Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Термодинамические свойства сплавов Mg-Al, Y-Mg, Nd-Mg и кинетика катодных процессов применительно к электролитическому получению лигатур

Диссертация: Термодинамические свойства сплавов Mg-Al, Y-Mg, Nd-Mg и кинетика катодных процессов применительно к электролитическому получению лигатур
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Классическим равновесным и динамическим вариантами метода э.д.с. изучено фазообразование и термодинамические свойства двойных, твердых и жидких сплавов магния с алюминием, иттрием и неодимом в области легкоплавких составов, наиболее подходящих для производства лигатур. Во всех изученных системах установлены умеренные отрицательные отклонения активности от закона Рауля, уменьшение энтальпии… Читать ещё >

Содержание

  • 1. СВОЙСТВА ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ МАГНИЯ С Р.З.М. И
  • РАСТВОРИ-МОСТЬ Р.З.М. В ТВЕРДОМ МАГНИИ
    • 1. 1. Механические свойства сплавов магния содержащих редкоземельные металлы
    • 1. 2. Закономерное изменение растворимости в твердом магнии редкоземельных металлов
    • 1. 3. Обзор проведенных исследований термодинамических свойств систем А1 — Mg, Mg -N (3 и Mg — У
    • 1. 4. Динамичий вариант метода э. д
  • Выводы
  • 2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ СИСТЕМЫ АЛЮМИНИЙ-МАГНИЙ
    • 2. 1. Система алюминий — магний
    • 2. 2. Термодинамические свойства сплавов системы алюминий—магний
  • Выводы
  • 3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ СИСТЕМЫ ИТТРИЙ-МАГНИЙ
    • 3. 1. Система иттрий — магний
    • 3. 2. Термодинамические свойства сплавов системы иттрий — магний
  • Выводы
  • 4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ СИСТЕМЫ НЕОДИМ — МАГНИЙ
    • 4. 1. Система неодим — магний
    • 4. 2. Термодинамические свойства сплавов системы неодим — магний
  • Выводы
  • 5. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ПОЛУЧЕНИЕ СПЛАВОВ НЕОДИМА С
  • АЛЮМИНИЕМ И МАГНИЕМ
    • 5. 1. Катодная поляризация жидкометаллических электродов в хлоридном неодимсодержащем расплаве
    • 5. 2. Электролитическое приготовление неодим — магниевых и неодим — алюминиевых сплавов
  • Выводы

Термодинамические свойства сплавов Mg-Al, Y-Mg, Nd-Mg и кинетика катодных процессов применительно к электролитическому получению лигатур (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Металлические материалы играют большую роль в развитии современной техники. Использование материалов с лучшими служебными и технологическими характеристиками позволяет повысить технические характеристики изделий и их надежность, увеличить объем производства. Среди большого разнообразия металлических материалов, которые находит применение в различных областях, видное место занимают сплавы на основе наиболее легкого конструкционного металла — магния. Интерес к магниевым сплавам непрерывно растет, что способствует расширению их производства и использования в промышленности.

Широкое применение магниевых сплавов обусловлено рядом факторов, важнейшими из которых являются удачное сочетание в них ряда ценных свойств и большие сырьевые ресурсы магния. Магний относится к числу наиболее распространенных элементов. Содержание его в земной коре составляет 2,4% [1]. При этом он образует удобные для разработки рудные месторождения и, кроме того, может извлекаться из морской воды [2]. Магний является одним из наиболее легких металлов. Его плотность (1,74 г/см) в 1,5 раза меньше плотности алюминия, в 2,5 раза меньше плотности титана и в 4,5 раза меньше плотности железа. При легировании магния удается добиться существенного повышения прочностных свойств при сохранении малой плотности. Вследствие этого для магниевых сплавов характерна высокая удельная прочность, которая предопределяет большой интерес к использованию магниевых сплавов в качестве конструкционных материалов. Применение магниевых сплавов позволяет снизить собственный вес изделий при сохранении ими прочности.

