Алюминий плюс кремний что получится

Кремний в литейных алюминиевых сплавах

Литейные алюминиевые сплавы

Табличный химический состав литейных алюминиевых сплавов может включать до десяти конкретных легирующих элементов, не считая колонки «другие» или «сумма примесей». Не все эти элементы являются основными легирующими элементами для каждого алюминиевого сплава: некоторые элементы являются основными или примесями в одних сплавах и могут поменяться местами в других. Цинк, например, в большинстве литейных алюминиевых сплавов является примесью, и только в некоторых – основным легирующим элементом.

К главным легирующим элементам литейных алюминиевых сплавов в разных стандартах относят:

Остальные элементы могут быть второстепенными элементами, модификаторами структуры, а также примесями.

Роль кремния в литейных сплавах

Кремний без сомнения является наиболее важным легирующим компонентом в подавляющем большинстве литейных алюминиевых сплавов. Кремнию эти сплавы обязаны так называемыми «хорошими литейными свойствами», то есть способностью легко заполнять литейные формы и затвердевать в отливки без образования горячих трещин.

Важная роль кремния как легирующего элемента литейных алюминиевых сплавов заключается в следующем:

  1. Высокая скрытая теплота затвердевания кремния обеспечивает хорошую или удовлетворительную жидкотекучесть сплава в целом.
  2. Кремний имеет ограниченную растворимость в твердом растворе (максимум 1,65 %) и образует с алюминием эвтектику при довольно большом содержании (12 %). Это приводит к тому, что у сплава даже с содержанием в несколько процентов кремния затвердевание происходит в основном в режиме, близком к изотермическому. При этом литейный алюминиевый сплав достигает значительной прочности, поскольку мало подвергаются или вообще не подвергаются термической усадке, что очень важно для предотвращения образования горячих трещин.
  3. Чем больше кремния содержит алюминиевый сплав, тем меньше его коэффициент термического расширения.
  4. Кремний является очень твердой фазой, поэтому он дает значительный вклад в износостойкость алюминиевого сплава.
  5. Соединения кремния с другими элементами, например, с магнием, повышают прочность алюминиевого сплава и делают его термически упрочняемым.
  6. Большое содержание кремния может приводить к нестабильности размеров отливки, особенно при повышенных температурах. Поэтому, например, при применении литейного алюминиевого сплава АЛ2 для высокоточных приборных деталей, предусматривают специальную стабилизирующую термическую обработку.

Почти изотермическое затвердевание

Чистый алюминий затвердевает «изотермически», то есть при постоянной температуре. Эвтектические составы (алюминий и 12 % кремния, как, например, нормальный силумин) также затвердевают практически «изотермически», то есть в очень узком интервале температуры.

Эвтектические алюминиевые сплавы затвердевают постепенно от поверхности литейной формы по направлению к термическому центру поперечного сечения отливки. Для них характерна очень малая толщина фронта между уже затвердевшей частью отливки и оставшимся жидким металлом. Такое затвердевание сводит к минимуму тенденцию к образованию горячих трещин.

Кремний залечивает горячие трещины

Присутствие кремния обычно предотвращает образование горячих трещин, а также улучшает текучесть литейных алюминиевых сплавов. Всего лишь 5 % кремния в сплаве обеспечивает достаточную степень изотермического затвердевания, чтобы исключить образование горячих трещин и, в то же время, повысить текучесть сплава. Литейщики часто называют алюминиевые сплавы с широким интервалом температуры затвердевания как «трудные для литья». Однако трудными их делает не широкий температурный интервал затвердевания, а скорее характерная, неизотермическая, форма кривых охлаждения, а также недостаточная жидкотекучесть. Обе эти проблемы – от отсутствия в достаточном количестве кремния. Американский литейный алюминевый сплав 332 (9,5%Si-3,0%Cu-1,0%Mg), его ближайший отечественный аналог – АЛ25, имеет относительно широкий температурный интервал затвердевания, но поскольку он содержит значительное количество кремния, то имеет неплохую жидкотекучесть и близкое к изотермическому затвердевание.

