Какие изделия изготавливаются из сплава железа с алюминием?

• Обозначение — Al (Aluminium);
• Период — III;
• Группа — 13 (IIIa);
• Атомная масса — 26,981538;
• Атомный номер — 13;
• Радиус атома = 143 пм;
• Ковалентный радиус = 121 пм;
• Распределение электронов — 1s22s22p63s23p1;
• t плавления = 660°C;
• t кипения = 2518°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,61/1,47;
• Степень окисления: +3, 0;
• Плотность (н. у.) = 2,7 г/см3;
• Молярный объем = 10,0 см3/моль.

Алюминий (квасцы) впервые был полуен в 1825 году датчанином Г. К. Эрстедом. Изначально, до открытия промышленного способа получения, алюминий был дорооже золота.
Алюминий является самым распространенным металлом в земной коре (массовая доля составляет 7-8%), и третьим по распространенности среди всех элементов после кислорода и кремния. В свободном виде в проироде алюминий не встречается.

Важнейшие природные соединения алюминия:

• алюмосиликаты — Na2O·Al2O3·2SiO2; K2O·Al2O3·2SiO2
• бокситы — Al2O3·nH2O
• корунд — Al2O3
• криолит — 3NaF·AlF3

Алюминий в Периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева, стоит под номером «13», относится к 13(IIIа) группе (См. Атомы 13(IIIа) группы).

Рис. Строение атома алюминия.

Алюминий химически активный металл — на его внешнем электронном уровне находятся три электрона, которые участвуют в образовании ковалентных связей при взаимодействии алюминия с другими химическими элементами (см. Ковалентная связь). Алюминий — сильный восстановитель, во всех соединениях проявляет степень окисления +3.

При комнатной температуре алюминий вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в атмосферном воздухе, с образованием прочной оксидной пленки, которая надежно препятствует процессу дальнейшего окисления (корродирования) металла, в результате чего химическая активность алюминия снижается.

Благодаря оксидной пленке алюминий не вступает в реакцию с азотной кислотой при комнатной температуре, поэтому, алюминиевая посуда является надежной тарой для хранения и трансопртирования азотной кислоты.

Физические свойства алюминия:

• металл серебристо-белого цвета;
• твердый;
• прочный;
• легкий;
• пластичный (протягивается в тонкую проволоку и фольгу);
• обладает высокой электро- и теплопроводностью;
• температура плавления 660°C
• природный алюминий состоит из одного изотопа 2713Al

Химические свойства алюминия:

• при снятии оксидной пленки алюминий реагирует с водой: 2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2;
• при комнатной температуре вступает в реакции с бромом и хлором с образованием солей: 2Al + 3Br2 = 2AlCl3;
• при высокой температуре алюминий реагирует с кислородом и серой (реакция сопровождается выделением большого кол-ва тепла): 4Al + 3O2 = 2Al2O3 + Q; 2Al + 3S = Al2S3 + Q;
• при t=800°C реагирует с азотом: 2Al + N2 = 2AlN;
• при t=2000°C реагирует с углеродом: 2Al + 3C = Al4C3;
• восстанавливает многие металлы из их оксидов — алюмотермией (при t до 3000°C) получают промышленным способом вольфрам, ванадий, титан, кальций, хром, железо, марганец: 8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe;
• с соляной и разбавленной серной кислотой реагирует с выделением водорода: 2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2; 2Al + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2;
• с концентрированной серной кислотой реагирует при высокой температуре: 2Al + 6H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O;
• со щелочами реагирует с выделением водорода и образованием комплексных солей — реакция идет в несколько этапов: при погружении алюминия в раствор щелочи происходит растворение прочной защитной оксидной пленки, которая находится на поверхности металла; после растворения пленки, алюминий, как активиный металл, реагирует с водой с образованием гидроксида алюминия, который взаимодействует со щелочью, как амфотерный гидроксид: Al2O3+2NaOH = 2NaAlO2+H2O — растворение оксидной пленки;
• 2Al+6H2O = 2Al(OH)3+3H2↑ — взаимодействие алюминия с водой с образованием гидроксида алюминия;
• NaOH+Al(OH)3 = NaAlO2+2H2O — взаимодействие гидроксида алюминия со щелочью
• 2Al+2NaOH+2H2O = 2NaAlO2+3H2↑ — суммарное уравнение реакции алюминия со щелочью.

История открытия

Первые попытки применения сплавов алюминия и железа были предприняты Фарадеем в 1820 году. Были попытки использовать сплав алюминия в качестве легирующего элемента для получения высокопрочной стали, но они оказались неэффективными.

Тщательные исследования были возобновлены после 1918 года в СССР, Германии, Англии. Было показано, что при добавлении Al возрастают жаропрочные свойства чугуна. Образцы обладают повышенной прочностью, хрупкостью, стойко переносят контакт с кислыми средами, не склонны к образованию окалин.

