минералов, но в них имеются или непромышленные или полупромышленные доли этого редчайшего элемента — от 0,0005% до 0,3%. Есть очень редкие минералы с повышенным содержанием скандия (41—42%)- Это найденный на острове Мадагаскар, в Норвегии, на Урале и в Сибири минерал стерреттит и редчайшая разновидность скандиеносного минерала—кольбенит, добываемый в США, Бельгии, ГДР. В стерреттите содержится до 39.2% окиси скандия. Запасы этих минералов ничтожны, поэтому вряд ли они решают проблему промышленной базы скандия. Как быть? Очевидно, проще всего извлекать скандий из вольфрамовых, оловянных, урано-ториевых, железных руд магматического типа, из бериллов, цирконов и других редких минералов.


читать далее »

У всех рассеянных элементов есть собственные минералы, но многие из них из-за редкого распространения составили бы только коллекцию минералогического музея. Имеется малое число минералов — руд, которые концентрируют по нескольку рассеянных элементов. В их числе галенит, сфалерит, халькопирит, молибденит, касситерит.

Галенит — основная свинцовая руда, содержащая до 87% свинца. В виде примесей в ней встречаются серебро, кадмий, селен, теллур, германий, индий, галлий. В сфалерите— основной цинковой руде (67% цинка)—присоединяется еще и таллий, а в халькопирите — медном колчедане — содержатся теллур, селен, рений. В молибдените основному металлу — молибдену обычно сопутствует рений, а в касситерите — оловянной руде — встречаются германий и индий. В золото-сурьмяных рудах нередки теллуриды — соединения теллура.

Германий встречается в свинцово-цинковых и медных рудах, также в тех, которые из-за повышенного содержания германия называются собственно-германиевыми. Известно 8 собственных минералов германия, из которых 2, открытые недавно, пока слабо изучены. Наиболее богат германием стоттит, остальные содержат сложные сульфиды свинца и германия с примесями галлия, таллия, индия. Поэтому германий извлекается попутно с другими элементами.

Известны 2 германиевых месторождения с очень высоким содержанием германия, оба находятся в Африке: Цумеб в Намибии и Кипуши в Республике Заир. Первое содержит редкие минералы германит и реньерит, второе аргиродит.

Все большее значение приобретает получение германия из угля, особенно из бурого.

Основную часть германия извлекают из отходов металлургической переработки медных и цинково-свинцовых руд, коксохимических, тепловых установок, работающих на углях. Уловить германий непросто, так как он очень подвижен. До 70% германия уходит в чугун и теряется с колошниковыми газами. Остальная часть металла попадает в шлак, колошниковую пыль и воду. Поэтому в шихту, где содержится германий, добавляют гипс, сульфат натрия и получают соединения германия в виде сульфата.

Далее упрощенно получение германия выглядит так: воздействуя на концентрат органическим поглотителем, выделяют четыреххлористый германий. Даже невооруженным глазом в нем видны примеси, представленные соединениями хлора, а при помощи химического анализа обнаруживаются еще мышьяк, железо, медь, свинец, бор. Чтобы создать сверхчистый германий, властвующий в радиотехнике, требуется удалить хлориды и особенно мышь як. Процесс этот долгий, кропотливый, а главное — дорогой. Однако рассмотренный выше путь единственный в получении этого волшебника современной электронной техники.

Основной источник получения галлия — также медно-колчеданные и полиметаллические руды. По данным Горного бюро США, в них заключено 200 тыс. т запасов галлия в капиталистическом мире.

В 1958 г. был открыт собственный минерал галлия — галлит, а в 1970 г. еще два — майрют и корневалит. В них содержится до 1—2% галлия.


читать далее »

Название боксит географическое, происходит от названия деревни Во (Франция) — места первоначальных находок этой руды. Как известно, боксит — основная алюминиевая руда. Помимо этого, боксит содержит в довольно значительных концентрациях примеси галлия, циркония, стронция, редких земель.

К числу стран, которые располагают запасами бокситов, относятся Россия,  Казахстан, Доминиканская Республика, Гвинейская Республика, Гана, Австралия, Суринам, Гайана.

Таллий в виде небольших концентраций (до 0,002%) вместе с цинком и свинцом содержится в руде месторождений колчедана. При промышленной переработке цинковой руды таллий осаждается на цинковых листах, где его и собирают. Полученная таллиевая губка прессуется и хранится в воде, защищающей ее от окисления.

Селен и теллур не имеют собственной минерально-сырьевой базы, хотя есть и типичные селеновые минералы: берцелианит, тимманит, науманит, эвкайрит, зоргит и круксит. Впрочем, на Земле они распространены мало. Теллур обычно присутствует в виде теллуридов золота и серебра, имея собственные редкие минералы петцит, калаверит, нагиагит. Медно-порфировые и медноколчеданные руды содержат селена во много раз больше, чем его имеется в среднем в земной коре (0,14%). Селен и теллур извлекаются попутно с медью, золотом и свинцом. При электролизе меди образуются анодные шламы, в которых накапливаются селен (3—28%) и теллур (8%). Эти металлы содержатся также в сернокислотных шлаках и пылях медных и цинковых производств.

Селен и теллур можно выделять из золото-вольфрамовых и висмутовых концентратов.

Почти все ресурсы рения заключены в медно-молибденовых месторождениях, где доля этого металла колеблется от десятых до тысячных долей. Замечено, что гидротермальные месторождения тем богаче рением, чем больше в них меди. Единственный рениевый минерал джезказганит открыт в Казахстане. В его составе 55% рения, 10% молибдена, 16% меди, 5% свинца. Запасы рения в капиталистическом мире оцениваются в 1000 т, в том числе половина из них находится в США.

Основная руда на рений — молибденит, имеющая в среднем 1,88% рения. Следовательно, рений получают при попутном извлечении молибдена. Обычно рений переходит в молибденовый концентрат, из которого даже при самых совершенных технологических приемах можно выделить очень малые доли этого редкого металла. Остальное количество его теряется при обжиге, когда рений окисляется и в виде рениевого ангидрида улетучивается с газами. Эти газы и рениевая пыль улавливаются электрофильтрами. Из-за сложностей извлечения общее производство рения в капиталистическом мире не превышает 8 т.


читать далее »

Основным сырьем для производства рассеянных элементов — германия, галлия, таллия, индия, рения, селена и теллура — являются руды полиметаллические, медные, медно-никелевые, медно-молибденовые, вольфрамовые, оловянные.

География этих руд обширна. Она охватывает районы распространения докембрийских, палеозойских, мезозойских и кайнозойских пород, но основную долю в запасах дают породы древних возрастов, причем к востоку от Уральского хребта. Это прежде всего Казахстан, Сибирь, Дальний Восток.

Группы медных, медно-никелевых, медно-молибденовых месторождений с редкими элементами сосредоточиваются в различных районах: на Северо-Западе России, в Закавказье, на Урале, севере Красноярского края, в Казахстане, Забайкалье. На Кольском полуострове находится месторождение, которое содержит медно-никелевые руды, а в качестве примесей — кобальт, платину, серебро и редкие элементы — селен и теллур. Комплексная переработка ведется в городе Никель.

Группа медно-молибденовых месторождений в Армении содержит теллур и рений. Одно из них, Кафанское, разрабатываемое с 1851 г., является комплексным. В жилах установлено высокое содержание меди, серебра, есть примеси редких элементов.

Алавердское медноколчеданное месторождение содержит медь, цинк, примеси редких элементов, в частности теллур. Неподалеку от него располагаются и другие месторождения.

Древняя легенда гласит: царь, опасаясь, что его сокровища попадут в руки врагов, спрятал их в недоступном ущелье. Одна из вершин названа Гандзасар — Гора Кладов. Действительно, клад здесь есть в виде медно-молибденовых руд, которые содержат селен и теллур.

Медные колчеданы и скарны прослеживаются по обоим склонам Уральского хребта полосой более чем на 600 км. Здесь насчитывается несколько месторождений, и часть из них содержит редкие элементы.


читать далее »

Известен редкими элементами Казахстан. Здесь можно выделить две территории — Казахский мелкосопочник и Рудный Алтай (Восточно-Казахстанская область).

В сульфидной руде Джезказганского месторождения заключены 7 элементов: медь, цинк, свинец, серебро, кадмий, сера, рений. Именно здесь был обнаружен первый собственно рениевый минерал джезказганит.

Успенский пояс редких металлов простирается от г. Каражала до г. Каркаралинска на 450 км. Большинство редкометалльных месторождений комплексные вольфрамовые, остальные вольфрамо-молибденовые. Если наладить комплексную переработку, то из руд месторождений можно извлечь 18 различных элементов. Освоение района облегчается близостью залежей угля в Караганде и Экибастузе и выплавкой цветных металлов в Джезказгане и Темиртау.

Рений встречается в марганцевых рудах Джездинского месторождения Казахстана.

Восточный Казахстан — важный свинцово-цинковый район. Здесь две группы месторождений: Прииртышская и Лениногорская.

В свинцово-цинковых рудах Лениногорского месторождения 19 компонентов. Извлекаются свинец, цинк, медь, железо и серебро. Могут попутно извлекаться также галлий, селен, теллур, таллий. Сейчас Лениногорский свинцовый завод дает более десятка видов продукции.

Сфалериты и галениты месторождений содержат 15 ценных компонентов. Сырье этих месторождений поступает в Усть-Каменогорск на свинцово-цинковый комбинат им. В. И. Ленина. День и ночь бушует пламя в печах, удушливый сернистый газ течет по трубам, а над стометровой трубой комбината чистое небо. Куда девался дым? Он идет в химический цех, превращаясь в серную кислоту, с помощью которой получают удобрения, а из газов извлекают ртуть и селен. А как же другие компоненты? В сырье, поступающем на комбинат, есть и другие редкие элементы — теллур, кадмий, индий, таллий, селен и малые примеси германия. Все эти элементы извлекаются. Продукции комбината присвоен Знак качества.

У северных склонов Кураминского хребта в Узбекистане раскинулся город Алмалык. Здесь на металлургическом заводе выплавляют цинк, свинец, медь. В рудах — галените, халькопирите и пирите встречаются селен и теллур.

На южной стороне Кураминского хребта находится группа Карамазарских месторождений. Руды месторождений, кроме свинца и цинка, вмещают висмут, кадмий, селен и теллур.

Редкие элементы Восточной Сибири и на Дальнего Востока

Перенесемся в Восточную Сибирь и на Дальний Восток. В конце 50-х— начале 60-х годов на севере Читинской области геологи разведали и открыли Удоканское месторождение медистых песчаников, содержащих редкий элемент рений.

Суровость климата Чарской котловины, где залегают медные руды, и удаленность от Транссибирской магистрали пока препятствуют его освоению. Вскоре вблизи месторождения пройдет Байкало-Амурская магистраль (БАМ) и месторождение начнет осваиваться.

Активно вовлекаются в эксплуатацию месторождения редких металлов п-ва Таймыр. Медно-никелевые месторождения Норильска содержат около двух десятков полезных компонентов. В их числе платиноиды — платина и палладий, а также селен и теллур.

Западно-Верхоянский район на северо-востоке страны называется зоной полиметаллического и редкометалльного оруденений. Кроме серебра и свинца, в рудах обнаружены молибден, олово, редкие и рассеянные элементы. Южно-Верхоянский район (или, как его еще называют, Юдомо-Тимптонский) также является редкометалльным. Как правило, редкие металлы сопутствуют олову, железу, цинку, свинцу. С оловорудными зонами сопряжены глубоко залегающие жилы.


читать далее »

Ландшафты песчаных пляжей юго-восточного побережья острова Мадагаскар напоминают бразильские. Да и состав минералов сходный. Геологи обнаружили, что каждая тонна песка должна оцениваться выше, чем если бы из нее добывали золото и серебро. В песках содержатся ильменит, циркон, монацит. Запасы этих минералов увеличиваются, так как морские волны, ветры способствуют переотложению россыпей и пополняют их тяжелыми редкими элементами.

Месторождение Цумеб обозначается на географических картах как полиметаллическое и медное. Еще в прошлом веке, когда Юго-Западная Африка (Намибия) была колонией Германии, из руд были получены первые килограммы промышленного германия. Руды эти редчайшие на Земле — реньерит, германит, стоттит. Они являются носителями полупроводникового металла германия, так как содержат его до 1—2%. Вот почему месторождение Цумеб называют еще и германиевым. В сульфидных рудах содержится значительно меньше германия — в среднем 0,013%» но даже и эта доля считается промышленной. В таких же количествах присутствует второй редкий элемент—галлий. Поэтому, пожалуй, правильнее называть руду германиево-галлиевой.

Международная компания «Цумеб корпорейшн» с преобладанием американского капитала вывозит цинковую руду с германием для переработки в США. Часть германия выделяется на месте, из черновой меди, но очистка металла ведется в ФРГ. За время существования рудника из его руд получено 130 т германия.

Есть в Африке и второе месторождение германия — Кипуши в Заире. Этот редкий элемент распылен по полиметаллическим рудам и встречается там с ниобием, танталом, редкоземельным монацитом. Обнаружены крупные залежи сульфида германия — реньерита с 7 % германия. В 1973 г. было произведено около 3,3 тыс. т германия, и попутно с ним получали концентраты ниобия, тантала и монацита.

На медеплавильных заводах Заира германий улавливается в специальных отражательных печах. Однако такой германий не пригоден для полупроводниковой промышленности: в нем много нежелательных примесей. Очищают (рафинируют) германий в Бельгии.


читать далее »

Совершенно очевидно, что, не располагая собственными источниками сырья, Япония имеет в Индии, Шри Ланка, Малайзии, Пакистане, Таиланде, Южной Корее близлежащие и надежные базы редкоземельного сырья. Япония черпает это сырье также в Австралии и Финляндии. Производя из монацитов, ксенотимов до 600 т окислов редких земель в год и сверх этого мишметалл (250 т), фториды и другие соединения, Япония выпускает продукцию высокого качества. В последние годы повысился спрос на люминофоры с окисью иттрия и европия, окрашивающие изображение на цветном телевизоре в красные оттенки. С помощью этих люминофоров на 1/3 можно увеличить полезную площадь телевизионного экрана. Наиболее сильным направлением японской полупроводниковой промышленности является производство германия, галлия и таллия. В отличие от редких земель, сырье для получения которых в Японию ввозится, германиевое производство в значительной мере опирается на собственные ресурсы — угли и сульфидные руды. Угли, содержащие от 0,002 до 0,61 % германия, разведаны на островах Хонсю, Сикоку и Хоккайдо. В сульфидных рудах — золото-серебряных, цинковых, оловянных, сурьмяных — германия содержится больше — до 0,1%. Своих ресурсов германия недостаточно, и этот редкий элемент закупается в Западной Европе, особенно в Бельгии (в 1974 г. 17,4 т). Параллельно с германиевыми Япония выпускает кремниевые и галлиевые полупроводники и в этом отношении обогнала страны Западной Европы и США. Сверхчистый кремний получают из вторичного сырья, также ввозимого в Японию из-за границы.