Литейные алюминиевые сплавы с большим содержанием кремния (американские серии 3хх и 4хх, группы I и II по ГОСТ 1583-93) значительную часть своего затвердевания «проводят» на эвтектической «площадке» кривой охлаждения. Когда охлаждение доходит до температур ниже этой «площадки», большая доля твердого сплава уже образовалась и только фазы с самыми низкими температурами затвердевания еще остаются жидкими (обычно эвтектики с участием меди и/или магния). К этому моменту сплавы уже успевают сформировать достаточную твердую и прочную структуру. Эта структура способна успешно противостоять усадке при оставшемся охлаждении от эвтектической «площадки» до полного затвердевания без образования горячих трещин.

Читайте также:  Для чего вкладыши покрывают оловом

Кремний и магний в алюминиевых сплавах

Кремний сам по себе дает очень малый вклад в прочность литейных алюминиевых сплавов. Однако в комбинации с магнием в виде Mg2Si кремний обеспечивает очень эффективный упрочняющий механизм в алюминиевых отливках.

Влияние кремния на свойства алюминиевых сплавов

С увеличением содержания кремния коэффициент термического расширения сплава, как и его плотность, уменьшаются.

Кремний повышает износостойкость алюминиевого сплава, что часто делает отливки из алюминиево-кремниевых сплавов привлекательной заменой серых чугунов, например, в автомобилестроении. Например, заэвтектический американский сплав 390 широко применяется для изготовления деталей двигателей, насосов, компрессоров, поршней и коробок передач.

Кремний и режущий инструмент. Важность вклада кремния в улучшение литейных свойств алюминиевых сплавов имеет и обратную сторону. Чем больше кремния в сплаве, особенно в заэвтектическом интервале, тем больше износ режущего инструмента при его механической обработке. С появлением поликристаллических алмазных материалов проблема износа режущего инструмента перестала быть такой актуальной при выборе подходящего литейного сплава. Однако при обработке отливок режущим инструментом из быстрорежущих сталей, карбидным режущим инструментом и другими менее износостойкими материалами это обстоятельство необходимо учитывать.

Источник : Apelian D. Aluminum Cast Alloys, NADCA, 2009

Источник

Вопрос 29. Алюминий, кремний и их соединения как важнейшие составляющие неорганических вяжущих материалов

Вопрос 29. Алюминий, кремний и их соединения как важнейшие составляющие неорганических вяжущих материалов.

Алюминий, его соединения и свойства

Алюминий – самый распространенный металл на Земле. Его массовая доля в земной коре составляет 8%. Алюминий имеет плотность с=2,7 г/см3, температуру плавления Тпл. = 659оС, высокую пластичность и высокую электропроводность. На воздухе покрывается плотной и прочной окисдной пленкой Al2O3.

Основная масса его сосредоточена в виде природных соединений, в которых он связан с кислородом и кремнием, так называемых алюмосиликатов. Алюмосиликаты входят в состав многих горных пород и глин. Другими важными минералами алюминия являются боксит Al2O3∙nH2O, криолит Na3[AlF6], корунд Al2O3.

Получают алюминий из Al2O3 электролитическим способом. Для этого необходим достаточно чистый Al2O3, так как из выплавленного алюминия примеси удалить очень трудно. Оксид Al2O3 не проводит электрического тока и имеет высокую температуру плавления (≈ 2050оС). Поэтому электролизу подвергают расплав оксида алюминия в криолите AlF3∙3NaF, содержащий 10% по массе Al2O3, плавящийся при 950оС и обладающий электропроводимостью.

В расплавленном криолите оксид алюминия диссоциирует на ионы:

Al2O3 ↔ Al3+ + AlO33−

Условия электролиза подбираются такими, чтобы на катоде разряжались катионы Al3+. При этом на аноде будут окисляться ионы AlO33−.

