Студопедия

Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Металлические сплавы. Получение металлов.




В твердом состоянии металлы друг с другом практически не взаимодействуют, но более или менее хорошо растворяются в расплавленных металлах. Металлические сплавы могут быть получены в смеси порошкообразных металлов при высокой температуре, электролизом смеси электролитов, при возгонке нескольких металлов, когда из смеси паров происходит одновременная конденсация металлов.

 

Физико-химический анализ

Методом исследования природы металлических сплавов является физико-химический анализ, который изучает зависимость свойств сложных систем от их состава. Он заключается в измерении физических свойств системы при изменении в ней содержания компонентов и построении на основании этих измерений диаграммы, на оси абцисс которой откладывается состав, а на оси ординат –величины, характеризующие свойства системы. По диаграмме «состав-свойство» можно определить состав сплава с заданными свойствами и выявить особенность взаимодействия компонентов системы. Различают три типа диаграмм:

1) Диаграмма плавкости системы с образованием твердых растворов.

При охлаждении расплавленного металла кристаллизация происходит при температуре, при которой давления пара твердого и жидкого металла равны. Если растворимость двух металлов друг в друге в твердом состоянии неограниченна, то их жидкого расплава любого состава при соответствующем охлаждении кристаллизуется твердый раствор, состав которого, очевидно, должен быть таким, при котором парциальные давления паров его компонентов равны парциальным давлениям паров компонентов жидкого расплава.

Ni Cu

Cu 0 20 40 60 80 100%

Ni 100 80 60 40 20 0

На рис. представлена диаграмма кристаллизации системы с образованием непрерывных твердых растворов (никель-медь), где выражены две кривые -верхняя и нижняя. Верхняя кривая (ликвидус) начинается в точке, соответствующей температуре плавления чистого никеля (1452оС), и по мере увеличения содержания в жидкой фазе меди постепенно снижается и заканчивается в точке, соответствующей температуре плавления чистой меди (1083оС). Нижняя кривая (солидус) начинается в той же точке, что и верхняя кривая, и по мере увеличения содержания меди в твердой фазе также снижается и заканчивается в той же точке, что и верхняя кривая.

2) Диаграмма плавкости двух металлов, если в твердом состоянии растворимость друг в друге ограничена. В этом случае их жидкого расплава в зависимости от концентрации компонентов будут кристаллизоваться два разных твердых раствора металлов (например Cd-Bi).

 

 

Cd Bi

Bi 0 20 40 60 80 100%

Cd 100 80 60 40 20 0

На рис. представлена диаграмма плавкости системы «кадмий-висмут», на которой выделяются две верхние кривые (ликвидусы) и одна горизонтальная прямая (солидус). Точка с минимальной температурой плавления называется эвтектической, в которой находится механическая смесь компонентов.



3) Диаграмма плавкости металлов, образующие между собой химические соединения.

А АВ В

На рис. представлена диаграмма плавкости системы «А-В», образующих химические соединения, состоящая из двух систем: металл А-соединение и соединение –металл В. Соединение двух металлов обладает собственной температурой плавления (кристаллизации), не зависящей от температуры компонентов. При этой температуре плавление, равно как и кристаллизация, начинается и заканчивается. В обоих случаях кривая начала кристаллизации проходит через две эвтектические точки и через одну максимальную точку называемую дистектической. Последняя расположена между двумя эвтектиками и указывает на образование определенного соединения.

Структура сплавов может быть однородной и неоднородной. Однородные сплавы –это интерметаллиды, твердые растворы металлов. Неоднородные –механические смеси. Структура кристаллов интерметаллических соединений определяется способностью положительно заряженных ионов различных металлов располагаться в узлах кристаллической решетки. Например, элементарная ячейка кристаллической решетки интерметаллида MnCu2Sn содержит 4 атома марганца, 8 атомов меди и 4 атома олова. Структура кристаллов твердых растворов определяется тем, что в кристаллическую решетку металла-растворителя входят постепенно ионы растворяемого металла (твердые растворы замещения). Твердые растворы внедрения образуются посредством расположения ионов растворяемого металла между ионами основного металла.