Магниевые сплавы представляют особый интерес для авиационно-космической техники, где требования в отношении высокой удельной прочности, в том числе при повышенных температурах, являются основными. Эти требования в наибольшей степени могут быть реализованы путем использования в качестве легирующих добавок редкоземельных металлов. Добавки неодима в большей степени способствуют повышению прочностных свойств магния при повышенных температурах, чем добавки церия или мишметалла. Несколько позже было установлено, что иттрий, не принадлежащий к ряду лантана, но являющийся также редкоземельным металлом, оказывает большее упрочняющее действие на магний, чем неодим. Этот факт способствовал проведению работ, направленных на разработку промышленных сплавов, содержащих иттрий [3].

Магниевые сплавы, легированные редкоземельными металлами, используются в качестве легких конструкционных материалов в течении многих лет. Однако достаточно высокая стоимость р.з.м., ограничивает области применения этих сплавов.

Основными промышленными авиационными сплавами являются сплавы системы алюминий — магний, называемые также магналиями, к которым в качестве легирующих элементов добавляют р.з.м., известные как хорошие модификаторы структуры, одновременно способствующие упрочнению сплавов.

Промышленность цветных и редких металлов всегда имеет потребность в надежных справочных данных по термодинамическим и другим физико-химическим характеристикам редких металлов и их сплавов. Термодинамические характеристики сплавов, а также данные о состоянии р.з.м. в солевых расплавах являются, с одной стороны, необходимой предпосылкой создания теоретических основ металлургических процессов разделения, рафинирования и получения металлов, их оптимизации и совершенствованияс другой — служат фундаментом и критерием правильности развиваемых представлений о механизме взаимодействия в системах металл — металл и металл — электролит.

Самостоятельный интерес представляет исследование жидких сплавов для электрохимического получения редких металлов, их сплавов и лигатур.

Применение жидкометаллических электродов расширяет возможности тонкого электрохимического разделения близких по своим свойствам металлов, например, Ьа, лантаноидов, Б с, У. Действительно, электроосаждение на жидком катоде сопровождается образованием сплава и, как правило, характеризуется значительной деполяризацией, величина которой зависит от активности осаждаемого металла в сплаве. Используя связь между эффектом сплавообразования и потенциалом выделения разряжающегося металла, можно подобрать такой материал катода, который увеличивает разность потенциалов выделения элементов, улучшает их разделение.

Несмотря на широкое использование сплавов магния с N<1 и У, а также, сплавов алюминия с магнием, термодинамические свойства их малоизученны, за исключением жидких сплавов системы А1 — М^, которые исследованы достаточно подробно, чего нельзя сказать о твердых сплавах. Между тем, они необходимы для оптимизации технологий приготовления, обработки и эксплуатации данных сплавов.

Предлагаемая работа представляет собой исследования термодинамических свойств жидких и твердых сплавов систем А1 — М^, М§- — ШиМ§-У.

Целью работы являлось исследование термодинамических свойств жидких и твердых сплавов систем А1 — - N (1 и — У классическим равновесным и динамическим [4] вариантами метода э.д.с. в области легкоплавких составов, наиболее подходящих для приготовления лигатур. Изучение кинетики катодных процессов и показателей электролитического получения лигатур.

Научная новизна работы. Классическим равновесным и динамическим вариантами метода э.д.с., впервые изучены термодинамические свойства сплавов магния с алюминием, иттрием и неодимом в области жидкого и твердого состояний. Результаты динамических измерений в пределах погрешности экспериментов согласуются с равновесными, и отчетливо выявляют фазовые превращения в сплавах, в том числе распад пересыщенных твердых растворов, протекающий во всех исследованных системах ступенчато.

Выявлены предельные токи, потенциалы и показатели выделения неодима на жидких алюминиевом и магниевом катодах.

Практическая значимость и реализация работы. Полученные термодинамические характеристики могут быть полезны в качестве справочных данных в дальнейших изысканиях новых сплавов для различных областей применения, а также для оптимизации существующих технологий приготовления сплавов, их обработки и эксплуатации. В работе они использованы для обоснования показателей электролитического получения лигатур, свидетельствующих о перспективности этой технологии.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:

1. V Международная конференция «Молодые ученые — промышленности, науке, технологиям и проф. образованию: проблемы и новые решения», г. Москва (2005 г.);

2.Х отчетная конференции молодых ученых ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», г. Екатеринбург (2006 г.);

3."13 international conference on liquid and amorphous metals", г. Екатеринбург (2007 г.);

4.V Российская НТК «Физические свойства металлов и сплавов», г. Екатеринбург (2009 г.).