Общее ежегодное производство галлия составляет 120 кг, из них полупроводникового арсенида галлия 10 кг. По весу это немало, если учесть, что для одного полупроводничка требуется несколько десятков милиграммов арсенида галлия. Галлий путем сложных химических реакций извлекают из «куроко» — черной руды, которая представляет собой разновидность местной сульфидной руды, а из австралийских бокситов.

Для радиоэлектроники японские фирмы предлагают сверхчистый таллий (99,99%), выпуская его не менее 300 кг в год. Потребляется же в Японии не менее 1 т таллия. Только часть таллия поступает для электронных нужд. Соли таллия используются в сельском хозяйстве как средство защиты растений (гербицид), остальное — в стекольной и керамической промышленности. В последнее время из галогенных соединений таллия (таллий-йод и таллий-бром) получают монокристаллы для оптики.

Собственная же сырьевая база имеется для производства селена, теллура, индия. Спрос на индий и его соединения повысился, так как этот металл в сплавах обладает повышенной прочностью и имеет хорошую отражательную способность. Настоящий ажиотаж возник вокруг стронция, соединения которого защищают зрителей от вредных излучений, возникающих во время телевизионных передач. В 1974 г. Япония ввезла 18 тыс. т стронциевого концентрата из Испании, Турции, Ирака и быстрее других сумела приспособить электронную промышленность для внедрения стронциевых соединений.

Китай занимает одно из первых мест в мире по ресурсам лития и бора. Сподуменовая  (литиевая) жила Коктогай, помимо лития, содержит также рубидий, цезий, таллий и является уникальной по размерам. Эта жила не единственный источник сырья для лития. Пегматиты распространены во Внутренней Монголии и Куньлуне. Борные соединения — желваки, линзы — залегают в озерах Цай-дамской котловины и в Тибете.

Есть сведения о производстве в Китае галлия из бокситов, таллия, индия. Источниками последних двух (таллия и индия) являются ныли после металлургического производства.


читать далее »

Лучше положение с галлием, который извлекают из тех же полиметаллических руд штата Миссури. США дают ежегодно до 300 кг галлия, но из-за возрастающего применения арсенида галлия как полупроводника вынуждены ввозить ежегодно до 10 т.

К концу столетия в США потребуется до 1000 т сверхчистого полупроводникового галлия. Опасаясь, что сырьевые источники внутри страны будут не в состоянии обеспечить производство, научные организации США разрабатывают технологию извлечения галлия из привозных (австралийских, латиноамериканских) бокситов. Уже сейчас в г. Боксите (штат Арканзас) галлий получают из местного алюминиевого сырья.

Выпуск полупроводниковой продукции налажен главным образом на Северо-Востоке США и в Приозерье. Штаты Нью-Йорк, Пенсильвания, Массачусетс, Огайо, Мичиган являются потребляющими и имеют квалифицированные кадры. В штате Нью-Йорк производится сверхчистый галлий в виде прутков, слитков, дроби, монокристаллов золота с галлием для полупроводников.

Таллий извлекается на заводах США из отходов и промежуточных продуктов кадмиевого производства.

Выпуск таллиевой продукции развернулся в начале 30-х годов, но покрывался за счет импорта сырья. Потребности в таллии сильно выросли после второй мировой войны. Нашлись резервы. Переворошили старые свинцово-цинковые отвалы, обнаружили таллий в хвостах металлургических предприятий штата Юта. Около 20 тыс. т таллия оказалось в золото-серебряно-мышьяковых рудах.

В настоящее время таллий выпускает кадмиевый завод Глоб в Денвере (штат Колорадо) из отходов свинцово-цинкового и кадмиевого производств. Пыли обжига содержат до 0,2% таллия.

Завод в Мюррее (штат Юта) извлекает таллий из мышьяковистых пылей. Всего же разнообразную таллиевую продукцию выпускает около 20 компаний, но масштабы производства, по-видимому, невелики, достигая 1—2 т в год. Статистические данные о производстве таллия по стратегическим соображениям держатся в секрете.

Среди готовой таллиевой продукции мы видим металлический таллий чистотой 99,9999%, соединения таллия, кристаллы бромид-йодид таллия, сульфат таллия. Соединенные Штаты Америки импортируют до 1 т таллия из Франции и Бельгии.

Канадский таллий извлекался до середины би-х годов из кадмиевых полупродуктов на заводе Флинн-Флон {провинция Манитоба).


читать далее »

Единственный промышленный источник рения в Северной Америке — медно-молибдеыовые руды. США, как главная страна по добыче молибдена в капиталистическом мире (штаты Аризона, Невада), конечно, первенствуют и по добыче рения. Ежегодно в США извлекается по 6—7 т этого тяжелого редкого элемента. Потенциальный источник рения — урановые руды. Однако рения в них так мало (0,0001%), что при современном уровне науки и техники его извлекать пока невыгодно. Урановые руды широко распространены в США (штаты Колорадо, Юта, Вайоминг) и Канаде (провинция Онтарио). По-видимому, рениевый бум, связанный с ростом применения рения в платино-рениевых катализаторах для переработки нефти, в конце концов вовлечет в комплексную переработку более бедные рением углистые, урансодержащие сланцы, а также марганцевые руды.

По запасам стронция непревзойденной на Североамериканском континенте остается Мексика. Как известно, стронций заключен в минерале целестине, который в свою очередь присутствует в золото-серебряно-свинцовых рудах месторождения Провиденсиа.

Как и в прошлом разработки целестина ведутся вручную. Концентраты на мулах доставляются к ближайшей железнодорожной станции и следуют в мексиканский порт Тампико для вывоза за пределы Мексики.

Запасы окиси стронция в Канаде оцениваются в 1,7 млн. т при содержании окиси 30—40%. Одно из месторождений Ронан, находящееся в Ньюфаундленде, содержит 150 тыс. т целестина. Более крупное месторождение этого типа открыто в Новой Шотландии.

Стронциевый «бум» коснулся в первую очередь США. Расширены производственные мощности стронциевого завода в Экстоне. Фирма «Кайзер» получила право на освоение целестинового месторождения в Канаде, построила горно-обогатительный комбинат и химический завод производительностью 30 тыс. т окиси стронция.

Интерес к стронцию не случаен из-за его применения в телевидении, инфракрасной технике и двигателях постоянного тока. Появились синтетические бриллианты из соединений стронция. Спрос на эти бриллианты невиданный, поскольку цены на них в 50 раз дешевле, чем на натуральные бриллианты (50 долларов вместо 2500 долларов за карат). Вот почему потребление стронциевого сырья в США резко поднялось, а импорт стронциевых концентратов достиг в 1973 г. 12 тыс. т.


читать далее »

Биосорбция металлов из растворов

Практически все микроорганизмы обладают способностью сорбиро-вать металлы из растворов. Механизмы биосорбции разнообразны. Это – ионный обмен, комплексообразование, образование нерастворимых соединений с ковалентными связями, окислительно-восстановительные процессы. В процессе сорбции участвуют аминные, амидные, карбоксильные, фосфатные, сульфатные, гидроксильные группы стенок клеток микроорганизмов.

Биосорбенты отличаются от ионообменных смол высокой емкостью и селективностью. В качестве биосорбентов используется неживая биомасса микроорганизмов, а сами сорбенты являются продуктами утилизации отходов микробиологического производства.

Длительность процесса сорбции лежит в пределах 20-60 минут. При этом происходит образование из ионов коллоидных частиц металла или его соединения.

В табл. 5 представлены данные по сорбции из водных растворов благородных металлов различными микроорганизмами. Представленные данные иллюстрируют высокую эффективность процесса сорбции.

Таблица 5

Сорбция благородных металлов различными микроорганизмами

Металлы

Сорбенты

Сорбция, мг/г

1

2

3

Микроводоросли

Золото

Sargassum natas

420

Золото

Micrococus luteus

177 (30 мин)

253 (2 часа)

Золото

Chlorella vulgaris

120

Золото

Chlorella pyrenoiclosa

140

Палладий

Granules of AMT Bioclamtm

462


Продолжение таблицы 5


1

2

3

Платина

Granules of AMT Bioclamtm

102

Грибы

Золото

Aspergillus niger

176

Золото

Phizopus arrhizus

100-164

Биополимеры

Золото

Chitosan

150

Серебро

Chitosan

100

Примечание: Сорбция выражена в мг металла на г сорбента.

Хитозан отличается высокой сорбирующей способностью. При сорбции хитозаном из растворов AuCl4 (рН = 3,3-4,2) золота степень извлечения металла составила 99,5 %.

Грибы, благодаря высокой пористости, способны сорбировать металлы, находящиеся в коллоидном состоянии. Например, по сорбирующей способности коллоидных частиц золота грибы в 10 раз превосходят активированный уголь.

В табл. 6 представлены данные по сравнительной сорбционной способности хитозана и классических сорбентов для различной продолжительности процесса сорбции из водных растворов свинца (II).

Таблица 6

Сравнительная активность сорбентов

(объем сорбента 7 см3)

Сорбент

Сорбционная емкость, мг/мл

Степень извлечения, %

Продолжительность сорбции, мин

1

2

3

4

Активный уголь

0,71

4,4

5

Хитозан-2

6,80

42,2

КУ-2

10,14

63,1

АНКБ-10

14,10

87,7

Активный уголь

3,10

19,33

15

Хитозан-2

8,20

51,0

КУ-2

14,60

91,1

АНКБ-10

16,01

99,6


Продолжение таблицы 6


1

2

3

4

Активный уголь

4,14

25,7

30

Хитозан-2

10,90

67,8

КУ-2

14,64

91,1

АНКБ-10

16,07

100,0

Активный уголь

4,90

30,8

60

Хитозан-2

14,10

87,7

КУ-2

14,64

91,1

АНКБ-10

-

-

Активный уголь

5,60

34,89

90

Хитозан-2

14,80

92,0

КУ-2

-

-

АНКБ-10

-

-

Сорбция ионов металлов сорбентами зависит от рН. Это связывают с изменением дзета-потенциала поверхности клеток микроорганизмов. Низкую сорбционную способность при малых значениях pH связывают конкуренцией сорбции ионов H+ и катионов металла на поверхности клеток. Увеличение pH приводит к увеличению количества лигандов с отрицательным зарядом и, следовательно, к увеличению связывания катионов.

Максимум сорбции наблюдался при pH ~10. При pH > 7 металлы осаждаются на поверхности клеток микроорганизмов в виде гидроксидов.

Особый интерес вызывает улавливание тонкодисперсных, порой коллоидных, частиц золота. В качестве сорбента использовали биомассу Aspergillus niger, представляющую собой отход производства лимонной кислоты. В этом случае имел место процесс гетерокоагуляции микроорганизмов с металлом. Другой способ улавливания коллоидного металла связан с проведением процесса коагуляции коллоидных частиц металла с помощью аминокислот, белков и пептидов. Образующийся после коагуляции металлический осадок может быть растворен в кислотах, например в царской водке.

Процесс сорбции отличается высокой селективностью. Например, водоросли Chlorella и бактерии E. coli прочно удерживают частицы серебра, но не взаимодействуют с частицами SiO2, Al2O3, As2S3 и AgI. Это свяано с выделившимися из клетки полисахаридами, которые несут ответственность за процесс гетерокоагуляции хлореллы с частицами металла.


читать далее »

Техногенные отходы

МеталлургияСерьезную проблему для окружающей среды представляет накопление отвалов горнодобывающей промышленности, отработавших катализаторов промышленности органического синтеза, отходов абразивной обработки металлов, пылевых выбросов промышленных предприятий, содержащих значительные количества ценных металлических элементов и их химических соединений. В техногенных отходах и рудном сырье содержатся в значительных количествах ценные металлы (Au, Ag, W, Mo, U, Cu, Cd, Ge и др.).

Так, в золе, образующейся от сжигания малометаморфизированных углей, содержание Ge достигает десятых долей процента.

В результате перемыва и переотложения отвальных «хвостов» Норильской обогатительной фабрики сформировалась залежь техногенных отходов высотой 2-6 м, шириной 10-60 м, длиной 9 км. Среднее содержание платиноидов в ней составляет 3-6 г/м2, золота – 0,2-0,4 г/м2, в отдельных локальных проявлениях содержание платиноидов достигает 60,65 г/м2, золота – 18,56 г/м2, палладия – 77,81 г/м2.

В процессе переработки бокситов на глинозем образуются сотни тысяч тонн красного шлама, содержащего Fe, Ti, Zr, Ga, редкоземельные металлы; отвалы тепловых электростанций России содержат около 1,2 млрд тонн золошлаковых отходов, содержащих ряд ценных металлов.

Увеличиваются накопленные десятилетиями отходы металлургического, горнодобывающего, топливно-энергетического комплекса, машиностроительного и химического производств. По объему и содержанию металлических элементов техногенные отходы сравнимы с месторождениями природных ископаемых. Только в одной Тульской области скопилось более 17 млн тонн техногенных отходов от металлургических и химических производств, содержащих соединения различных металлов, по России эта цифра составляет от 450 до 550 млн тонн и продолжает увеличиваться.

Нижнетагильский металлургический комбинат ежегодно продуцирует не менее 3,5 млн тонн отходов, из них более 65 % составляют шлаки, шламы, пыль.

«Сегодня мы имеем в отвалах 3 млрд кубометров отходов, в которых содержится 500 тонн золота, 20 тыс. тонн серебра, 1 млн тонн меди и 15 млн тонн железа. И требуется технология, с помощью которой можно будет извлечь эти металлы», − из выступления губернатора Свердловской области Эдуарда Росселя 22.09.2005 на открытии комплекса по производству катодной меди в ОАО «Уралгидромедь».

Техногенные отходы занимают значительные площади земельных угодий, в том числе пахотные земли, пастбищные угодья, городские территории. На складирование и содержание этих отходов расходуются огромные средства. И наконец, существует серьезная проблема загрязнения окружающей среды.

В табл. 1 приведен перечень техногенных отходов и их химический состав Алмалыкского горно-металлургического комбината (АГМК) Узбекистана.

Таблица 1

Перечень техногенных отходов ОАО «АГМК»

Отходы

Отвалы,

тыс. тонн

Содержание металла в отходах, г/т

Cu

Au

Ag

Pb

Zn

S

Fe

SiO2

Al2O3

a

38373

0,35

0,42

1,74

0,03

0,05

1,5

4,0

61,0

12,0

b

99821

0,23

0,38

1,56

0,029

0,007

1,5

4,0

65,0

13,7

c

19430

0,33

0,49

1,98

0,03

0,04

2,0

4,4

60,0

12,0

d

99,6

0,16

-

0,76

0,36

1,19

4,0

18,0

10,0

0,7

e

12700

0,65

0,4

3,5

0,25

1,3

1,1

37,0

36,0

6,2

f

130200

0,013

0,033

3,0

0,24

0,33

0,96

3,4

10,5

0,05

g

850700

0,111

0,208

1,072

0,014

0,02

1,54

3,8

63,0

13,0

Примечание: a – руда медная окисленная забалансовая; b – руда медная сульфидная забалансовая; c – руда медная смешанная забалансовая; d – отвальный клинкер цинкового завода; e – шлак отражательной и кислородно-факельной плавок медеплавильного завода; f – отвальные хвосты свинцово-цинковой обогатительной фабрики; g – отвальные хвосты медной обогатительной фабрики.