Было обнаружено, что появление окалин зависит от толщины оксидной плёнки на образцах: чем она толще, однороднее, тем выше защита поверхности. Важно, чтобы окислы не формировали эвтектическую фазу и не подвергались возгонке, а их ионная проводимость была минимальной.

Условием жаростойкости образца являются потери с окалиной в пределах 2-10-3–4-10-3 г/см2/ч.

Множество проведённых исследований сплавов Fe и Al закончились определением их химических и физических свойств. Это связано с проблемами газового насыщения образцов, угаром алюминия, формированием внутренних оксидных плёнок, разрушением образцов при нормальных условиях.

Наиболее перспективными оказались сплавы с содержанием от 16 до 20% Al и 3% углерода, получившие название «чугаль». Именно их начали выплавлять в СССР.

Позже группа изобретателей во главе с З. Эмингером разработала технологию производства качественных отливок железоалюминиевых образцов. Благодаря этому были получены новые данные.

Менделеев

«Биография Дмитрия Менделеева» — Высота мениска. Медаль Х. Дэви. Обложка первой публикации. Выдвинул в 1880 году идею подземной газификации углей. Исследования в области газов. Естествоиспытатель. Основатели Русского химического общества. Периодический закон. Гейдельбергский период. Определения физических констант. Принимает участие в первом Международном химическом конгрессе.

«Химия Менделеев» — Иван Павлович Менделеев — отец Д. И. Менделеева. Золотая медаль АН СССР (ныне — РАН) имени Д. И. Менделеева. Награды академии и общества. Воздухоплавание. Чемоданы Д. И. Менделеева. Освоение крайнего севера. Монумент, установленный с фасадной стороны факультета пищевой и химической технологии в Братиславе.

«Менделеев биография» — Скульптор Петин В. П. Мрамор, гранит. Менделеев Д.И. Учение о промышленности Д.Менделеева. Члены комиссии по обследованию Уральских горных заводов. СССР 1 рубль 1984 год (Д.И.Менделеев). Автор известного учебника «Основы химии». Дмитрий Иванович Менделеев (слева) и Клеменс Вииклер. Памятники великому ученому Д.И.Менделееву.

«Менделеев Дмитрий Иванович» — Д.И.Менделеев с детьми –Владимиром и Ольгой. «Трудился –вот и стал гением!»- говорил Дмитрий Иванович. Строение атома (1911г .Э.Резерфорд). С 1861 года Дмитрий Иванович преподавал в Петербурге. Прочно и плодотворно только приобретённое своим трудом. Любовь Менделеева («Прекрасная дама») и Александр Блок.

«Жизнь Менделеева» — «Если не будешь знать имен, то умрет и познание вещей» К.Линей. Жизнь и деятельность Д.И.Менделеева. Открытие периодического закона. 18 июля Д.И.Менделеев окончил Тобольскую гимназию. Семья. Мария Дмитриевна Менделеева (1793 — 1830), мать ученого. 1834, 27 января (6 февраля) – родился Д.И.Менделеев в городе Тобольске, в Сибири.

«Менделеев и охрана окружающей среды» — Химия гидросферы. Выбор горючего материала. Использование «повсюдных веществ». Требования к производственным процессам. Сокращение потерь в производственном процессе. Д.И. Менделеев. Работы учёного по химии атмосферы. Д.И. Менделеев о проблемах охраны природы. Предложения. Химия атмосферы. Величайший русский учёный.

Состав и структура

Структура сплава алюминия с железом представляет собой пересыщенный раствор Al в α-Fe с упорядочением структуры FeAl (тип В2), наличием включений Fe3AlCx. Свойства определяются упорядочением альфа-фазы и пересыщением. Чтобы сформировать однородный состав, необходим отжиг при температуре выше упорядочения состава с последующим регулируемым охлаждением.

При количестве Al 8–14% формируется столбчатая матричная структура. В процессе отжига структура немного упорядочивается: включения длиной до 150 мкм находятся вдоль границы зёрен. Выделение включений происходит при охлаждении из твёрдой фазы.

Метастабильное состояние фазы определяется количеством включений. Отжиг позволяет их сократить до 2%. Чем больше в составе алюминия, тем больше создаётся негомогенных областей, в результате чего понижается микротвёрдость матрицы до 0,4 ГПа и износостойкость образца.

С увеличением скорости отжига при водяном или воздушном охлаждении количество карбидных включений снижается.

14-20% сплав алюминия с железом имеет также матричную структуру, но карбидная фаза обеднена по Al и структура FeAl не упорядочена. При отжиге на воздухе количество карбидных включений возрастает, за счёт чего повышаются свойства износостойкости и прочности. Если проводить охлаждение в воде, то такого эффекта не наблюдается и образец получается хрупким.