Личный вклад автора заключается в подготовке литературного обзора, постановке задач исследования, планировании и проведении экспериментов, анализе и обработке полученных результатов.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано десять работ, в том числе четыре в рецензируемых журналах.

Структура работы. Материал диссертации изложен на 97 страницах, включая 28 рисунков и 21 таблиц. Работа состоит из введения, 5 основных.

ВЫВОДЫ.

1. Изучена поляризация при осаждении неодима из расплава КС1 — №С1 + 6,95 масс.% ШОз при 738 °C на жидком магниевом и алюминиевом электродах. Выявлены предельные токи разряда ионов неодима, близкие по величине (0,10 А/см) для обоих электродов. Потенциалы выделения неодима на алюминии на 0,40 В положительнее, что хорошо согласуется с расчетными величинами, полученными в результате проведенных исследований.

2. Показана возможность получения наиболее легкоплавких неодим — магниевых и неодим — алюминиевых сплавов с содержанием неодима до 30%. Большая на 0,40 В деполяризация в случае алюминиевого катода практически совпадает с величиной 0,41 В, рассчитанной по термодинамическим данным, подтверждая их взаимосогласованность. Более высокий выход по току и меньший расход электроэнергии в случае алюминиевых сплавов, обусловлены большей деполяризацией при осаждении неодима на алюминий и связано с более энергичным взаимодействием неодима с алюминием.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Классическим равновесным и динамическим вариантами метода э.д.с. изучено фазообразование и термодинамические свойства двойных, твердых и жидких сплавов магния с алюминием, иттрием и неодимом в области легкоплавких составов, наиболее подходящих для производства лигатур. Во всех изученных системах установлены умеренные отрицательные отклонения активности от закона Рауля, уменьшение энтальпии и энтропии, что согласуется с существованием в системах относительно легкоплавких интерметаллических соединений. Данные динамических измерений э.д.с. при непрерывном снижении температуры со скоростью 3−7 °С ¡-в минуту подтверждают результаты равновесных измерений и отчетливо выявляют фазовые превращения в системах, в том числе распад твердых растворов, который во всех изученных системах протекает ступенчато. Установлены быстрые степени пересыщения (1,2−1,5) и переохлаждения (20−70 °С) при распаде как твердых, так и жидких пересыщенных растворов.

Изучены катодные процессы при электролитическом получении лигатур А1 — N<1, М§- - N (1. Выявлены предельные токи и потенциалы разряда ионов неодима на жидких алюминиевом и магниевом катодах. Показана возможность электролитического получения сплавов А1 -N (1, Мс1 — N<1 содержащих до 30% неодима, с высокими выходами по току и небольшим удельным расходом электроэнергии. Достоверность и согласованность термодинамических данных и результатов изучения поляризации нашли подтверждение в равных величинах условных стандартных потенциалов сплавов М^ - N<1, А1 — N (1 и потенциалов полуволны при осаждении неодима на жидких магнии и алюминии, в большей на 0,40 В деполяризации при осаждении неодима на алюминиевом катоде, наблюдаемой экспериментально и рассчитанной по термодинамическим данным. Большая на 0,40 В деполяризация в случае алюминиевого катода практически совпадает с величиной 0,41 В, рассчитанной по термодинамическим данным, подтверждая их взаимосогласованность. Более высокий выход по току и меньший расход электроэнергии при получении лигатуры А1 -N<1 обусловлены большей величиной деполяризации. По литературным данным удельный расход электроэнергии при получении индивидуальных редкоземельных металлов почти на порядок выше, чем установленный в работе при электролитическом получении лигатур, свидетельствуя о перспективности этой технологии.