Значительные количества металлических элементов содержатся в пиритных огарках и гальваническом шламе. В пиритных огарках содержание железа достигает 40-63 %, меди – 0,33-0,47 %, цинка – 0,42-1,35 %, свинца – 0,32-0,58 %, драгоценных металлов – 10-20 г/т. В гальваническом шламе содержание оксида железа достигает 13-25 %, оксида алюминия – 2-5 %, оксида хрома – 0,3-1 %, оксида цинка – 4-5,5 %, оксида меди – 0,3-2 %, а также содержатся оксиды других ценных металлов.

В табл. 2 приводится классификация твердых отходов различных отраслей промышленности.

Таблица 2

Классификация отходов различных отраслей промышленности

Отрасль промышленности

Разновидности отходов

Машиностроение

Прокатная и кузнечная окалина

Чугунная и стальная стружка

Отходы абразивной обработки

Пыль аспирационных установок

Металлургическая промышленность

Пыль аспирационных установок

Колошниковая пыль

Коксовая мелочь и пыль

Прокатная окалина

Шлаки и шламы

Угледобывающая промышленность

Угольная мелочь и пыль

Шламы

Хвосты обогащения

Коксохимическая промышленность

Коксовая мелочь и пыль

Смолы

Топливно-энергетический комплекс

Угольная пыль

Зола ТЭЦ

Лесная промышленность

Отходы древесины

Лигносульфанаты

Мелочь древесного угля

Значительные количества отходов попадают в гидросферу. Это ионы тяжелых, цветных и редкоземельных металлов, токсичные анионы, например CN–, молекулы химических соединений, прежде всего, органических веществ (фенолы, ПАВ и др.), коллоидные и микродисперсные частицы, а также микроорганизмы. Серьезную проблему представляет попадание в сточные воды радиоактивных элементов, изотопов стронция и цезия. Проблема загрязнения окружающей среды в этом случае обостряется в связи с тем, что указанные вещества находятся в растворенном или высокодисперсном состоянии. По этой причине эти вещества переносятся на значительные расстояния. Известны случаи попадания токсичных веществ в грунтовые воды.

Накопление техногенных отходов тесно связано с проблемой экологической безопасности. Например, содержание тяжелых металлов в почве и гидросфере в зоне деятельности предприятий химической и металлургической промышленности часто значительно превышает ПДК. Так, металлургические предприятия ежегодно выбрасывают вместе с отходами свыше 150 тыс. тонн меди. Погибает растительность, необратимо разрушается почвенный покров. Появляются техногенные пустыни.


читать далее »

Флотация высокодисперсных частиц (микрофлотация)

Флотация малых частиц (как правило, коллоидных размеров) возможна без образования периметра смачивания и краевого угла. Этот вид закрепления частиц на пузыре может протекать без применения ПАВ. Если заряды частицы и пузырька совпадают и достаточно велики, то микрофлотация будет затруднена. Флотацией малых частиц можно управлять, используя ионогенные ПАВ. Это связано с перезарядкой поверхности частиц.

В подробно описан элементарный акт микрофлотационного процесса, уделено внимание роли поверхностных явлений в неравновесных условиях и гидродинамике процесса.

Показано, что с уменьшением радиуса частиц наблюдается минимум эффективности захвата частиц. Это соответствует радиусу частицы ~ 0,1 мкм. В этом случае повысить эффективность флотационного процесса можно за счет агрегации частиц.

Флотация коллоидных частиц (золота, серебра, сурьмы, мышьяка, ртути, гидроксида железа, сульфидов сурьмы, меди, кадмия, йодистого серебра, берлинской лазури, кристаллвиолета и конго-рубина) с применением собирателя – желатина − оказалась весьма эффективной. Стабилизатором образующейся пены служит желатин. Пенные пленки содержат коллоидные частицы. Флотации коллоидных частиц посвящено значительное количество работ. Укажем только некоторые из них. Рассмотрено влияние таких физико-химических факторов, как pH и температуры.
читать далее »

Растворение труднорастворимых соединений металлов Растворение труднорастворимых соединений металлов

Физико-химические процессы растворения труднорастворимых соединений металлов представляют собой теоретический и практический интерес. В процессе растворения металл переходит в ионное состояние. Образуется растворимое в воде соединение.

Растворению при выщелачивании легко поддаются химические соединения, характеризуемые ионной связью (простые оксиды, соли с ионными связями и др.). Металл из сульфидов и особенно сложных сульфидов и сложных оксидов с трудом переходит в раствор.

Низкой эффективностью характеризуется переход металла в растворенное состояние из сложных оксидов, содержащих различные металлы (серебро и марганец, серебро и железо, ферриты цинка и меди). Возникают проблемы с силикатами металлов.

В табл. 15 приведены основные реагенты, позволяющие перевести металлы в растворенное состояние.

Таблица 15

Реагенты, используемые для перевода металлов в растворимое состояние

Металлы

Реагенты

Ванадий, медь, цинк

Серная кислота

Ванадий в карбонатных рудах, молибден, вольфрам

Сода

Глинозем, вольфрам

Едкий натр

Медь, никель

Аммиак

Золото, серебро

Цианистые соли, тиосульфаты

Сурьма, ртуть

Сернистый натрий

Благородные металлы, свинец, редкие металлы

Растворы хлора и хлоридов

Растворение химических соединений, кристаллическая решетка которых характеризуется ионной связью, не вызывает затруднений. Например, легко растворяются в серной кислоте тенорит CuO, брошантит CuSO4·3Cu(OH)2:

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

CuSO4·3Cu(OH)2 + 3H2SO4 = 4CuSO4 + 6H2O.

Иногда применяют автоклавные методы выщелачивания. Например, автоклавное разложение шеелита при температуре 200-225 оС (важнейшего сырья для получения вольфрама) основано на обменной реакции

CaWO4 + Na2CO3 =Na2WO4 + CaCO3.

В некоторых случаях процесс растворения сопровождается образованием комплексных соединений:

AgCl + 2NaCN = NaAg(CN)2 + NaCl.

За счет комплексообразования удается растворять металлические элементы. Считалось, что металл предварительно должен перейти в ионное состояние, например:

Ago → Ag+ +e.

Было принято считать, что при растворении золота и серебра в растворах, содержащих ионы CN– на поверхности металла, имеются анодные и катодные участки. Существование таких центров возможно, если учесть наличие дислокаций, выходящих на поверхность металла. Выходы дислокаций на поверхность металла являются анодами.

Можно оценить избыточную энергию дислокации по уравнению

E = Gb3,

где G – модуль сдвига; b – вектор Бюргерса. Расчеты показали, что с учетом этой энергетической поправки электродные потенциалы металлов, например золота, серебра и меди, принимают отрицательные значения. Это означает, что выходы дислокаций на поверхность металла могут вытеснять водород из воды и кислот. Металл теряет электроны, которые гидратируются водой. Затем гидратированный электрон (Растворение труднорастворимых соединений металлов) вступает во взаимодействие c ионом оксония:

Растворение труднорастворимых соединений металлов+ H3O+ = H + H2O.

На высокую вероятность протекания этой реакции указывает значение константы скорости реакции 2,06·1010 м–1·с–1.

Существует и другое представление о процессе растворения металла в растворах цианидов. Такая реакция протекает в присутствии кислорода. Можно допустить, что растворенный кислород оксидирует поверхность металла. В реакцию с ионами CN– вступает оксидная пленка поверхности металла. Такой двумерный оксид (поверхностное химическое соединение) является более реакционно-способным, чем объемная фаза оксида.

Надежным методом отделения золота от породы является цианидный метод:

4Au +O2 +8NaCN + 2H2O = 4Na[Au(CN)2] +4NaOH.

Полученное комплексное соединение Na[Au(CN)2] находится в растворенном состоянии.


читать далее »

Извлечение d-металлов из бедных руд и отвалов

Извлечение d-металлов из бедных руд и отвалов

К настоящему времени количество руд с высоким содержанием металлов сократилось. Например, рентабельный минимум для переработки составляет: 0,4-0,25 % для меди и 0,1-0,05 % для ванадия. В то же время не малое количество металлов остается в отвалах, создающих серьезную экологическую проблему. Технология гидрометаллургического извлечения металлов из бедных руд и отвалов исчерпала свои возможности.

Сегодня на первый план выдвигается технология растворения нерастворимых в воде соединений d-элементов с ковалентными связями (оксиды, сульфиды, гидроксиды, фосфаты, карбонаты и др.). Образующееся комплексное соединение металла находится в растворенном состоянии. Эти соединения легко вступают в донорно-акцепторное взаимодействие с органическими лигандами, растворенными в неводных растворителях.

Для изучения растворения в донорно-акцепторной системе были выбраны руды с бедным содержанием металла, отвалы и шпинель (табл. 48).

Таблица 48

Рудное сырье, отвалы, шпинель; содержание металла m

Рудное сырье, отвалы, шпинель

Металл

m, %

Сульфидные руды (халькозин, ковеллин, борнит, халькопирит

Cu

0,5-0,7

Окисленные руды (тенорит, куприт, малахит)

Cu

0,4-0,7

Отвалы (смешанные руды)

Cu

0,27

Шпинель CuFe2O4

Cu

0,26

Ванадит

V

0,1

Аргентит

Ag

1,9

Шпинель CuFe2O4 химически чрезвычайно инертна, растворима только в концентрированных серной и соляной кислотах при нагревании и практически не поддается переработке.

Образцы сырья различной степени дисперсности заливались раствором салицилальанилина в диметилформамиде и перемешивались.

В табл. 49 представлены кинетические параметры извлечения металла из указанного выше (табл. 46) сырья.

Таблица 49

Скорость извлечения металла V, энергия активации Ea,

степень извлечения α

Сырье

Формула

V·105, моль/г·ч

Ea, кДж/моль

α, %

Халькопирит

CuFeS2

64

53±2

37,61

Халькозин

Cu2S

148

18,3±1

81,39

Ковеллин

CuS

76

38,9±2

85,60

Борнит

Cu5FeS4

22

117±3

47,60

Куприт

Cu2O

19

36±1

63,33

Тенорит

CuO

59

68±2

70,60

Малахит

(CuOH)2CO3

24

43±4

79,89

Шпинель

CuFe2O4

3,33

171±3

72,47

Гематит

Fe2O3

3,75

98±2

76,70

Магнетит

Fe3O4

0,13

87±3

69,59

Сидерит

FeCO3

1,50

69±2

72,34

Ванадит

Pb5(VO4)3Cl

58

45±4

50,71

Аргентит

Ag2S

183

-

76,00

Примечание: Система: металлсодержащее сырье–салицилальанилин–диметилформамид; концентрация лиганда 0,05 моль/л; температура 25 оC.

Из сульфидных руд медь извлекается с более высокой скоростью по сравнению с оксидными рудами. Наибольшая скорость извлечения меди характерна для халькозина, ковеллина и халькопирита. Высока скорость извлечения ванадия и серебра. Высокие степени извлечения металла свыше 70 % характерны для ковеллина, халькозина, малахита, гематита, аргенита, сидерита, шпинели и тенорита.

В табл. 50 представлены данные по влиянию ряда технологических параметров процесса на эффективность извлечения металла при использовании донорно-акцепторной системы с неводным растворителем, а также водными системами, применяемыми в гидрометаллургии меди.

При кусковом выщелачивании борнита и малахита скорость реакции невелика, но резко возрастает при увеличении дисперсности и перемешивании пульпы. К увеличению скорости реакции приводит повышение концентрации лиганда. Эффективным оказалось воздействие температуры на процесс извлечения металла. Увеличение температуры с 20 до 30 оC приводит к повышению скорости реакции в 2,14 раза и степени извлечения меди в 2,05 раза.

Таблица 50

Растворение медьсодержащего сырья в растворах салицилальанилина в диметилформамиде и в промышленных водных растворах серной кислоты

Минерал

Борнит

Халькозин

Ковеллин

Халькопирит

Куприт

Малахит

Формула

Cu5FeS4

Cu2S

CuS

CuFeS2

Cu2O

(CuOH)2CO3

D

7,8

0,05

0,34

0,34

0,34

7,8

Перемеш.

нет

200

200

200

200

Нет

t

20

30

30

20

30

20

C

0,05

0,01

0,01

0,01

0,1

0,05

От. Т:Ж

1:5

1:30

1:30

1:30

1:60

1:5

V·105

1,91

148

95

64

42,5

24

α

88

95

79

71

80

43

τ

5 сут.

3 ч

3 ч

3 ч

2,5 ч

24 ч

Промышленные растворы (1-5 % H2SO4, t = 35 oC)

D

0,147

0,147

0,147

0,044

0,147

0,147

α

27

30

26

30

50

100

τ

4 сут.

14 сут.

35 сут.

40 сут.

1 ч

1 ч

Примечание: D – крупность (мм); Перемеш. – перемешивание (об/мин); t – температура (оС); C – концентрация лиганда (моль/л); От. Т:Ж. – отношение фаз твердая:жидкая; V – скорость реакции (моль/г·ч); α – степень извлечения металла (%);τ – время извлечения.

На выщелачивание сырья, приведенного в табл. 49, с использованием промышленных растворов, содержащих серную кислоту, требуется значительное время обработки от 4 до 40 суток. При этом степень извлечения меди за исключением куприта и малахита не превышает 30 %.

Сопоставление результатов, полученных с использованием сольватотехнологии, и применяемого сегодня метода гидрометаллургии говорит о перспективности использования неводных систем.

Экологическая целесообразность сольватотехнологии очевидна. Исключается использование водных систем и, следовательно, загрязнение гидросферы. Исключается использование в технологическом процессе агрессивных и токсичных реагентов – кислот, щелочей, цианистого калия, аммиака.

Технологическая целесообразность сольватотехнологии также очевидна – высокие скорости растворения сырья; проведение процесса при низких температурах; отсутствие взаимодействия неводных растворов с s- и p-элементами и вскрышными породами; резкое снижение коррозии используемого оборудования. Кроме того, представляется возможным проводить извлечение d-металлов из тонковкрапленных руд. Отпадает необходимость в предварительной дорогостоящей обработке рудного сырья.


читать далее »

Выделение металлов и их соединений из растворов

Выделение металлов и их соединений из растворов

Одной из важнейших операций гидрометаллургии считается выделение металлов и их соединений из растворов. Для выделения металлов обычно применяется электролиз или цементация (реакции замещения).

Для выделения соединений металлов из растворов используют гидролиз, кристаллизацию, разложение нагреванием раствора, адсорбцию, химическое осаждение (например, в виде сульфидов). Среди эффективных новых способов выделения металлов можно назвать окислительно-восстановитель-ные процессы с использованием в качестве восстановителей гидраксиламина и гидразина.

При электролитическом выделении металлов обращается внимание на такие понятия, как выход металла по току, концентрационная поляризация, напряжение разложения, перенапряжение, коэффициент расхода электроэнергии.

Помимо электролитического выделения металлов применяется операция рафинирования черновых металлов. Анодом в этом процессе выступает черновой металл.