 

Получение металлов

В природе металлы встречаются в виде соединений и только мало активные (золото, платина и др.) встречаются в самородном состоянии. Из природных соединений металлов наиболее распространенными являются кислородные (оксиды и оксосоли): гематит Fe2O3, магнетит Fe3O4, куприт Cu2O, корунд Al2O3, рутил TiO2, пиролюзит MnO2 и т.д. Весьма распространены сульфиды, т.е. сернистые соединения (железо, медь, цинк, никель, свинец); фториды, хлориды (щелочные и щелочноземельные металлы); карбонаты, силикаты, фосфаты, сульфаты.

Руды загрязнены пустой породой, в связи с этим они подвергаются очистке или так называемому обогащению. При обогащении металлических руд применяют различные методы: механические, электромагнитные, физико-химические. Из последних широкое распространение получил метод флотации. Он основан на различной смачиваемости водой частиц смеси гидрофобного и гидрофильного порошков. Он состоит в измельчении руды до порошка, образующего тонкую суспензию в водном растворе поверхностно-активных веществ –флотореагентов. В чане особой конструкции, наполненном суспензией, создают пену, продувая воздух снизу. Поднимаясь вверх, пузырьки воздуха, покрытые мономолекулярной адсорбционной пленкой флотореагента, собирают на своей поверхности частица гидрофобного компонента руды и в виде пены всплывают на поверхность. Гидрофильные частицы пустой породы оседают на дно чана. Пена, содержащая частицы ценной породы, удаляется в отстойник, где эти частицы оседают.

Восстановление металлов осуществляется в промышленности посредством различных процессов:

1. Металлотермия основана на окислительно-восстановительных реакциях, протекающими между соединениями металлов –оксидами, хлоридами, сульфидами – и сравнительно более активными элементарными металлами. Для восстановления металлов из оксидов часто применяется порошкообразный алюминий (алюминотермия). Алюминотермический процесс используется для получения из оксидов сравнительно тугоплавких металлов: ванадия, хрома, молибдена, марганца. Металлотермия приобрела большое значение в восстановлении хлоридов магнием или натрием: TiCl4 + 2Mg = 2MgCl2 + Ti

2. Карботермия – это восстановление металлов из их оксидов углеродом. Углерод может применяться только для восстановления сравнительно мало активных металлов –железа, меди, цинка, свинца. Ме2Оn + n/2C = 2Me + n/2CO2

3. Гидрометаллургия – восстановление металлов из водных растворов солей, где восстановителями могут служить или сравнительно более активные металлы или электроны катода при электролизе. Электролизом водных растворов солей могут быть получены лишь мало активные металлы. Активные же металлы –щелочные, щелочноземельные, алюминий – получают исключительно электролизом расплавленных солей.. (см. раздел «Электролиз»).

Некоторые металлы используются в технике в чистом состоянии. В связи с этим перед современной металлургией встала задача разработать методы тонкой очистки некоторых металлов. Для очистки металлов используются различные методы: электролитическое рафинирование (электролиз с растворимым анодом); перегонка и переплавка в вакууме; диссоциация летучих соединений; зонная плавка.

Перегонка и переплавка в вакууме основана на различной летучести металлов. При определенной температуре происходит отгонка примесей от иене летучего металла и ли, наоборот, отгонка более летучего металла от примесей.

При термической диссоциации соединений будучи летучих некоторые металлы легко отделяются от примесей при высокой температуре TiI4 = Ti + 2I2.

Зонная плавка основана на различной растворимости примесей в твердом и расплавленном металле. Процесс заключается в том, что через высокотемпературную зону очень медленно передвигается стержень из очищаемого металла. Проходя через высокотемпературную зону, металл стержня плавится. По мере передвижения стержня образующаяся в нем узкая жидкая фаза перемещается в противоположном направлении. В этой зоне расплавленного металла собираются примеси которые постепенно перемещаются в конец стержня, входящий в горячую зону последним. Такая операция повторяется многократно, конец стержня, содержащий примеси, механически отделяется от более чистого металла.

Металлы в очень чистом состоянии имеют несколько иные свойства: высокой становится пластичность, электропроводность, теплопроводность.

 

 


mylektsii.ru - Мои Лекции - 2015-2018 год. (0.006 сек.)Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав Пожаловаться на материал