Показать весь текст

Список литературы

  1. М. В.- В кн.: Магниевые сплавы. М.: Металлургия, 1978, т.1, с.8−23.
  2. Metalwork. Prod. 1974, vol. 118, N 11, p. 57−59.
  3. M.E., Рохлин Л. Л., Падежнова Е. М., Гурьев И. И., Миклина Н. В., Добаткина Т. В., Орешкина A.A. Магниевые сплавы с иттрием. «Наука». Москва. 1979, 163 с.
  4. Т. Е.- J. Metals. 1949, vol. 1, p. 12. p. 968 983.
  5. Leontis Т. E.- J. Metals. 1951. vol. 3, N 11, p. 987 993.
  6. К. И., Лебедев А. А. Магниевые сплавы. М.: Металлургиздат, 1952,736 с.
  7. М. Е., Рохлин Л. Л., Падежнова Е. М., Гузей Л. С. Металловедение и термическая обработка металлов. 1978, № 9, с. 70—73.
  8. Л. Л., Деева Л. П. Технология легких сплавов. 1976, № 12, с.83−84.
  9. R.V., Edelman R. Е., Markus Н.- Trans. ASM, 1966, vol. 59, N 2, p.250−261.
  10. M. E., Свидерская 3. А., Падежнова E. M. Технология легких сплавов, 1972, № 2, с. 15—21.
  11. М. А., Бляблин А. А., Чиркова Е. Ф. и др.—В кн.: Металловедение и технология легких сплавов. М.: Наука, 1976, с. 113 118.
  12. М. Е., Свидерская 3. А., Никитин Н. И. Технология легких сплавов. 1974, № 5, с. 12−17.
  13. Дж. Б.—В кн.: Старение сплавов. М.: Металлургиздат, 1962, с. 22−37.
  14. Е. М. Пластические свойства магния и некоторых его сплавов. М.- Л.: Изд-во АН СССР, 1941, 86 с.
  15. С. М.—В кн.: Избранные труды по легким сплавам. М.: Оборонгиз, 1957, с. 407—422.
  16. Ernst Th., Laves F.-Z. Metallk., 1949, Bd. 40, N 1, S. 1−12.
  17. M. Е., Рохлин Л. Л., Никитина Н. И. Технология легких сплавов, 1976. № 1, с. 22−26.
  18. M. Е., Свидерская 3. А., Орешкина А. А. Технология легких сплавов. 1975, № 2, с. 10−14.
  19. M. Е., Свидерская 3. А., Туркина Н. И.- Изв. АН СССР, ОТО. Металлургия и топливо, 1960, № 4, с. 111—119.
  20. Свидерская 3. А., Рохлин Л. Л. Магниевые сплавы содержащие неодим М.: Наука, 1965, 140 с.
  21. Л.Л. Магниевые сплавы, содержащие редкоземельные металлы-М.: Наука, 1980, 192 с.
  22. У. Кристаллохимия и физика металлов и сплавов.- М.: Мир, 1977,4.1,424 с.
  23. З.А., Никитина Н. И. Металловедение цветных металлов и сплавов: Сб. статей-М.: Наука, 1972, с. 61−65.
  24. З.А., Падежнова Е. М. Фазовые равновесия в системах Mg -У и Mg Y — Мп. — Изв. АН СССР Металлы, 1968, № 6, с. 183−190.
  25. R.R., Gschneidner Jr., К.А. Solid solubility of magnesium in some Lanthanide Metals. -Trans. AIME. 1965, V. 233, № 12, p. 2063−2069.
  26. Л.Л. Растворимость неодима и церия в магнии в твердом состоянии Изв. АН СССР Металлургия и топливо, 1962, № 2, с. 126 130.
  27. Л.Л., Бочвар Н. Р. Металловедение цветных металлов и сплавов — М.: Наука, 1972, с. 58−61.
  28. Н.Р. Структура и свойства легких сплавов — М.: Наука, 1971, с.21−23.
  29. М.Е., Свидерская З. А., Рохлин JI.JI. Металлургия, металловедение, физико-химические методы исследования: Сб. статей М.: Изд-во АН СССР, 1962, № 2, с. 126−130.
  30. М.Е., Рохлин JI.JL, Сирченко Н. П. Фазовые равновесия в системе Mg Sm — Y — Изв. Вузов Цветная металлургия, 1983, № 6, с. 78−82.