И электролиз, и рафинирование характеризуются большими затратами электроэнергии. Например, расход электроэнергии на 1 т катодной меди при рафинировании составляет 300 квт·ч., а при электроосаждении – 2000-3500 квт·ч.

Цементация нашла использование для выделения из цианистых растворов золота и серебра, а также меди, свинца и др. металлов.

Выделение золота из цианистого раствора проводят с помощью цинка:

2Na2[Au(CN)2] + Zn = Na2[Zn(CN)4] + 2Au.

Медь из раствора соли меди можно вытеснить более активным металлом – цинком:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu.

Цементирующий металл (металл-восстановитель) должен с новым анионом образовывать растворимое соединение и находиться в избытке. В процессе восстановления цементирующий металл может покрыться восстанавливаемым металлом. Поэтому следует организовать энергичное перемешивание раствора, а для удаления рыхлого осадка восстановленного металла с поверхности металла-восстановителя производить встряхивание или другие эффективные действия.

При проведении процесса цементации необходимо учитывать pH раствора, поскольку в кислых растворах протекают побочные реакции между металлом-восстановителем и кислотой, например:

H2SO4 +Zn = ZnSO4 +H2↑.

В этом случае неоправданно увеличивается расход металла-восстанови-теля.

В некоторых случаях подкисление раствора необходимо в целях подавления гидролиза соли. Например, при цементации меди железом слабокислая среда подавляет гидролиз сульфата железа (II).

Для процесса цементации необходимо исключить наличие в растворе иона-окислителя, например Fe3+, поскольку может произойти растворение ранее выделенного из раствора металла:

Cu + Fe2(SO4)3 = CuSO4 + 2FeSO4.

Одновременно может растворяться металл-восстановитель, поскольку Fe3+ является окислителем:

Fe + Fe2(SO4)3 = 3 FeSO4.

Гидролиз нашел широкое использование в гидрометаллургических процессах, в частности, для осаждения гидроксидов металлов. Изменяя значение водородного показателя, удается производить селективное осаждение гидроксидов металлов из водных растворов. В табл. 24 приведены значения pH, при которых происходит осаждение гидроксидов из растворов.

Строго говоря, величина pH осаждения зависит от концентрации металла в растворе и анионов, присутствующих в растворе. Регулируя pH и концентрацию раствора, можно добиться оптимальных условий осаждения гидроксида металла, подлежащего выделению.


читать далее »

Гидрометаллургия Гидрометаллургия

Гидрометаллургия – это процесс извлечения металлов из рудного сырья, концентратов, например, конкреций, техногенных отходов водными растворами определенных реагентов с последующим восстановлением до металлического состояния.

Основоположником гидрометаллургии следует считать М.В. Ломоносова, которому принадлежит труд «Первые основания металлургии или рудных дел» (1763 г.). Например, для гидрометаллургического извлечения золота М.В. Ломоносов использовал хлорную воду. В 1797 году А.А. Мусиным-Пушкиным была опубликована первая работа по исследованию амальгам платины. П.Р. Багратион (1843 г.) является создателем процесса извлечения из рудного сырья золота и серебра за счет их растворения в водных растворах цианистых солей. Большое значение гидрометаллургическим процессам придавал Д.И. Менделеев. Подробное описание гидрометаллургических процессов можно найти в книге И.Н. Плаксина и Д.М. Юхтанова.

Процесс гидрометаллургического извлечения металлов состоит из ряда операций, каждая из которых имеет свои особенности.

Первая операция – механическая обработка вещества, находящегося в твердом агрегатном состоянии. Она заключается в дроблении и измельчении рудного сырья и твердых техногенных отходов. Механическая обработка преследует цель – раскрытие зерен минералов, увеличение площади межфазной границы, увеличение плотности дефектов кристаллической решетки (дислокаций). Раскрытие зерен минералов обеспечивает контакт жидкого реагента с извлекаемым металлом или его соединениями. Увеличение площади межфазной обеспечивает повышение скорости гетерогенной химической реакции жидкого реагента с твердой фазой. Увеличение плотности дислокаций приводит к созданию активных центров на поверхности твердого тела. Это связано с тем, что дислокации с околозвуковой скоростью выходят на поверхность твердого тела. При этом происходит обрыв химических связей на поверхности.

Вторая операция предусматривает изменение химического состава руды, концентратов, техногенных отходов. Цель операции – подготовка твердого вещества к выщелачиванию. Для этого проводится отмывка растворимых солей, т.е. перевод солей в растворимое состояние. Такие соли должны иметь высокий процент ионного характера химической связи. Далее проводится окислительный или восстановительный обжиг. Отдельной операцией может стать спекание. Цель этих операций – перевод химических соединений, которые почти не подвержены выщелачиванию, в более приемлемые формы. Одновременно проводится удаление примесей, затрудняющих выщелачивание.

Часто процессу выщелачивания предшествует окислительный или сульфатизирующий обжиг.

Для минералов, содержащих медь, возможны следующие схемы превращений. Медь из сульфида может перейти в оксид или сульфат:

4CuS = 2Cu2S + S2

CuS + 3O2 = 2CuO +2SO2 +96,86 ккал

CuO + SO3 = CuSO4.

Обжиг может сопровождаться и другими реакциями:

4CuO + 4FeSO4 = 4CuSO4 +4FeO

3CuO + Fe2(SO4)3 = 3CuSO4 +Fe2O3

5CuO + CuS = 3Cu2O + SO2

Cu2S + 2O2 = 2CuO + SO2

2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2 + 89,5 ккал

Cu2O + SO2 + O2 = 2CuO + SO3

CuO + SO3 = CuSO4

2Cu2S + 5O2 =2CuSO4 + 2 CuO

2CuO + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2

6CuO + Cu2S = Cu2O + SO2

2CuO + CO = Cu2O +CO2

Cu2O + SO3= 2CuO + SO2

2Cu2O + Cu2S =6Cu + SO2

3Cu + CuSO4 = 2Cu2O + SO2

CuO = 2Cu2O + O2 – 71 ккал.

Сложный сульфид, например халькопирит, реагирует по схемам:

4CuFeS2 = 2Cu2S + 4FeS + S2

2CuFeS2 + O2 = Cu2S + 2FeS + SO2

4CuFeS2 + 15O2 = 4CuSO4 +2Fe2O3 +4 SO2

2CuFeS2 + 6,5O2 =2CuO + Fe2O3 + 4SO2

2CuFeS2 + 6,5 O2 =CuO·Fe2O3 +CuO + 4SO2

CuO + Fe2O3 = CuO·Fe2O3.

Все эти реакции протекают в определенных температурных интервалах.

Разложение ферритов меди может протекать по схемам:

CuO·Fe2O3 + SO2 = CuO·SO3 + 2FeO

CuO·Fe2O3 + CaO = CuO + CaO·Fe2O3.

В общем виде реакции обжига сульфидов можно представитьтак:

2MeS + 3O2 = 2MeO + 2SO2 + Q ккал

MeS + O2 = MeSO4

MeS + O2 = Me + SO2.

При хлорирующем обжиге основным реагентом является хлор. При этом возможна следующая реакция:

MeSO4 + 2NaCl = Na2SO4 +MeCl2.

Хлорирующий обжиг может быть применен для извлечения меди, серебра, кобальта и платиновых металлов. При этом возможно образование комплексных соединений:

2NaCl + PtCl4 = Na2PtCl6.

Образовавшиеся хлориды металлов могут разлагаться кислородом:

2MeCl2 + O2 = 2MeO + 2Cl2.

При повышенной температуре возможно образование оксихлоридов:

4CuCl2 + O2 = 2CuO·CuCl2 + 2Cl2.

Возможна диссоциация хлорида:

2CuCl2 = 2CuCl + Cl2.

Третья операция – выщелачивание. В результате этой операции необходимый химический элемент в виде химического соединения переводится в растворимое состояние.

Четвертая операция – обезвоживание и промывка преследует цель отделения раствора, содержащего металлический элемент, от измельченных частиц твердого вещества. Для этого чаще всего используют фильтры.

Пятая операция – подготовка растворов для дальнейшего выделения металлических элементов. Для этого производят удаление взвешенных и коллоидных частиц.

Шестая операция – осаждение металлов или их соединений из растворов. Иногда применяются ионообменные процессы. Для этого используют ионообменные смолы. В некоторых случаях применяются сорбционные процессы, а в качестве адсорбента используется активированный уголь. Применяется также метод экстракции. Для выделения металлов из растворов используют электролиз и восстановление более активным металлом (процесс цементации).

Седьмая операция – очистка выделенного соединения металла или металла от примесей. Для этого используется перекристаллизация, разложение, растворение в кислотах и щелочах, комплексообразование. Для выделения нового соединения используют возгонку, прокаливание, плавку и др.

Товарный металл получают восстановительной плавкой, электролизом водных растворов или расплавов, использованием энергичных восстановителей.


читать далее »

Сплавы тугоплавких металлов Сплавы тугоплавких металлов

К тугоплавким металлам, имеющим температуру плавления свыше 1600 °С, относятся 11 элементов, но наибольшее практическое применение в качестве конструкционных материалов нашли шесть: ванадий, хром, ниобий, молибден, вольфрам и тантал. Основные физические свойства этих металлов приведены в табл. 61.

Таблица 61

Некоторые физические и механические свойства тугоплавких металлов при 20 °С

Свойство        V         Cr        Nb       Mo       Ta        W

 

Атомный номер

23

24

41

42

73

74

Атомная масса

50,942

51,996

92,906

95,940

180,95

183,85

Атомный диаметр, нм

0,263

0,250

0,286

0,272

0,286

0,274

ρ , г/см3

6,10

7,15

8,60

10,2

16,60

19,30

tпл, °С

1900

1875

2460

2620

2980

3400

tкип, °С

3350

2500

480

4600

5400

5500

с, Дж/(г·К)

0,499

0,460

0,272

0,256

0,142

0,147

λ, Вт/(м К

37

90

54

142

55

154,5

α ×10–6, 1/К

8,3

5,9

7,1

5,1

6,6

 

 

Металлы высокой чистоты

σв, Мпа

200

250

200

420

480

500–600

δ, %

40

60

50

44

42

13,5

 

Металлы промышленной чистоты

σв , Мпа

260–450

300–450

380–500

500–900

800–900

800–1100

δ, %

40–25

50–20

40–30

0

15–10

0

Металл

ы промышленной чистоты (при 1100 °С)

σв, Мпа

50

77

119

70

176

239

Тугоплавкие металлы обладают хорошей коррозионной стойкостью в целом ряде высокоагрессивных сред, например, кипящих ки

слотах (HCl, H2SO4,H3PO4), различных органических и неорганических веществах (кроме щелочей и фторидов).

Тугоплавкие металлы высокой чистоты отличаются большой пластичностью при комнатной температуре. Металлы технической чистоты отличаются высокой прочностью, но существенно различаются по пластичности. Если у металлов VA группы периодической системы (V, Nb, Ta) пластичность достаточно велика, то у элементов VIAгруппы (Cr, W, Mo) она практически равна нулю.

При повышении температуры тугоплавкие металлы активно взаимодействуют с кислородом и другими газами. Они способны растворять водород, кислород, азот и углерод. Растворимость этих элементов с понижением температуры уменьшается, а в хроме, молибдене и вольфраме при температурах ниже 1000 °С ничтожно мала. Углерод, азот и другие элементы при понижении температуры, выделяясь из раствора, образуют карбиды, нитриды и другие хрупкие соединения, отрицательно влияющие на пластичность. В металлах VA группы растворимость элементов внедрения (С, Н, О, N) при низких температурах на 2–3 порядка выше. Они остаются в твердом растворе и мало влияют на пластичность. У всех тугоплавких металлов технической чистоты наблюдается явление хладноломкости (переход из вязкого в хрупкое состояние). У ванадия, ниобия и тантала хладноломкость наступает при температурах ниже комнатной, у хрома и молибдена при 100–200 °С, а у вольфрама около 300 °С.

Прочность тугоплавких металлов сохраняется при температурах свыше 1000 °С. Однако чистые металлы (кроме хрома) подвержены высокотемпературному окислению и газовой коррозии, т.е. имеют низкую жаростойкость и без защитных металлических, интерметаллидных и керамических покрытий при высоких температурах работать не могут.

Mо и W в чистом виде используют в радиои электронной промышленности (нити накаливания, листовые аноды, сетки, пружины катодов и пр.), в химическом машиностроении и т.д.

Более эффективным является использование жаропрочных сплавов на основе тугоплавких металлов. В результате дисперсионного упрочнения путем образования карбидов ZrC, TiC, (Ti, Zr)C рабочие температуры для сплавов на основе ниобия и молибдена достигают 1300–1450 °С, а для сплавов на основе тантала – 2000 °С. Наиболее жаропрочными являются сплавы на основе вольфрама. Они выдерживают длительные нагрузки при температурах до 2200 °С, а кратковременные – до 2750 °С. Хром, ванадий и их сплавы по своим свойствам и уровню рабочих температур не превосходят жаропрочные никелевые сплавы.

Наибольшее применение в промышленности пока нашли сплавы на основе ниобия и молибдена. Составы сплавов приведены в табл. 62, а механические свойства при комнатной и повышенных температурах – в табл. 63.

 

 

 

 

 

Таблица 62

Химический состав сплавов на основе тугоплавких металлов

Марка сплава

Сост

ав, мас. % C

 

W             Mo              Zr

Nb            Другие

Сплавы на основе ниобия

ВН2 ВН2А ВН3 ВН4 ВН6 5ВМц

– 4,5–6,0 4,5–5,5

3,8–5,2 3,8–4,7 4,0–5,2 8,5–10,5 4,5–6,0 1,7–2,3

– 0,5–0,9 0,8–2,0 1,0–2,0

1,0 0,7–1,0

0,05

0,08

0,08–0,16

Ост. Ост. Ост. Ост. Ост. Ост.

– – – 0,01–0,05 Ti – –

             

Сплавы на основе молибдена

ТСМ3

Ост.

0,06–0,10

0,03–0,10N

ЦМ5

Ост.

0,4–0,6

0,04–0,07

ЦМ2А

Ост.

0,07–0,15

0,004

ВМ1

Ост.

0,08–0,25

0,01

ВМ3

Ост.

0,30–0,60

0,25–0,50

1,0–1,8

МР47

Ост.

47,0 Re

Таблица 63

Механические свойства сплавов на основе тугоплавких металлов

Марка сплава    I      σв , МПа (20 °С/1200 °С)      I            δ, % (20 °С/1200 °С)

 

ВН2

850/180–200

ВН2А

850/300

ВН3

780/250

18/–

ВН4

810/250

16/–

ВН6

890/–

–/–

5ВМц

450/–

30/–

ТСМ3

930/–

4/–

ЦМ5

775/500

11,5/6,0

ЦМ2А

800/300

25,0/18,0

ВМ1

800/340

10,0/17,0

ВМ3

830/500

0/9,0

МР47

1780/–

Интерес к тугоплавким металлам и сплавам на их основе резко возрос в связи со строительством ракет, космических кораблей, ядерных реакторов и развитием энергетических установок, отдельные детали и узлы которых работают при температуре до 1500–2000°С.