Уравнения электродных процессов:

Al3+ + 3 → Al

4AlO33− − 12 → 2Al2O3 + 3O2

4Al3+ + 4AlO33− 4Al + 2Al2O3 + 3O2

2Al2O3 4Al + 3O2

Образующийся кислород сжигает графитовые аноды:

С + O2 = CO2 или 2С + О2 = 2СО

Электронное строение атома алюминия …3s23p1 определяет характерную для него, постоянную степень окисления +3. Химические связи в соединениях алюминия с другими элементами имеют в основном ковалентный характер. Кроме того, в атоме алюминия на внешнем энергетическом уровне имеются свободные d-орбитали, благодаря чему он может образовывать сложные комплексные ионы с координационным числом равным 6, такие как [AlF6]3− или [Al(OH)6]3−.

Алюминий – металл высокой химической активности. На воздухе он пассивируется, то есть покрывается тончайшей, но очень прочной пленкой оксида Al2O3, предохраняющей его от дальнейшего окисления:

4Al + 3O2 = 2Al2O3

вследствие чего поверхность металла имеет матовый вид. Свойствами защитной пленки обладает только одна из полиморфных кристаллических модификаций Al2O3 со структурой корунда, которая не взаимодействует с водой. Эта пленка может быть удалена растворением в кислотах или щелочах, так как Al2O3 проявляет амфотерные свойства:

Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O

Al2O3 + 2NaOH = 2NaAlO2 + H2O

Образующийся в расплаве щелочи алюминат натрия NaAlO2 в водных растворах образует комплексную соль – тетрагидроксоалюминат натрия Na[Al(OH)4].

Химические свойства алюминия:

1. Взаимодействие с неметаллами

При обычных условиях алюминий реагирует с хлором и бромом; при нагревании реагирует с кислородом, йодом, углеродом, азотом.

2Al + 3Cl2 = 2AlCl3

4Al + 3O2 = 2Al2O3

2. Взаимодействие с водой

Из-за защитной оксидной пленки на поверхности алюминий устойчив в воде. Однако при удалении этой пленки происходит энергичное взаимодействие:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2

Читайте также:  Как определить марку стали для различных элементов

3. Взаимодействие с кислотами

Алюминий взаимодействует с хлороводородной и разбавленной серной кислотами:

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2

2Al +H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2

Азотная и концентрированная серная кислоты пассивируют алюминий: при действии этих кислот увеличивается толщина защитной пленки на металле, и он не растворяется.

4. Взаимодействие со щелочами

2Al + 6NaOH + 6H2O = 2Na3[Al(OH)6] + 3H2

Реакция со щелочами протекает благодаря легкости растворения в них оксидной пленки.

5. Восстановление оксидов металлов

Алюминий является хорошим восстановителем многих оксидов металлов, например:

2Al + Cr2O3 = Al2O3 + 2Cr

8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe

Применение алюминия и его сплавов

Алюминий применяется как в чистом виде (для изготовления электрических проводов и фольги для конденсаторов), так и в виде сплавов с медью, марганцем, магнием, кремнием, титаном. Легирующие добавки вводят, как правило, для повышения его прочности. Основная масса алюминия идет на изготовление алюминиевых сплавов.

В технике широко распространены дуралюмин (содержит магний и медь), силумин и магналий с кремнием и магнием, соответственно.

Дуралюмины – легкие прочные и коррозионностойкие сплавы. Используются как конструкционный материал в авиа — и машиностроении.

Силумин – сплав алюминия, содержащий кремний. Силумин хорошо подвергается литью, из него можно изготавливать тонкостенные и сложные по форме изделия. Этот сплав используется в автомобиле-, авиа — и машиностроении, производстве точных приборов.

Магналин – сплавалюминия с магнием. Используется в авиа — и машиностроении, в строительстве. Магналин стоек к коррозии в морской воде, поэтому его применяют в судостроении.

Антифрикационные сплавы алюминия с оловом и медью применяются в автомобилестроении для изготовления подшипников коленчатого вала. Основное достоинство конструкционных алюминиевых сплавов – малая их плотность, высокая прочность а расчете на единицу массы, высокая стойкость против атмосферной коррозии, дешевизна и простота обработки. Важной областью применения алюминия является алитирование – насыщение поверхности стальных или чугунных изделий металлическим алюминием для придания им жаростойкости и предохранения от коррозии. Алитированные изделия не окисляются при нагревании до 1000оС.