  31. Рохлин JI. JL, Никитина Н. И. Исследование растворимости гадолиния в магнии —Изв. Вузов Цветная металлургия, 1977, № 1, с. 167−168.
  32. М.Е., Рохлин JI.JL, Падежнова Е. М., Гузей JI.C. Диаграмма состояния и механические свойства сплавов магний — тербий — МиТОМ, 1978, № 9, с. 70−73.
  33. Рохлин JI. JL, Деева Л. П. Исследование диаграммы состояния магний -гольмий- Изв. АН СССР Металлы, 1978, № 5, с. 219−221.
  34. Л.Л., Никитина Н. И., Золина З. К. Сплавы магния с эрбием — МиТОМ, 1978, № 7, 15−18.
  35. Л.Л. Исследование диаграммы состояния Mg — Тш в области, богатой магнием-Изв. Вузов Металлы, 1977, № 1, с. 181−183.
  36. McMasters O.D., Gschneidner Jr. К.А. Ytterbium magnesium system — J. Less-Common Met., 1965, V.8, № 5, p. 289−298.
  37. M.E., Рохлин Л. Л. Сплавы магния с иттербием- Изв. Вузов Цветная металлургия, 1977, № 1, 169−171.
  38. Л.Л. Диаграмма состояния Mg Lu со стороны магния — Изв. Вузов Цветная металлургия, 1977, № 6, с. 142−144.
  39. Е.М. Редкие металлы и сплавы. — М.: Дом техники, 1959, 84 с.
  40. М.М., Стрелец Х. Л. Изучение термодинамических свойств системы Mg Al методом э.д.с. — Журнал прикладной химии. 1969, 42, вып. 11, с.2498−2503.
  41. Schneider A., Stoll Е. Der Hochdruck des Damfes Mg uber der Legierungeil AI Mg. Z. Electrochem., 1941, 47, № 7, c. 519−524.
  42. В.Н., Лукашенко Г. М. Термодинамические свойства жидких расплавов в системе магний — алюминий. Укр. хим. ж., 1962, 28, № 24, с. 462−467.
  43. Э.Е., Погодаев A.M. К термодинамике жидких сплавов Mg -AI. Изв. АН СССР Металлы, 1971, № 5, с.91−96.
  44. Sinvhal R.C. Heats of Formation of Some Aluminium Alloys by Differential Colorimetri. Trans. Indian. Inst. Metals, 1967, 20, June, pp. 107−111.
  45. Smith J.F., Bailey D.M., Nowotny D.B., Davison J.E. Thermodynamics of formation of Yttrium — Magnesium intermediate phases// Acta Metallurgica. 1965. V. 13. N8. P. 889−895.
  46. Pahlman J.E., Smith J.F. Thermodynamics of Formation of Compounds in the Ce-Mg, Nd-Mg, Gd-Mg, Dy-Mg, Er-Mg, and Lu-Mg Binary Systems in the Temperature Range 650° to 930°K. Metallurgical Transactions. 1972, V.3, p.2423−2432.
  47. A.H. Электрокристаллизация металлов из расплавленных солей. М.: Наука, 1976. 279 с.
  48. В.А., Кобер В. И., Ямщиков Л. Ф. Термохимия сплавов редкоземельных и актиноидных элементов. Челябинск: Металлургия, 1989. С.16−18.
  49. Schweitzer D.C., Weeks I.K.//Trans ASM. 1961 .V.5. № 2. P. 185.
  50. Schurmann E. Voss HJ.// Giessereiforschung. 1981. Bd. 33. N 2. Si 43-^16.
  51. M., Андерко К. Структуры двойных сплавов. М.- Металлургиздат, 1962. Т. 1, 2. 1188 с.
  52. Schurmann Е., Fischer А.// Giessereiforschung. 1977. Bd. 29. N 3. S. 107— 111.
  53. Schurmann E., Geissler I.K.// Giessereiforschung, 1980. Bd. 32. N 4. S.163—174.
  54. Goel N.C., Cahoon J.R., Mikkelsen В.// Metall. Trans. A. 1989. V- 20. N 2, P. 197−203
  55. Ludecke D., Hack K.//Z. Metallkunde. 1986. Bd. 77. N 3. S. 145−151.
  56. Siebel G., Vosskuhler H.// Z. Metallkunde. 1939. Bd. 31. S. 359−362,