Ниобий – светлосерый не слишком тяжелый металл, обладающий высокой химической устойчивостью. Из кислот на него действует только плавиковая. При нагревании до 200 °С он может взаимодействовать с фтором, хлором, водородом и азотом, но уже при 150 °С на поверхности образуется оксидная защитная пленка Nb2O5. Содержание ниобия в земной коре довольно велико: 0,002 %. Его производство затрудняется сложностью отделения от тантала.

Вследствие малого поперечного сечения захвата нейтронов и отсутствия взаимодействия с расплавленными щелочными металлами чистый Nb применяют для изготовления теплообменников ядерных реакторов. Большое количество ниобия расходуется на легирование сталей и цветных сплавов.

Сплавы на основе ниобия используют как конструкционные жаропрочные материалы в термоядерной технике, авиационной и космической промышленности. Они хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Детали из ниобиевых сплавов могут эксплуатироваться при температурах от – 200 до 1200–1300 °С.

Некоторые интерметаллические соединения ниобия приобретают свойство сверхпроводимости.

Молибден – серебристобелый сравнительно редкий металл (1,1 × 10–4 % в земной коре). Больше всего молибдена расходуется на легирование железоуглеродистых сплавов. Из чистого молибдена изготовляют детали электронных ламп и ламп накаливания – аноды, сетки, катоды, держатели нитей накала и вводы.

Сплавы на основе молибдена применяют для изготовления прессформ, для контуров ядерных реакторов, электродов эрозионноискровых аппаратов, нагревателей, деталей в судостроительной промышленности. Недостатками молибдена и его сплавов являются повышенная окисляемость при температурах выше 500 °С и низкая пластичность при нормальных температурах.


читать далее »

Сверхлегкие магниевые сплавы Сверхлегкие магниевые сплавы

Одним из элементов, входящим в число основных легирующих добавок для магния, является литий. Это щелочной металл серебристобелого цвета, с ярким металлическим блеском. На воздухе быстро тускнеет, соединяясь с кислородом. Он самый легкий из всех металлов, имеет плотность 0,54 г/см3, т.е. почти вдвое легче воды. Литий мягок, легко режется ножом.

Также как калий и натрий, литий реагирует с водой, образуя щелочь LiOH. Но эта реакция протекает более спокойно, и литий не воспламеняется, подобно калию, в реакции с водой. Зато он более активно взаимодействует с азотом, углеродом и водородом. Долгое время литий не находил практического применения. Лишь в ХХ веке его стали использовать в производстве аккумуляторов.

Перспективно использование лития и в качестве легирующей добавки. Сплавы магния с литием являются самыми легкими конструкционными материалами. Их плотность составляет 1,30–1,65 г/см3. Растворимость лития в магнии достигает 5,5 % (рис. 29). В зависимости от содержания лития сплавы могут быть однофазными (до 5,5 % Li – твердый раствор лития в магнии, свыше 10,5 % Li – твердый раствор магния в литии) и двухфазными (5,5–10,5 % Li). В ГОСТ 14957–76 включены два деформируемых сплава – МА18 и МА21, – содержащие литий. Стандартных литейных сплавов с литием нет.

В результате большого объема исследований системы Mg – Li с добавками алюминия, цинка, кадмия, олова и иттрия был разработан сплав МЛЦИ 14 (авторское свидетельство № 1116744) с плотностью 1,38 г/см3. Гарантированный предел прочности сплава при растяжении составил 170 МПа (удельная прочность составила 12,45), а относительное удлинение – 10 %. Сплав МЛЦ14 используется в приборостроительной отрасли для корпусных деталей.


читать далее »

Припои Припои

Припои служат для соединения различных металлов и сплавов путем заполнения промежутка (шва) между деталями в расплавленном состоянии. Поэтому припой должен иметь более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы.

По своему составу припои разделяются на несколько групп. Наибольшее распространение получили оловянносвинцовые припои по ГОСТ 21930–79. Для лучшего смачивания и растекания в них добавляют сурьму. Химический состав припоев приведен в табл. 53. Эти сплавы изза малой прочности и твердости еще называют мягкими припоями.

 К числу твердых припоев относятся медноцинковые, меднофосфористые и медносеребряноцинковые. Твердыми припоями паяют сталь, чугун, медь и бронзы. В данном разделе твердые припои не рассматриваются.

Наиболее технологичными являются припои, имеющие эвтектический или близкий к нему состав. Для них характерны отсутствие или малая (не более 10 °С) разница между начальной и конечной температурами их плавления. К таким припоям относятся оловянносвинцовые припои марок ПОС 61, ПОС 61М, ПОССу–61–0,5; оловянносвинцовокадмиевый припой ПОСК 50–18, оловянносвинцововисмутовый припой ПОСВ 33 и припои, содержащие индий. Припои эвтектического состава почти мгновенно переходят из жидкого состояния в твердое, обладают повышенной растекаемостью и коррозионной стойкостью, а также имеют более низкие температуры пайки.

Кроме оловянносвинцовых припоев с сурьмой применяются припои с серебром: ПСр 1,5, ПСр 2 и ПСр 2,5. Они предназначены для пайки монтажных соединений, работающих в условиях повышенных температур – от 150 до 250 °С. Пайка и лужение тонких проводов из золота, серебра и покрытых ими деталей выполняется припоями ПСрОСИнЗ56 и ПСрИнЗ, содержащими индий, который снижает скорость растворения драгоценных металлов и образование интерметаллидов. Припои марок П150А, П250А и ПЗ00А, не содержащие свинец, предназначены для пайки монтажных элементов из алюминия и его сплавов, а также соединения их с медью, медными сплавами и другими металлами.

В литейном производстве припои используются для доводки поверхностей металлических моделей, для устранения поверхностных дефектов на отливках и для защиты отливок от коррозии путем лужения.


читать далее »

Золото и его сплавы Золото и его сплавы

Золото было первым металлом, с которым познакомился человек. В чистом виде оно имеет красивый яркожелтый цвет с хорошим блеском, который усиливается при полировке. С давних пор золото использовалось для ювелирных украшений и чеканки монет. Кроме того, в настоящее время сплавы золота используются в радиои микроэлектронике, медицине, атомной технике. Как видно из табл. 51, золото является тяжелым металлом с довольно высокой температурой плавления.

Ценнейшим свойством золота является химическая стойкость. Оно растворяется только в смеси соляной и азотной кислот – царской водке. По своей химической стойкости и механической прочности золото уступает большинству платиноидов, но незаменимо в качестве материала для электрических контактов. Хотя удельное сопротивление золота больше, чем у меди и серебра, оно широко используется в микроэлектронике в виде золотых проводников и гальванических покрытий контактных поверхностей, разъёмов, печатных плат. Специфической областью использования золота благодаря его технологичности являются сплавы для зубных протезов.

Чистое золото в твердом состоянии обладает весьма высокой пластичностью. Из 1 г золота можно вытянуть проволоку длиной 3,5 км. Из него можно получит листы толщиной 0,0001 мм (сусальное золото), которые будут пропускать свет. Изза малой прочности золото в чистом виде в промышленности не применяется. Для упрочнения золота можно применять такие металлы, как кобальт, никель, медь, серебро, палладий и платина, которые хорошо растворяются в нем. Все они и входят в состав ювелирных и контактных сплавов и золотых припоев.

Состав и некоторые физические свойства ювелирных сплавов золота приведены в табл. 58.

Основными сплавами для производства ювелирных изделий являются сплавы 585й пробы. Сплавы 750й пробы более мягкие. Они хорошо поддаются полировке и пайке.

В ювелирных сплавах на основе золота ограничивают содержание таких примесей, как свинец (0,005 %), железо (0,15 %), сурьма (0,005 %), висмут (0,005 %), кислород (0,007 %). Суммарное содержание примесей не должно превышать 0,17 %.

Сплавы золота 375й пробы (пять марок) довольно быстро тускнеют. Цветовая гамма от желтого до красного. Самый твердый и прочный сплав розового цвета. Используют сплавы преимущественно для изготовления обручальных колец.

Сплав 500й пробы (ЗлСрМ500–10) имеет низкие литейные свойства, в производстве практически не применяется, упоминается лишь для осуществления надзора имеющихся ювелирных изделий.

Сплавы 585й пробы (9 марок) весьма прочные, хорошо поддаются формоизменению. Достаточно устойчивы на воздухе и практически не тускнеют. Имеют широкий цветовой диапазон от белого, красного и желтого до зеленого с различной интенсивностью оттенков. Это основной материал для изготовления ювелирных украшений, сувениров и предметов ритуальнообрядового назначения.

Сплавы 750й пробы (10 марок) по свойствам очень схожи с чистым золотом. Они абсолютно устойчивы на воздухе, достаточно твердые и прочные, легко поддаются ковке и особенно подходят для тонкой рельефной выколотки и филигранных проволочногибочных работ. Имеют широкую цветовую гамму. Наряду со сплавами 585й пробы применяются для ювелирных украшений.

Сплав 958й пробы почти не подвержен коррозии, но очень мягкий и практически не сохраняет полировку.


читать далее »

Медноникелевые сплавы Медноникелевые сплавы

Большое значение в технике имеют медноникелевые сплавы. По своей сути эти сплавы можно отнести к разряду бронз. Медноникелевые сплавы отличаются высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. Двойные сплавы системы Cu – Ni могут быть дополнительно легированы железом, кремнием, марганцем.

Почти все сплавы этой группы имеют свои специальные названия: мельхиор, нейзильбер, куниаль и др. Химический состав наиболее известных сплавов приведен в табл. 41.

Таблица 41

Химический состав некоторых медноникелевых сплавов по ГОСТ 492–73

 

Марка сплава

Легирующие элементы, %

Ni + Co

Fe

Mn

Zn

Al

Cu

МН19

(мельхиор)

18,0–20,0

Ост.

МНЖМц30–1–1 (мельхиор)

29,0–33,0

0,5–1,0

0,5–1,0

Ост.

МНЦ15–20 (нейзильбер)

13,5–16,5

18,0–20,0

Ост.

МНА13–3 (куниаль А)

12,0–15,0

2,3–3,0

Ост.

НМЖМц28–2,5–1,5 (монель)

Ост.

2,0–3,0

1,2–1,8

51,0–55,0

МНМц43–0,5 (копель)

42,5–44,0

0,1–1,0

Ост.

МНМц40–1,5 (константан)

39,0–41,0

1,0–2,0

Ост.

Эти сплавы предназначены для обработки давлением. Но некоторые изделия, в частности художественные, получают литьем.

Медноникелевые сплавы имеют достаточно высокие механические свойства, позволяющие использовать их как конструкционные материалы. В табл. 42 приведены механические свойства деформируемых сплавов в мягком состоянии, т.е. без наклепа. Здесь же показаны некоторые физические свойства, полезные для литейщиков.

Ниже рассмотрены основные свойства медноникелевых сплавов и области их применения.

Таблица 42

Механические и физические свойства медноникелевых сплавов

 

Марка сплава

Плотность, г/см3

Температура

плавления

(Тлик/Тсол), °С

Линейная усадка, %

МПа

δ, %

HB

МН19

8,9

1190/1130

2,29

400

35

70

МНЖМц30–1–1

8,9

1230/1170

2,10

380–400

23–28

70

МНЦ15–20

8,7

1080

2,02

380–450

35–45

70

МНА13–3

8,5

1183

380

13

260

НМЖМц28–2,5–1,5

8,82

1350

2,1

450–500

25–40

130

МНМц43–0,5

8,9

1290/1220

400

35

90

Мельхиоры отличаются высокой коррозионной стойкостью в различных средах (морской воде, в органических кислотах, растворах солей и т.д.). Они применяются в морском судостроении, для изготовления монет, столовых приборов, медицинского инструмента, деталей в точной механике и химической промышленности. Из мельхиоров можно отливать герметичные детали.

Куниали могут быть упрочнены путем ТО. Прочность после закалки и пластической деформации возрастает до 900 МПа. Отличные упругие свойства позволяют изготовлять пружинящие детали.

Нейзильбер имеет красивый серебристый цвет. Этот сплав не окисляется на воздухе, устойчив в растворах солей и органических кислотах. Сплав применяют для изготовления деталей точной механики, медицинских инструментов, технической посуды, столовых приборов и художественных изделий. Свинцовистый нейзильбер (МНЦС17–18–1,8) служит материалом для мелких деталей часов, приборов и другой аппаратуры на станкахавтоматах.

Копель, константан служат материалом для термопар.


читать далее »

Сплавы благородных металлов Сплавы благородных металлов

К группе благородных металлов относятся золото, серебро, платина, палладий, родий, иридий, рутений и осмий. Благородными их называют за высокую коррозионную стойкость. В качестве базы для одноименных сплавов используют золото, серебро и палладий. С основными физическими свойствами золота, серебра, а также платины и палладия, входящих в состав золотых и серебряных сплавов, можно ознакомиться в табл. 56.

Таблица 56

Основные физические свойства драгоценных и благородных металлов

 

 

 

Металл

Свойство

 

Au

79

Ag

Pt

Pd

Атомный номер

47

78

46

Плотность при 20 °С, г/см3

19,30

10,49

21,45

12,02

Температура плавления, °С

1063

960,5

1773

1552

Удельная теплоемкость при 20 °С, Дж/(кг·К)

134

235

134

243

Удельная теплопроводность при 20 °С, Вт/(м·К)

312

453

71,1

70,7

Коэффициент линейного термического расшире

 

 

 

 

ния при 25 °С, × 106/К

14

18,6

9,5

9,5

Удельное электросопротивление при 20 °С,

 

 

 

 

мкОм·см

0,0225

0,015

0,098

0,108

В России и большинстве других стран мира содержание благородных и драгоценных металлов в сплавах контролируется государством. Количество этих металлов определяется пробой. Пробой на

зывается и сам значок, наносимый на изделие. Известны три системы проб: русская, метрическая и каратная.

Русская, или золотниковая проба, действовала на территории России до 1926 года. Она была основана на русском фунте, который, как известно, равен 96 золотникам. В ней проба чистого золота равнялась 96 золотникам, а проба сплава выражала количество драгоценного металла в 96 долях массы всего материала, содержащего этот металл.

Метрическая система, которая сейчас действует и в России, показывает количество драгоценного металла в тысячных долях массы всего материала. Для ювелирных сплавов принято использовать 6 проб золота: 375, 500, 585, 750, 958 и 999, а для серебряных сплавов – 5 проб: 800, 830, 875, 925 и 960. Наивысшая 1000я проба является условной. Ее никогда не удастся получить. Может быть достигнута, например, проба 999, 999. Также трудно добиться в сплаве и идеально точного содержания драгоценного металла, поэтому на каждую пробу устанавливается ремедиум (предельное отклонение от нормы). По ГОСТ Р 51152–98 в ювелирных сплавах установлен только плюсовой ремедиум, равный 5. Минусовое отклонение исключается.