Смесь порошков алюминия и оксида железа (Fe2O3 или Fe3O4), имеющая название термит, используется для сварки стальных изделий (трубопроводов, рельсов). При горении термитной смеси протекает реакция с большим выделением теплоты:

8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe, ∆Нo = −1352 кДж

За счет выделяющейся теплоты температура может достигать 3500оС.

Оксид алюминия Al2O3 применяют для получения алюминия, как огнеупорный материал, в производстве керамики. Кристаллический Al2O3 – корунд служит абразивным материалом. Некоторые природные разновидности корунда (рубин, сапфир) являются драгоценными камнями, используются в ювелирном деле.

Криолит Na3[AlF6] применяют для получения алюминия и при изготовлении керамики и эмалей.

Глинозем (оксид алюминия Al2O3) – белый порошок, Тпл. = 2042оС, в воде не растворяется.

Природный минерал корунд (тоже Al2O3) очень твердый, поэтому используется как абразивный и огнеупорный материал.

Глинозем Al2O3 получают термическим разложением гидроксида алюминия:

2Al(OH)3 Al2O3 + 3H2O

В промышленности глинозем получают из бокситов, а также из каолинов. Большая часть глинозема используется для получения алюминия.

Алюминаты – соли слабых кислот. Они подвергаются гидролизу и существуют в растворе в избытке щелочи. При этом возможно образование ортоалюминатов типа K3AlO3.

Водные растворы алюминатов содержат комплексные анионы [Al(OH)4]−, [Al(OH)5]2− и гидроалюминаты [Al(OH)6]3−.

Алюминий встречается в виде соединений, называемых шпинелями.

MgAl2O4 – обыкновенная шпинель;

ZnAl2O4 – цинковая шпинель.

Квасцы являются комплексными соединениями типа MeAl(SO4)2 ∙ 12H2O,

где Ме – К, Na, NH4+.

Алюминаты растворяются в воде по-разному. Алюминаты щелочных металлов хорошо растворимы в воде, у алюминатов щелочноземельных металлов растворимость в воде значительно ниже. Алюминаты содержатся в неорганических вяжущих материалах. Например, трехкальциевый алюминат 3CaO ∙ Al2O3 входит в минералогический состав клинкера портландцемента. Однокальциевый алюминат CaO ∙ Al2O3 является главной составной частью клинкера глиноземистого цемента.

Кремний, его соединения и свойства

Кремний является вторым по распространенности элементов в земной коре (27% по массе).

Кремний образует две аллотропические формы: кристаллическую и аморфную. Кристаллический кремний имеет серо-стальной цвет и металлический блеск. Аморфный кремний представляет собой бурый гигроскопичный порошок, является более реакционноспособным, по сравнению с кристаллическим.

Кремний применяется, главным образом, в металлургии и полупроводниковой технике. В металлургии он используется для удаления кислорода из расплавленных металлов и служит составной частью многих сплавов. Важнейшие из них – сплавы на основе железа, меди и алюминия. В полупроводниковой технике кремний используется для изготовления фотоэлементов, усилителей и выпрямителей.

Читайте также:  Вуглецева сталь как это

Электронная формула имеет вид: Si 1s22s22p63s23p2

Обладает полупроводниковыми свойствами.

Кремний может быть выделен восстановлением оксида кремния при высокой температуре такими металлами, как магний или алюминий, а также углеродом.

SiO2 + 2C Si + 2CO

SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO

SiCl4 + 2Zn Si + 2ZnCl2

Кремний встречается в природе в виде диоксида кремния SiO2 (кремнезема). В природе он встречается как в кристаллическом, так и в аморфном виде.

Кристаллический диоксид кремния (кремнезем) находится в природе в виде песка и кварца. Он очень тверд, нерастворим в воде и плавится при температуре 1610оС, превращаясь в бесцветную жидкость.

Аморфный диоксид кремния распространен в природе гораздо меньше, чем кристаллический. На дне морей имеются отложения тонкого пористого аморфного кремнезема, называемого трепелом.