  57. Schurmann E., Engei R.// Giessereiforschung. 1986. Bd, 38. N 2. S. 67−72.
  58. Samson S.// Acta Crystallogr. 1965. V. 19. P. 401−413.
  59. Bandyopadhyay J., Gupta K.P.// Trans. Indian Inst. Met. 1970. V. 23, N 4. P. 65−70.
  60. Samson S., Gordon E.K.// Acta Crystallogr. B. 1968. V. 24. N 8. P. 10 041 013.
  61. Макаров E.C.// Доклады АН СССР. 1950. Т. 74. № 5. С 935−938.
  62. Timm J., Warlimont H.// Z. Metallkunde. 1980. Bd. 71. N 7. S. 434−437.
  63. Диаграммы состояния двойных металлических систем / Под общ.ред. акад. РАН Н. П. Лякишева. T.l. М.: Машиностроение, 1996. 992 с.
  64. О.А. Производство магния электролизом. М.: Металлургия. 1988, с. 286.
  65. Gibson E.D., Carlson O.N.// Trans. ASM. I960.V.52.P. 1084−1096.
  66. В.А., Ахмедов М. Ч. «Термодинамические свойства твердых и жидких сплавов иттрий магний». Расплавы, № 1, 2010, с.9−11.
  67. В.Ф., Маркова И. А., Савицкий Е. М. //Журнал неорганической химии. 1960. Т. 5. N 1.С. 235−236.
  68. Е.И., Крипякевич П. И., Черкашин Е. Ё. и др. // Редкоземельные элементы- Сб. статей. М: Наука, 1963. С. 67−70.
  69. П.И., Евдокименко В. И., Гладышевский Е. И. // Кристаллография. 1964. Т. 9. N3. С. 410−411.
  70. В.А., Ахмедов М. Ч. «Термодинамические свойства твердых и жидких сплавов неодим — магний». Расплавы, № 3, 2010, с.21−25.
  71. Lebedev V.A., Akhmedov M.Ch. Electrochemical control over disintegrationiLof solid solutions of Mg in A1.13 International Conference on Liquid and Amorphous Metals. Journal of Physics: Conference Series.98(2008)032009. P. l-4.
  72. S., Saccone A., Ferro R. // Melall Trans A. 1990. V. 21. P. 21 092 114.
  73. В.И., Крипякевич П.И.//Кристаллография. I963.T.8.N 2. С 186−193.
  74. Н.Ф., Морозова Г. И. // Заводская лаборатория. 1964. N 10. С 1187—1189.
  75. Villars P., Calvert L.D., Pearsons Handbook of Crystallographic Data for Intermetallic Phases. Ohio: Metals Park, 1985, V 2.
  76. В.И., Крипякевич П. И. // Кристаллография. 1964. Т. 9. N 4. С. 554−556.
  77. Диаграммы состояния металлических систем/Под ред. ак. РАН Н. П. Лякишева. Т.З.КнЛ.М.: Машиностроение.2000, с.291−294.
  78. В.А., Ахмедов М. Ч. Термодинамические свойства твердых и жидких сплавов Y-Mg — Труды 5 Российской научно-практической конференции «Физические свойства металлов и сплавов». Екатеринбург 16−18 ноября 2009. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009, с. 45.
  79. И.Ф. Кинетика выделения редких тугоплавких металлов на жидких катодах. В сб.: Физическая химия и электрохимия расплавленных солей и шлаков.-Киев: Наукова думка, 1969, с. 76−103.
  80. М.В. Электродные потенциалы в расплавленных хлоридах. М., «Наука», 1983.
  81. Г. Е., Силина Г. Ф., Остроушко Ю. И. Электролиз в металлургии редких металлов.-М.:Металлургиздат, 1963, 360 с.
  82. В.А. О взаимосвязи величин условного стандартного потенциала сплава и потенциала полуволны. Расплавы, 1990, Т.4, № 2, с.38−43.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?