Каратная (британская система) предусматривает, что чистому золоту соответствует проба в 24 карата (24к). В этой системе приняты следующие пробы: 6к, 8к, 10к, 12к, 14к, 18к, 22к и 24к. Золотая проба 22к означает, что в 24 единицах золотого изделия содержатся 22 единицы чистого золота.

Соответствие различных систем проб показано в табл. 57.

Таблица 57

Различные системы проб сплавов благородных металлов

 

 

Система

Добавка

Сплавы и их применение

Метрическая

Русская

Каратная

1000 958 950 916

900

875 800 750

583

500 375

96

92

(91,2)

88

(86,4)

84

(76,7)

72

56

(48) (36)

24

23

(22,8)

22

(21,6)

21

(19,2)

18

14

12 (9)

Cu Cu Cu

Cu

Cu

Cu

Cu, Pt, Ag

Cu, Ag и др.

Cu Cu, Ag и др.

Химически чистые металлы Ювелирное золото Ювелирная платина Ювелирное серебро, золото для зубных протезов Международные сплавы для золотых и серебряных монет Столовое серебро Столовое серебро Международное ювелирное золото, золото и платина для зубных протезов Международное ювелирное золото

Дешевое ювелирное золото Дешевое ювелирное золото


читать далее »

Состав и свойства чистого никеля Состав и свойства чистого никеля

Никель – химический элемент VIII группы периодической системы Менделеева; атомный номер 28, атомная масса 58,7, содержание в земной коре 5,8 × 10 –3 %. Это металл серебристобелого цвета с желтоватым оттенком, хорошо поддается ковке, полируется.

Металлический никель впервые был получен в 1804 году. Он был хрупким, так как содержал большое количество примесей. Около шестидесяти лет понадобилось, чтобы получить чистый никель, поддающийся ковке. Сначала он использовался для ювелирных изделий, затем – в химической промышленности и электротехнике, применялся для защиты металлических поверхностей – никелирования, заменил серебро в производстве монет. В настоящее время никель становится одним из важнейших промышленных металлов, влияющих на развитие технического прогресса. Он является основой жаропрочных, жаростойких и коррозионностойких сплавов. Никель входит в состав всех жаропрочных сталей и сплавов, идущих на изготовление наиболее ответственных деталей и узлов газотурбинных двигателей и энергетических установок. В современных авиационных ГТД на долю жаропрочных сплавов приходится до 40 % массы двигателя.

Никель имеет гранецентрированную кубическую решетку с параметром а = 0,352387 нм. Плотность никеля 8,9 г/см3, температура плавления 1455 °С, температура кипения 2900 °С. Аллотропических превращений никель не имеет. При температурах ниже 360 °С он ферромагнитен, но магнитные свойства слабее, чем у железа. Никель обладает высокой коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред, в том числе в пресной и морской воде.

Металлургическая промышленность выпускает электролитический никель нескольких марок, отличающихся содержанием примесей. Химический состав чистого никеля по ГОСТ 849–70Е приведен в табл. 35. Маркируется никель буквой Н и порядковым номером от Н0 до Н4. Никель, идущий на изготовление проволоки, прутков, полос и других деформированных полуфабрикатов (полуфабрикатный никель) маркируется буквами НП и номером от НП1 до НП4 (сумма примесей от 0,1 до 1 % соответственно).

Механические свойства никеля достаточно высоки. В литом состоянии ?в = 320–350 МПа, ? = 10–30 %, НВ = 30–120 МПа.


читать далее »

Сплавы, имитирующие драгоценные металлы

С давних пор велись поиски материалов, способных если не заменить, то хотя бы имитировать драгоценные металлы и сплавы. При этом главное внимание обращали на цвет изделий. Ниже приведены некоторые отечественные и зарубежные материалы, из которых можно изготовлять художественные и ювелирные изделия при условии нанесения защитных покрытий, например, лаковых.

Алюминиевая бронза, или ауфир, аурал, ауфор – сплав, содержащий 10 % алюминия. Имеет красивую золотистожелтую окраску, умеренно противостоит воздействию воздуха и влаги, хорошо поддается полировке.

Батбронза (bathbronze) – сплав меди с 6 % олова, пригодный для имитации позолоты и литья художественных изделий.

Батметалл (bathmetall) – латунь, использовалась в Англии для производства столовой посуды.

Бельгика (belgika) – сплав под платину из 74,5 % железа, 16,6 % хрома и 8,9 % никеля.

Вермей (vermeil) – французское наименование позолоченного на огне серебра.

Гамельтон металл (hamiltonmetell) – латунь с 33,3 % Zn золотистожелтого цвета.

Голдин (goldin) – алюминиевая бронза, используемая в Германии для изготовления дешевых ювелирных изделий.

Дюраметалл (durametall) – алюминиевая латунь золотистобронзового цвета, используемая в Германии для изготовления ювелирных и художественных изделий.

Золото musiv – пластинки сульфидного олова с золотым блеском, которые применяются для золочения, не разъедаются серой и сероводородом и не чернеют.

Мангеймское золото – оловянистая латунь (83,6 % Cu, 9,4 % Zn и 7 % Sn), изделия по цвету похожи на золото и обычно подвергаются золочению.

Новое золото – оловянистая латунь (85 % Cu, 13 Zn и 2 % Sn), золотистый сплав для изготовления мелких изделий (брошки, цепочки и др.).

Нюрнбергское золото – сплав меди с 2 % Au и 7 % Al, по окраске совершенно похож на золото.

Мозаичное золото – латунь с 34 % Zn с оттенком самородного золота.

Орайде (oreide), или «французское золото» – оловянистая латунь с 15 % Zn и 5 % Sn) или двойная латунь с 13 % Zn.

Пинчбек (pincbeek) – латунь с содержанием цинка от 7 до 17 %, применялась английским часовщиком Пинчбеком для изготовления общедоступных украшений, бижутерии, окладов (такая латунь у нас называется томпак).

Симилор – оловянистая латунь с 9,3 % Zn и 7 % Sn, похожая по окраске на золото и применяемая для изделий с последующим золочением.

Сплав алюминия по Крупу – алюминий с добавками от 7,0 до 8,5 % меди и от 4,5 до 5,5 % олова, легко льется, полируется, готовые изделия имеют красивый блестящий вид.


читать далее »

Состав и свойства чистого магния

Магний – щелочноземельный металл II группы периодической системы Д.И. Менделеева. По распространенности в земной коре он занимает третье место после алюминия и железа. Для промышленного производства магния используют природные вещества, содержащие хлориды магния. В первую очередь это двойная соль – карналлит (MgCl2·KCl·6H2O). Крупнейшее месторождение карналлита в мире находится в Пермском крае.

Основные физикохимические свойства чистого магния приведены в табл. 1.

Магний представляет собой белый серебристый металл с температурой плавления 651 °С. Его плотность (1,738 г/см3) в 1,5 раза меньше плотности алюминия. При температуре плавления плотность магния составляет 1,57 г/см3. Температура кипения при атмосферном давлении 1107 °С. Магний имеет гексагональную плотноупакованную решетку, поэтому он отличается от других легких металлов низким относительным удлинением.

Магний характеризуется высокой химической активностью. Он легко окисляется на воздухе с образованием рыхлой окисной пленки. Отношение объема окисла к объему металла, из которого образовался окисел, меньше единицы (0,79), поэтому она не обладает защитными свойствами, особенно при температурах выше 450 °С, когда скорость окисления резко возрастает. При температуре 623 °С магний воспламеняется и горит ослепительно ярким светом. Горящий магний ни в коем случае нельзя тушить водой. Она только способствует его горению, а выделяющийся водород может привести к взрыву изза образования гремучего газа. Ранее, до появления лампвспышек, порошок или тонкую ленту магния использовали фотографы при съемке в затемненных условиях. Эта особенность магния широко использовалась в зажигательных, а затем – напалмовых бомбах. Огнеопасность магния и его сплавов способствовала возникновению определенного предубеждения против его технического применения.

Существенным достоинством магния является его отличная обрабатываемость резанием. При одинаковых скоростях резания магний требует примерно в шесть раз меньших усилий, чем сталь. Но и здесь необходимо соблюдать требования безопасности. Мелкая стружка может загореться, а мелкая магниевая пыль, образующаяся при шлифовании, в смеси с воздухом взрывается. Компактные детали или кусковые отходы магния практически безопасны в пожарном отношении. И все же на складах шихтовых материалов не рекомендуется хранить большие запасы этого металла. Во влажной окислительной среде поверхности чушек быстро покрываются окисной пленкой. Так как пленка рыхлая, то отличается малой теплопроводностью. Тонкие заливы, заусенцы в этом случае могут нагреться до температуры воспламенения изза выделяющейся теплоты образования окисла.

В соответствии с ГОСТ 804–93 в России выпускают три марки первичного магния: Мг96, Мг95 и Мг90. Цифры в маркировке указывают степень чистоты металла (99,96, 99,95 и 99,90 % соответственно). Химический состав чистого магния приведен в табл. 12. Следует отметить достаточно жесткое регламентирование содержания примесей. Наиболее вредными примесями для магния являются никель и железо, которые резко ухудшают коррозионную стойкость в атмосферных условиях. Эти элементы почти не растворяются в магнии. При содержании более 0,01 % они выделяются в виде мельчайших частиц чистого железа и интерметаллида Mg2Ni, образуя большое число гальванических микропар, которые усиливают коррозию.

Таблица 12

Химический состав первичного магния по ГОСТ 804–93

 

Марка

Mg, %,

не ме

нее

Примеси, %, не более

 

Fe

Si

Ni

Cu

Al

Mn

0,004 0,010 0,030

Na

Ti

Мг96 Мг95 Мг90

99,96 99,95 99,90

0,003 0,003 0,040

0,004 0,004 0,009

0,001 0,0007 0,001

0,002 0,003 0,004

0,006 0,006 0,020

0,010 0,004 0,010

0,01

Чистый магний в качестве конструкционного материала не используется изза низких прочностных свойств. Большое промышленное значение имеют разнообразные сплавы на его основе.


читать далее »

Сплавы палладия Сплавы палладия

Палладий – металл серебристобелого цвета, мягкий, ковкий, легко прокатывается в фольгу и вытягивается в тонкую проволоку. При нагревании до 860 °С окисляется на воздухе с образованием синеватого оксида. Палладий легко растворяется в кислотах.

Вводится в сплавы с золотом и серебром для повышения прочности. В чистом виде используется в электронной и электротехнической промышленности в производстве радиодеталей, катализаторов в нефтехимической промышленности и автомобилях.

Составы ювелирных сплавов палладия приведены в табл. 60. Кроме того, в промышленности используются сплавы марок ПдИ10 с 9,6–10,3 % иридия, ПдСрК–35–5 с 34,1–35,6 % серебра и 4,5–5,5 % кобальта и др.

Таблица 60

Состав и некоторые физические свойства ювелирных сплавов палладия по ГОСТ Р–51152–98

 

   

Состав, мас. %

 

Плот

Интервал

температур

плавле

ния, °С

Марка

Проба

Pd

Ag

Ni

Cu

ост.

ность, г/см3

ПдСрН500–450

500

50,0–50,5 44,5–45,5   Ост.

11,16

1200–1210

ПдСрН850–130

850

85,0–85,5 12,5–13,5   Ост.

1420–1500

ПдМ850

850

85,0–85,5

11,54

1360–1415


читать далее »

Классификация и свойства чистых металлов Классификация и свойства чистых металлов

По промышленной классификации, все металлы периодической системы Д.И. Менделеева делятся на черные и цветные. К черным относится железо, все остальные считаются цветными, несмотря на то, что собственным, отличным от других металлов, цветом обладают только желтое золото и розовая медь. Все остальные металлы отличаются только оттенками серебристобелого, как у железа, и красноватого цвета. К черным металлам иногда относят и марганец, свойства которого очень близки к свойствам железа. К тому же он всегда присутствует в сплавах на основе железа.

Цветные металлы классифицируются по таким важнейшим физическим свойствам, как плотность, температура плавления, прочность и пластичность, электропроводность и коррозионная стойкость. Немаловажное значение имеет и стоимость металла.

Плотность металлов колеблется в широких пределах. Условным порогом, делящим металлы на легкие и тяжелые, является 5 г/см3. В одной группе с самым легким металлом литием, плотность которого 0,54 г/см3 почти в два раза легче воды, находятся: калий, натрий, кальций, магний, бериллий, алюминий, титан и др. Самым тяжелым металлом является осмий, плотность его составляет 22,48 г/см3. Из более распространенных тяжелых металлов отметим золото (19,3 г/см3), вольфрам (19,3 г/см3), свинец (11,34 г/см3) и медь (8,96 г/см3).

Температуры плавления чистых металлов находятся в интервале от –39 °С у ртути до 3400 °С у вольфрама.

Важными характеристиками металлов, используемых для конструкционных целей, являются механические свойства, в первую очередь прочность и пластичность. Большинство из металлов, которые служат основой конструкционных сплавов, имеют прочность более 50 МПа и пластичность выше 5 %. Наибольшую прочность имеет вольфрам (800–1000 МПа) и другие тугоплавкие металлы.

Лучшей электропроводностью из чистых металлов обладает серебро, затем следуют медь, золото, алюминий.

Коррозионную стойкость чистых металлов принято определять потерей массы с 1 см2 поверхности после выдержки в течение одного часа в разбавленной (30–60 %) азотной кислоте при комнатной температуре. Наибольшей коррозионной стойкостью обладают благородные металлы, хром, никель, ниобий, тантал, свинец. Однако при работе в обычных средах хорошую коррозионную стойкость имеют и другие чистые металлы, среди которых можно выделить цинк, алюминий и олово. Наряду с хромированием и никелированием их используют для защиты от окисления менее стойких металлических материалов (например, углеродистой стали) путем нанесения поверхностного покрытия (цинкования, алитирования, лужения).

Промышленное применение цветных металлов напрямую связано с их стоимостью. Многие из них дорогостоящие и дефицитные. Стоимость металлов является производной от степени совершенства технологии их производства, поэтому имеет тенденцию к постоянному снижению (если не происходит исчерпание запасов сырья и удорожание энергии). Те металлы, которые ранее относились к дорогим и редким, со временем могут перейти в категорию обычных, широко применяемых в промышленности. Так произошло с алюминием, стоимость которого с 1827 года снизилась более чем на три порядка. Сегодня это один из самых распространенных металлов, который экономически выгодно применять во всех отраслях народного хозяйства.


читать далее »

Состав и свойства чистого цинка

Цинк – блестящий серебристый металл с голубоватым оттенком. Его отличают высокая плотность (7,14 г/см3), низкие температуры плавления (419 °С) и кипения (907 °С). Аллотропических превращений при нагревании не происходит. Его содержание в земной коре составляет всего лишь 0,0083 %. Этим объясняется его дефицитность и довольно высокая стоимость, так как цинк является важным промышленным металлом и его расход растет с каждым годом. Среди металлов, которые являются основой сплавов, цинк по уровню производства занимает 4 место.