При сплавлении диоксида кремния с едкими щелочами или карбонатом калия и натрия получаются соли кремниевых кислот:

SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O

Аморфный кремнезем взаимодействует со щелочами и гашенной известью на холоде. На этом основано применение этих материалов в качестве гидравлических добавок к цементам.

Ca(OH)2 + SiO2 = CaSiO3 + H2O

Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2

NaOH + SiO2 = Na2SiO3 + H2O

Кремнезем, находящийся в природе в виде песка, широко применяют в строительстве для производства стекла, керамики и цемента.

Кремнезем (SiO2) и его производные относятся к неорганическим полимерам.

Силикаты чрезвычайно распространены в природе. К природным силикатам относятся полевые шпаты, слюда, глины, асбест, тальк и многие другие минералы. Силикаты входят в состав горных пород: гранита, гнейса, базальта и т. д.

Общую формулу силикатов можно представить как xSiO2∙yR2O3∙zH2O,

где R – преимущественно алюминий.

Действие кислот на силикаты неодинаково. Чем активнее металл, тем легче протекает реакция:

CaSiO3 + HCl = CaCl2 + H2SiO3

При нагревании смесей многих силикатов с другими силикатами или диоксидом кремния получаются прозрачные аморфные сплавы, называемые стеклами.

Растворимое стекло получают путем сплавления диоксида кремния и карбоната натрия:

Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2

SiO2 + NaOH = Na2SiO3 + H2O

Растворимое стекло, представленное в виде водных растворов называется жидким стеклом. Жидкое стекло очень быстро твердеет на воздухе, образуя поликремниевые кислоты. При этом выделяются высокодисперсные гели, обладающие вяжущими свойствами. Поэтому жидкое стекло применяют в строительстве, для пропитки тканей и других материалов с целью придания им огнестойкости.

Обычное оконное стекло состоит из силикатов натрия и кальция, сплавленных с диоксидом кремния. Состав такого стекла приблизительно может быть выражен формулой Na2O ∙ CaO ∙ 6SiO2. Исходными материалами для получения стекла служат белый песок, сода, известняк или мел. При сплавлении этих веществ происходит реакция:

Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 → Na2SiO3 ∙ 6SiO2 + 2CO2

Для получения специальных стекол, натрий и калий заменяют на другие элементы. Частичная замена SiO2 на В2О3 приводит к получению боросиликатного стекла. Прибавление борного ангидрида увеличивает твердость стекла, а также стойкость к химическим воздействиям. Из такого стекла изготавливают высококачественную химическую посуду.

Кварцевое стекло содержит в своем составе 99% диоксида кремния и отличается высокой тугоплавкостью. Кварцевое стекло выдерживает резкую смену температур и поэтому его применяют для изготовления лабораторной посуды в химической промышленности.

Все виды стекол устойчивы к действию воды и кислот, но при очень длительном их воздействии может произойти вымывание ионов натрия со стеклянной поверхности (выщелачивание стекла).

Разрушить стекло может только плавиковая (фтористоводородная( кислота HF.

Силан SiH4 – бесцветный газ. Он может быть получен путем воздействия соляной кислоты на силицид магния Mg2Si

Mg2Si + 4HCl = 2MgCl2 + SiH4

Силан может самовоспламеняться на воздухе и сгорать с образованием диоксида кремния и воды.

SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O

Фторид кремния SiF4 образуется при взаимодействии фтороводорода с диоксидом кремния:

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O

Фторид кремния представляет собой бесцветный газ с резким запахом. В водных растворах фторид кремния подвергается гидролизу:

SiF4 + 3H2O = H2SiO3 + 4HF

Гексафторокремниевая кислота H2SiF6 может быть получена путем взаимодействия фтороводорода с фторидом кремния:

SiF4 + 2HF = H2SiF6

По силе гексафторокремниевая кислота близка к серной.

Фторосиликат натрия Na2SiF6 применяется в производстве стекол, эмалей, а также используется в качестве ускорителя твердения в производстве кислотоупорных замазок на основе растворимого стекла.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл и камни