Цинк обладает высокой химической активностью. На воздухе он покрывается плотной защитной пленкой. Состав ее обычно не ZnO, а более сложный – nZnCO3·Zn(OH)2. Такая же пленка образуется и на поверхности оцинкованного железа, надежно защищая его от воздействия различных агрессивных сред. Почти половина производимого в мире цинка уходит на защиту различных стальных конструкций от коррозии путем химического и термодиффузионного оцинковывания. Часть цинка расходуется в полиграфической промышленности и для изготовления химических источников тока. Остальной цинк используется как легирующий элемент во многих сплавах, в первую очередь в латунях, и в качестве основы для собственных цинковых сплавов.

Цинк имеет гексагональную плотноупакованную решетку (ГПУ). Этим объясняется резкая анизотропия его свойств. Механические свойства литого цинка характеризуются следующими средними показателями: σв = 120…140 МПа, δ = 0,3…0,5 %, НВ 30–40. При комнатной температуре цинк в литом состоянии малопласти

чен. При 100–150 °С пластичность возрастает настолько, что он может подвергаться обработке давлением – прокатке, прессованию, штамповке и глубокой вытяжке. Технологичность цинка в процессе обработки давлением зависит от его чистоты. Отрицательное влияние на горячую обработку давлением оказывает примесь олова, образующая с цинком эвтектику с температурой плавления 199 °С, и особенно одновременное присутствие олова, свинца и кадмия, образующих с цинком сложную эвтектику с температурой плавления менее 150 °С. Поэтому содержание этих примесей строго ограничено как в цинке, так и в сплавах на его основе. Марки и химический состав чистого цинка приведены в табл. 43. Для производства сплавов и получения отливок используют цинк марок от ЦВ до Ц3.

Таблица 43

Марки и химический состав чистого цинка (ГОСТ 3640–94)

 

Обозначение марок

Zn, мас. %, не менее

Примеси, мас. %, не более

Pb

Cd

Fe

Cu

0,00001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,002 0,005 0,05

Sn

As

Al

Всего

ЦВ00

99,997

0,00001

0,002

0,00001

0,00001

0,0005

0,00001

0,003

ЦВО

99,995

0,003

0,002

0,002

0,001

0,0005

0,005

0,005

ЦВ

99,99

0,005

0,002

0,003

0,001

0,0005

0,005

0,01

ЦОА

99,98

0,01

0,003

0,003

0,001

0,0005

0,005

ЦО

99,975

0,013

0,004

0,005

0,001

0,0005

0,005

0,025

Ц1

99,95

0,02

0,01

0,01

0,001

0,0005

0,005

Ц2

98,7

1,0

0,2

0,05

0,002

0,01

0,010**

1,3

Ц3

97,5

2,0

0,2

0,1

0,005

0,01

2,5

Цинковые сплавы делятся на три группы: литейные, антифрикционные и типографские. Типографские сплавы в настоящее время теряют свое значение в связи с развитием более совершенных методов печати и в данном учебном пособии не рассматриваются.


читать далее »

Сплавы на основе олова и свинца Сплавы на основе олова и свинца

Олово и свинец выделяются среди других технических материалов низкой температурой плавления, малой твердостью и высокой коррозионной стойкостью. Оба металла могут использоваться в чистом виде, но в основном они расходуются на производство различных сплавов. Свинец и олово входят в состав бронз и латуней, а также являются базой самостоятельных оловянносвинцовых сплавов. В промышленности применяют пять групп сплавов на их основе: антифрикционные, припои, типографские сплавы, сплавы для кабельных оболочек и сплавы для литья под давлением.

Состав и свойства чистого олова

Олово – металл серебристого цвета с температурой плавления 232 °С. Содержание олова в земной коре 0,0006 %. Имеются две модификации этого металла: серое олово с плотностью 5,8 г/см3 и белое с плотностью 7,3 г/см3. Низкотемпературная αмодификация (серое олово) с кристаллической решеткой типа алмаза устойчива до температуры 13,2 °С. Белое βолово имеет тетрагональную решетку. Переход из одной модификации в другую сопровождается резкими объемными изменениями, что приводит к его превращению в черный порошок. Скорость этого процесса при температуре превращения мала, и ее практически можно не учитывать. Процесс полиморфного превращения весьма интенсивно развивается при минусовых температурах (минус 30–40 °С). На оловянных изделиях появляются темные наросты, а затем наступает полное разрушение. Это явление называют «оловянной чумой». Остановить разрушение белого олова можно путем переплавки. Такие примеси, как Bi, Pb, Sb, Cu, Cd, резко снижают скорость превращения и делают его невозможным.

Олово устойчиво против коррозии в атмосферных условиях, растворах пищевых кислот, формальдегиде и морской воде. Его широко используют для защитных покрытий (лужения) металлических поверхностей, в том числе посуды и жести для консервных марок.

ГОСТ 860–75 предусматривает выпуск олова 4 марок высшей категории качества и 5 марок первой категории качества. Химический состав олова приведен в табл. 49.

В олове высшей категории качества ограничивается содержание алюминия и цинка, которые снижают коррозионную стойкость. Основной примесью в олове является свинец. В некоторых марках олова, предназначенных для изготовления сплавов (О1, О2, О3), свинец допускается в значительных количествах. Но свинец и мышьяк недопустимы в олове, которое используется для пищевой посуды и аппаратуры.

Прочность олова невелика (σв = 20 МПа), но зато он обладает хорошей пластичностью (δ = 40…60 %). Твердость олова всего лишь 5 МПа.


читать далее »

Прочие безоловянные бронзы Прочие безоловянные бронзы

Литейщикам иногда приходится плавить и получать отливки из некоторых деформируемых бронз (ГОСТ 19175–78). В их число входят марганцовые, кремнистые, бериллиевые и другие бронзы.

Марганцовые бронзы БрМц5 и БрМц8С20 отличаются повышенной коррозионной стойкостью и способностью сохранять свои механические свойства (?в = 280 МПа, ? = 40 %) при температурах до 400 °С. Из них можно изготовлять арматуру паровых котлов.

Кремнистые бронзы БрК3, БрК3Мц, БрКН3, БрК4Ц4, БрК3Ц9 и БрК3С4 могут с успехом заменять дорогостоящие и дефицитные оловянные бронзы. Кремнистые бронзы отличаются высокими механическими и пружинящими свойствами, весьма стойки в коррозионном отношении, обладают высокими антифрикционными свойствами и износоустойчивостью. Благодаря высокой пластичности кремнистые бронзы отлично обрабатываются давлением как в горячем, так и в холодном состоянии, хорошо свариваются с другими бронзами, сталью и другими сплавами. Эти бронзы можно применять и для получения отливок.

Бериллиевые бронзы БрБ2, БрБ2,5 и БрБ2НТ имеют высокую прочность, твердость, а также повышенные пределы упругости и усталости. Сплавы отличаются высокой электропроводностью и теплопроводностью, они морозостойки и немагнитны. Применяются для изготовления пружинящих и ответственных деталей, работающих на износ, в частности для изготовления плоских пружин, мембран, деталей компасов и часовых механизмов. Инструмент из бериллиевой бронзы не дает искры при ударе. Большую часть изделий из бериллиевой бронзы получают из деформированных заготовок, но эта бронза является и хорошим литейным материалом. Благодаря своему цвету, совпадающему с цветом золота высокой пробы, бронза используется для художественного литья. Из БрБ2 можно отливать памятные медали и другие художественные изделия. Широкому распространению бериллиевой бронзы препятствует высокая стоимость и дефицитность бериллия.

Кроме перечисленных сплавов, используют еще кадмиевые, хромовые, циркониевые, магниевые и серебряные бронзы.


читать далее »

Серебро и его сплавы Серебро и его сплавы

Серебро стало известно человеку после золота и меди более 5,5 тыс. лет тому назад благодаря тому, что встречается в самородном виде. Это металл белого цвета (как сейчас принято говорить – серебристого цвета), пластичный и очень ковкий. Из него можно прокатать листы толщиной до 0,00025 мм или вытянуть из 1 грамма проволоку длиной до 2,5 км. Обладает наивысшей теплои электропроводностью, а также наивысшей отражательной способностью. Серебро очень устойчиво во влажной среде. При соединении с сероводородом темнеет. Легко растворяется в азотной кислоте.

Основными областями технического применения серебра в настоящее время являются: электроника и электротехника (проводники и контакты); ювелирное производство; аккумуляторные батареи; припои; защитные и декоративные покрытия. Ранее серебро широко использовалось для изготовления монет, а также кинои фотоматериалов.

В отличие от других благородных металлов серебро растворяет кислород и практически не растворяет водород.

Ювелирные сплавы серебра, кроме основы, содержат только медь. Состав и некоторые физические свойства ювелирных сплавов серебра приведены в табл. 59. Наилучшие литейные свойства имеют сплавы низших проб (800, 830), они идут, главным образом, на изготовление столовых приборов. Недостатками являются заметный желтоватый оттенок и более быстрая окисляемость на воздухе. Сплавы с высоким содержанием серебра более пластичны. Для наиболее филигранных работ используют сплав СрМ960, но при эксплуатации изделия из него могут легко деформироваться. Более стабилен в этом отношении сплав СрМ925, он подходит для получения черни и нанесения низкотемпературных эмалей. Сплав СрМ 875 применяют для литья, гибки, пайки, ковки и чеканки, но для тонких филигранных операций и глубокой чеканки он слишком твердый.

Таблица 59

Состав и некоторые физические свойства ювелирных сплавов серебра

по ГОСТ Р–51152–98

 

Марка

Проба

Состав, мас. %

Плотность, г/см3

Интервал тем

ператур плав

ления, °С

Ag

Cu

СрМ800

800

80,0–80,5

Остальное

10,13

779–810

СрМ830

830

83,0–83,5

››

10,19

779–830

СрМ875

875

87,5–88,9

››

10,28

779–850

СрМ925

925

92,5–93,0

››

10,36

779–896

СрМ900

960

96,0–96,5

››

10,43

880–930

Серебряные припои (ПСрМ72–28, ПсрМ50–50, ПСрМЦ52–33–15 и др.) могут иметь более сложный состав. Для снижения температуры плавления в них вводят цинк и кадмий.


читать далее »

Состав и свойства первичного алюминия Состав и свойства первичного алюминия

Алюминий – химический элемент III группы периодической системы Д.И. Менделеева: атомный номер 13, атомная масса 26,981. Это третий по распространенности на нашей планете элемент после кислорода и кремния и самый распространенный из металлов. Его содержание в земной коре достаточно велико и составляет 8,8 %. Выделить его из природных соединений очень трудно, так как он прочно связан с кислородом и другими элементами.

Только в 1825 году датчанин Эрстед получил первые граммы металлического алюминия. В 1855 году на Парижской всемирной выставке был представлен слиток алюминия весом несколько килограммов. В то время его стоимость превосходила стоимость серебра в 5 раз, а стоимость железа – в 4 тысячи раз. Алюминий использовали для изготовления ювелирных изделий, посуды для знатных особ. Получали алюминий путем восстановления натрием из хлоридов. В 1866 году П. Эру во Франции и Ч. Холл в США независимо друг от друга изобрели электролитический процесс получения алюминия, и его стоимость сравнялась со стоимостью других металлов. Производство алюминия по своим масштабам занимает второе место после железа и продолжает быстро расширяться.

Алюминий представляет собой блестящий серебристобелый металл с плотностью 2,7 г/см3 и температурой плавления 660 °С. Он имеет кубическую гранецентрированную решетку и не претерпевает полиморфных превращений. Алюминий хорошо проводит тепло и электрический ток. По электропроводимости алюминий уступает только меди, поэтому широко используется в электротехнике. Удельная теплоемкость составляет 0,95 кДж/(кг·К), а удельная теплота плавления – 405 кДж/кг. В связи с этим для плавки алюминия и сплавов на его основе требуются большие затраты теплоты. На воздухе поверхность алюминия быстро покрывается тонкой, но очень

плотной, прочной и твердой окисной пленкой, что придает ему высокую коррозионную стойкость.

В литом состоянии прочность алюминия на разрыв составляет в среднем 90 МПа, твердость 25 НВ, относительное удлинение 30–50 %.

Первичный алюминий по ГОСТ 11069–2001 маркируется буквой А и цифрами, показывающими его содержание свыше 99 %. Различают особо чистый алюминий А999 (99,999 % Al), алюминий высокой чистоты А995, А99, А97, А95 и технически чистый алюминий А8 (99,8 %), А7, А6, А5, А5Е, А0. Химический состав первичного алюминия приведен в табл. 6.

Таблица 6

Химический состав первичного алюминия по ГОСТ 11069–2001

 

Марка

Al, %, не менее

Примеси, %, не более

 

Fe

Si

Cu

Zn

Ti

– 0,001 0,002 0,002 0,002 0,01 0,02 0,02 0,03 0,03 0,01 0,03 0,03

∑примесей

А999

99,999

0,001

А995

99,995

0,0015

0,0015

0,001

0,001

0,005

А99

99,99

0,003

0,003

0,003

0,003

0,10

А97

99,97

0,015

0,015

0,005

0,003

0,03

А95

99,95

0,03

0,03

0,015

0,005

0,05

А85

99,85

0,08

0,06

0,01

0,02

0,15

А8

99,80

0,12

0,10

0,01

0,04

0,20

А7

99,70

0,16

0,16

0,01

0,04

0,30

А6

99,60

0,25

0,20

0,01

0,06

0,40

А5

99,50

0,30

0,30

0,02

0,06

0,50

А5Е

99,50

0,35

0,12

0,02

0,05

0,50

А0

99,00

0,50

0,50

0,02

0,08

1,00

А

99,00

0,80

0,50

0,03

0,08

1,00

Основными примесями в техническом алюминии являются железо, медь, марганец, титан и кремний. Наиболее вредные из них – железо и кремний. Они существенно снижают его пластичность и повышают твердость. В первичном алюминии в сотых и тысячных долях процента могут присутствовать и примеси, не регламентированные ГОСТом: кальций, натрий, магний, галлий и др.

Кроме первичного чистого алюминия, по ГОСТ 295–98 выпускают 5 марок алюминия для раскисления стали: АВ97, АВ92, АВ91, АВ88 и АВ86. Цифры показывают содержание алюминия в процентах. Для производства сплавов такой алюминий непригоден. Он содержит слишком много примесей.

Чистый алюминий широко используется в электротехнике (проводники электрического тока) и пищевой промышленности (посуда, упаковка). Высокая пластичность позволяет получать из алюминия фольгу толщиной до 0,2 мм, из которой штампуют коробки, крышки и банки для различных напитков.


читать далее »

Особый вид печати с камня

Можно считать, что прародителем такого метода изготовления радиотехнических приборов была литография. Литография — особый вид печати с камня. Ее основа — химическое взаимодействие между камнем и теми веществами, которыми он обрабатывается, то есть опять же коррозионные процессы. Литографию изобрел Зенефельдер в конце XVIII века в Германии. На литографский камень, почти сплошь состоящий из углекислого кальция, наносили специальным жирным карандашом или тушью контур рисунка, а потом обрабатывали его азотной кислотой. Под ее действием углекислый кальций переходил в азотнокислую соль кальция, почти не восприимчивую к жирам. Если обработанный таким образом камень накатать жирной краской, она пристанет в тех местах, где были штрихи. Теперь на камень можно накладывать бумагу, материю или другой материал, на котором хотят получить изображение. Особенно широко такой способ применялся, да и сейчас применяется при многоцветной печати. Так что книги о коррозии с цветными иллюстрациями могут быть изготовлены как раз с помощью самой коррозии.

Еще один пример использования коррозии.

В память о ней были отчеканены специальные монеты— динары — с профилем императрицы. Монеты, содержащие 75 процентов серебра, высоко оценивались нумизматами. Фальшивомонетчики начали изготовлять копии этих монет из никеля, цинка и меди. Но ведь новую монету не спутаешь с динаром, изготовленным почти 2000 лет назад. Поэтому фальсификаторы обрабатывали копии растворами разных кислот. Монеты немного разрушались, потом темнели и вполне могли по внешнему виду сойти за старинные. Лишь с помощью рентгеноструктурного анализа «детективы атомного века» установили, какие монеты подлинные, а какие — подделка.

Даже живые вредители металлов — бактерии — в определенных условиях приносят пользу. Они как бы компенсируют те потери, которые наносят человеку их «родственники».

.Первыми заметили скопления круглых камней геологи. Они и дали им название — конкреции. С развитием техники подводных исследований ученые получили новые данные. Оказалось, что морское дно на глубине 5—6 километров сплошь усеяно такими шарами. С помощью специального трала взяли про

Бу. Анализ показал, что камни состоят из ценной руды, содержащей 45 процентов марганца, 1 процент кобальта, 1,4 процента никеля и 1,8 процента меди. Предполагают, что конкреции созданы скоплением микроорганизмов, которые поглощают металлы из окружающей их водной среды и селятся колониями вокруг одного ядра.


читать далее »

С ростом концентрации плавиковой кислоты до 7-й. скорость коррозии алюминия чистоты 99,99 возрастает. Коррозия идет с водородной деполяризацией. Введение в 1-н. плавиковую кислоту фтористого и хлористого алюминия снижает скорость растворения алюминия тем в большей степени, чем выше концентрация соли. Наибольшим ингибирующим эффектом обладает хлористый аммоний.

Соли никеля и золота ускоряют коррозию алюминия в 1-н. плавиковой кислоте. Соли меди, серебра, платины, свинца снижают скорость коррозии на 14-72%. Потенциал алюминия при cведении в раствор меди и платины увеличивается с -1,20 в до -0,7 в. Никель осаждается на алюминий с образованием плотного осадка. В 1-н. плавиковой кислоте с солями никеля потенциал алюминия равен -1,0 в. Контакт с металлической платиной ускоряет растворение алюминия. При анодной поляризации алюминия чистоты 99,998% в 2-н. плавиковой кислоте с плотностью тока до 60 ма/см2 наблюдается тем больший положительный разностный эффект, чем выше плотность анодного тока. С уменьшением концентрации плавиковой кислоты алюминия увеличивается, а стационарный потенциал возрастает.

Бромистоводородная и йодистоводородная кислоты по агрессивности воздействия на алюминий близки к соляной. Алюминий не применим в растворах хлорноватой, хлорной и хлорноватистой кислот.

В 1-10-н. растворах серной кислоты потенциал алюминия чистоты 99,99% сразу после погружения равен приблизительно +0,050 в. С течением времени потенциал снижается и достигает через 1 ч - 0,65 в. В 10-н. серной кислоте скорость анодного процесса растворения алюминия практически линейно растет с потенциалом. Поляризуемость составляет приблизительно I в/мм. С уменьшением концентрации кислоты поляризуемость возрастает, достигая в 1,0-н. серной кислоте 4 в/ма.

В результате торможения анодного процесса с уменьшением концентрации кислоты снижается скорость коррозии алюминия с увеличением рН. Торможение анодного процесса с уменьшением концентрации кислоты обусловливается также образованием на поверхности алюминия окисной пленки. С ростом рН емкость алюминиевого электрода снижается, что свидетельствует об увеличении толщины пленки. Толщина пленки увеличивается также с ростом потенциала электрода при постоянной величине рН. Величина, обратная емкости электрода, связана с потенциалом линейной зависимостью.


читать далее »

Кальций в количестве 0,08% незначительно снижает стойкость технического алюминия в нейтральной среде; 0,5-1% , кальция заметно ускоряет коррозию алюминия в 0.5-н. щелочи. Примесь кальция особенно опасна в присутствии Л кремния.

Легирование алюминия кадмием подавляет вредное действие меди. Свинец слабо влияет на стойкость алюминия. Титан в количестве выше 0,01% усиливает коррозию в окислительных ; средах. Вредное действие оказывают церий, кобальт, платина, серебро, торий, ванадий. Хром, олово, кадмий в ряде случаев не влияет, а в ряде случаев - усиливает коррозию. Сурьма повышает коррозионную стойкость алюминия.

Висмут и бор практически не влияют на стойкость алюминия, которая зависит от отношения железа к кремнию; серебро понижает коррозионную стойкость алюминия. Сплав алюминия с 40% серебра разрушился полностью после нескольких суток испытаний в атмосфере со 100%-ной относительной влажностью. Высокая скорость коррозии обусловлена эффективной работой в качестве катодов интерметаллидов Ад2А1.

Присутствие в алюминии даже малого количества ртути приводит к амальгамированию его, депассивации поверхности металла и возрастанию скорости его растворения. Протектор из алюминия, содержащего ртуть, имеет достаточно отрицательный потенциал и практически не пассивируется со временем.

Легирование влияет на зависимость стационарного потенциала и коррозионной стойкости алюминия от рН среды. Стационарный потенциал спектрального чистого алюминия сростом рН проходит через минимум. При рН = 4-8 значения стационарного потенциала спектрально чистого алюминия превышают потенциал водородного электрода. При рН>8 стационарный потенциал резко уменьшается. Стационарный потенциал алюминия с 0,1% железа и 0,04% кремния в интервале рН = 4-8 практически не отличается от потенциала водородного электрода.

Присутствие в алюминии примеси железа и кремния способствует пассивации алюминия. В этом случае алюминий ведет себя как инертный металл, на котором реализуется водородный электрод. Стационарный потенциал сплавов с 3% магния и 5% меди; 0,3% железа и 0,5-0,95% магния; 0,68% железа и 12,65% кремния с ростам рН также проходит через минимум.


читать далее »

03.09.2014 6:57

Особое значение имеет образование на поверхности полюсов микроскопических местных элементов за счет обычно присутствующих в активных веществах посторонних примесей, которые ускоряют коррозию материала полюса. Особенно усиливают коррозию примеси металлов платиновой группы, которые, присутствуя в ничтожных количествах, резко снижают перенапряжение водорода и тем самым способствуют интенсивной коррозии материала отрицательного полюса.

Однако практика показывает, что в случае цинка высокой степени однородности и чистоты получить большое количество водорода не удается, так как реакция образования водорода в этом случае протекает очень медленно.

Если же цинк не однороден или содержит примеси других металлов, то выделение водорода идет очень бурно. Этот же эффект может быть достигнут, если к раствору кислоты, медленно взаимодействующей с чистым цинком, добавить немного растворимых солей меди, серебра и особенно платаны. Цинк как более отрицательный металл сейчас же вытеснит из растворов солей Си, Ag и другие металлы, которые осаждаются на поверхности цинка. Например,

Процесс вытеснения водорода из кислоты металлическим цинком изображается следующими ионными реакциями

Место, в котором происходит растворение цинка, является отрицательным полюсом, место выделения водорода - положительным полюсом. Размер таких гальванических элементов очень мал и обычно не превосходит микроскопических величин, вследствие чего такие элементы носят название микроэлементов.

Так как перенапряжение водорода на меди меньше перенапряжения его на цинке, то водород будет выделяться на меди быстрее, чем на цинке. Поэтому растворение цинка, поверхность которого соприкасается с металлической медью, ускорится по сравнению с растворением чистого цинка.


читать далее »

25.08.2014 21:25

Здесь уместно будет напомнить, что термодинамические соотношения, связывающие э. д. с. элемента с изменением в нем запаса химической энергии, вполне точно могут применяться лишь к системам, полностью обратимым в термодинамическом смысле слова. Процессы, происходящие в таких системах, можно провести не только в прямом, но и в обратном направлении, причем так, чтобы как в системе, так и в окружающей среде не произошло никаких изменений и не нарушалось бы состояние равновесия. Создать идеально обратимый элемент так же невозможно, как изготовить машину, работающую без всякого трения. Однако иногда для процессов, происходящих в элементе, удается создать такие условия, при которых эти процессы как угодно мало будут отличаться от обратимых. В этом случае процессы следует вести настолько медленно, чтобы успевало установиться равновесие как внутри элемента, так и между элементом и окружающей средой

Сравнивая этот результат с теплотой реакции 6 = 52 046 кал, полученной непосредственным измерением, можно заключить, что токообразующим процессом действительно является взаимодействие цинка с хлористым серебром.

С помощью соотношений, приведенных в предыдущем параграфе, была установлена связь между тепловым эффектом токообразующего процесса и э. д. с. гальванического элемента. Однако эта закономерность, являясь чисто термодинамической, ничего не говорит о механизме возникновения э. д. с.

Как уже упоминалось, э. д. с. элемента измеряется разностью потенциалов, существующей между полюсами разомкнутого элемента, и, следовательно, для того, чтобы иметь представление о механизме возникновения э. д. с, необходимо разобрать явления, происходящие при взаимодействии каждого из электродов с раствором электролита.

Опыт показывает, что если, например, опустить цинковый электрод в раствор его соли, то между металлом и раствором возникает разность потенциалов. Цинк в данном случае заряжается отрицательно, а раствор положительно.


читать далее »

05.09.2014 6:17

Свои наблюдения Гальвани объяснил, высказав теорию о возникновении «животного электричества» в ткани животного, которую он рассматривал как особого рода Лейденскую банку (электрический конденсатор). Соприкасающиеся металлы, по его мнению, играли лишь роль разрядника.

Иначе оценил это явление современник Гальвани Александр Вольта (1745-1827 гг.), профессор физики университета в г. Павии.

Убедившись в справедливости опытов Гальвани, Вольта после ряда исследований пришел к заключению, что мышцы лягушки являются лишь чувствительным инструментом для обнаружения небольших электрических токов. Источником же электрического тока является разность потенциалов, возникающая при соприкосновении двух или более разнородных металлов. Эту разность потенциалов Вольта назвал электродвижущей силой. Термин этот сохранялся до настоящего времени.

Для того чтобы установить на опыте наличие э. д. с, Вольта пользовался соединением трех проводников. Из них два проводника были металлическими, а в качестве третьего проводника служила вода или, чаще, смоченная водой суконка или картонная прокладка.

Третий проводник необходим потому, что при соединении двух разнородных проводников в замкнутую цепь разность потенциалов, возникающая в одном месте соприкосновения, компенсируется равной, но противоположно направленной разностью потенциалов, возникающей при соединении проводников в другом месте.

Исследуя различные комбинации металлов, Вольта в 1800 г. сконструировал первый мощный источник электрического тока, носящий его имя, - «Вольтов столб».

Вольтов столб - состоит из большого числа кружков цинка, серебра и влажного картона (серебро вскоре было заменено медью), кружки расположены один на другом в следующем порядке: Zn - картон - Ag - Zn - картон - Ag - Zn - картон Ag и т. д., так, что они образуют вертикально стоящий столб; в начале и в конце столба оказываются соответственно пластинки Zn и Ag. При соединении этих пластинок металлическим проводником по последнему проходит электрический ток.


читать далее »

Отрицательные пластины

Обладая прекрасным постоянством напряжения и очень малым внутренним сопротивлением, медноокисные элементы в ряде случаев могут заменить в работе кислотные аккумуляторы.

К недостаткам медноокисных элементов следует отнести их высокую стоимость, а также заметную потерю их емкости при уменьшении температуры и концентрации электролита.

Роль деполяризатора в элементе выполняет хлористое серебро.

В практику этот элемент был введен в 1868 г., который для проведения своих опытов по изучению искрового разряда построил батарею, состоящую из 14 000 хлоро-серебряных элементов.

Положительный полюс элемента состоит из серебряных пластинок с напрессованным или наплавленным на них слоем хлористого серебра. Электролитом служит раствор хлористого натрия или хлористого аммония.

Электродвижущая сила элемента = 1,05 в.

Характерной особенностью этого элемента является особенное постоянство его напряжения при разряде. Напряжение этого элемента к тому же почти не зависит от температуры.

Несмотря на свои превосходные качества, эти элементы не могут получить широкого практического применения из-за высокой стоимости серебра.

Среди других элементов с твердым деполяризатором представляет интерес элемент, в котором деполяризатором служит двуокись свинца. Этот элемент изображается схемой

Высокая стоимость и быстрый саморазряд этого элемента делают его, однако, неспособным конкурировать с более совершенным элементом - свинцовым аккумулятором.

Одним из наиболее современных гальванических элементов являются элементы, в которых в качестве окислителя используется кислород воздуха. Сокращенно эти элементы обозначаются двумя буквами ВД, что обозначает по устаревшей терминологии «воздушная деполяризация».

Первым из элементов с кислородной деполяризацией явился газовый водородно-кислородный элемент, предложенный еще в 1842 г.


читать далее »

Графит представляет аллотропическое видоизменение углерода, обладающее металлической проводимостью электрического тока. Цвет графита меняется от серебристо-серого до свинцово-черного с характерным жирным блеском. Графит обладает мелкочешуйчатой структурой, обусловливающей кажущуюся его мягкость. Графит создает впечатление жирности, легко пристает и обволакивает разного рода поверхности, делая их электропроводными.

Удельный вес графита колеблется в пределах от 1,8 до 2,3.

Под давлением размолотый графит спрессовывается в плотный брикет, имеющий объемное удельное сопротивление порядка 0,025-0,035 М :.

По своему происхождению различают графит естественный и искусственный, получаемый нагреванием в электропечах кокса до температур выше 2 000° С.

Несмотря на чистоту (содержание золы 0,1%), искусственный графит из-за недостаточной жирности и сравнительной дороговизны в элементной промышленности почти не применяется.

Графит упаковывается в одинарные. пыленепроницаемые мешки или деревянные бочки, выложенные изнутри бумагой.

Как показывает практика, введение в состав агломератной массы особым способом полученной высокодисперсной сажи заметно улучшает работоспособность элемента.

Благоприятное действие сажи заключается в ее повышенной адсорбционной способности в отношении кислорода воздуха и образующегося в элементе аммиака, а также в ее влагоемкости.

Как впервые было показано Н. А. Бах и Н. А. Балашовой свободная от следов масел сажа, оказывается, обладает хорошей смачиваемостью и высокой влагоемкостью, т. е. способностью впитывать и удерживать относительно большие количества жидкости, например, растворов NH4C1, служащих в элементах электролитом.

При введении такой сажи в состав агломератной массы изготовленный из нее агломерат приобретает, в свою очередь, свойство лучше впитывать электролит, что приводит, с одной стороны, к более полному контакту раствора NH4CI с Мп02, а с другой стороны, повышает запас электролита в массе.


читать далее »
« Список меток
  • Читать все новости