При повышенном содержания в сплаве Al от 20 до 30% карбидной фазы становится меньше, при охлаждении образцов данная фаза отсутствует в структуре или не более 3%. За счёт большого количества алюминия образец приобретает высокую прочность и пластичность. Воздушное охлаждение после отжига стимулирует образование твёрдых износостойких фаз.

Увеличение содержания алюминия в расплаве становится причиной формирования интерметаллида Fe4Al13, который не устраняется после отжига, а образец становится непригодным для какого-либо практического применения.

Для улучшения свойств расплава в состав вводятся следующие легирующие элементы:

• 0,1–10% Cr;
• 0,1–0,2% Nb;
• 0,1–2,0% Si;
• 0,1–5% B;
• от 50 до 200 мг/кг Zr.

Содержание углерода — от 100 до 500 мг/кг.

Температура плавления

Сварка алюминия со сталью аргонодуговым способом

Перед началом сварочного процесса кромки металлов рекомендуется очистить и нанести на них защитное покрытие. Самое доступное по цене из них — цинковое.

Присадочный материал в этом случае — проволока марки АД1 из алюминия с присадкой кремния (он хорошо влияет на формирование диффузионной прослойки стабильного качества) или проволока из сплава АК-5.

Важно! АМг-6 не рекомендуют применять, поскольку эта присадка дает низкую прочность сварного шва.

Чтобы подготовить стальную деталь к сварке, для стыкового соединения нужно скосить кромки под углом 70° для максимальной прочности соединения.

Кромки нужно тщательно очистить пескоструем или механически обработать, затем нанести поверхностный слой.

Аргонодуговую сварку алюминия и стали отличает расположение дуги: в начале сварки первого прохода оно удерживается на присадочном прутке, а в процессе сварки последующих проходов — на присадочном прутке и образующемся валике. Это обезопасит покрытие от преждевременного выгорания.

Во время сварочного процесса важно последовательно накладывать валики шва (зависит от вида соединения).

Выбор тока:

• сварка МИГ — происходит на постоянном сварочном токе обратной полярности;
• сварка ВИГ — бывает и на переменном сварочном токе, и на постоянном токе прямой полярности.

Величина сварочного тока должна зависеть от толщины свариваемого металла:

• до 3 мм: 110-130 А;
• 6-8 мм: 130-160 А;
• 9-10 мм: 180-250 А.

Характеристики и свойства

Сплавы железа и алюминия имеют следующие характеристики:

• количество циклов термического нагрева до 240, в зависимости от химического состава;
• предел прочности на растяжение 100 МПа;
• отличные литейные свойства сплава;
• допустимо применение легирующих элементов: Cr, Ni, Ti, Mo, Cu, B, Si, Nb, Zr.

Свойства сплава:

• хорошая свариваемость при условии термообработки выше +7000С;
• высокая химическая стойкость;
• необходимость формирования стабильной фазы расплава при температуре до 9000С;
• коррозионная стойкость.

Другие способы сварки алюминия со сталью

Лазерным способом пользуются не только для создания миниатюрных соединений, но и для того, чтобы получить длинные швы, например, в автомобильной промышленности. Этот способ позволяет тонко управлять тепломощностью импульсного лазерного излучения.

Чтобы получилось нахлёсточное соединение, нагрев лазером нужно вести со стороны стали. Она нагреется до температуры, когда алюминий уже расплавится, но останется твёрдой.

Прочность швов можно повысить с помощью присадки на основе алюминия.

Диффузионная

В этом сварочном процессе соединяемые детали не расплавляются. Но из-за их продолжительного контакта на высокой температуре образуются интерметаллидные фазы.

Электронно-лучевая

На сталь наносят буферные покрытия из титана, никеля и циркония: тогда сварочный процесс будет успешен.

Точечная контактная

Хорошее точечное соединение стали и алюминия получается не всегда, даже если варить на конденсаторных машинах с жестким режимом разряда.

Этого можно избежать, применив промежуточную биметаллическую ленту. Полученные точечные соединения по прочности можно сравнить с клепаными.

Изготовление

Сплав создаётся из отходов дюрали, алюминия и железа путём алитирования. В жаростойкую ёмкость (электродуговую печь) засыпают, очищенные от окалин и грязи, куски стали (степень очистки 99%), 49% смесь Al или алюминиевого сплава, содержащего 2% хлористого аммония, а затем спекают в атмосфере аргона. Температура термообработки может составлять от +9000С до +15000С.

Нагрев ёмкости осуществляют подачей тока на нагревательные элементы или через саму конструкцию, при условии её высокого омического сопротивления.

После нагрева выбирают оптимальный способ отжига, в зависимости от состава компонент, с последующим естественным охлаждением.

Особенности сварки алюминия со сталью

Соединение этих металлов позволяет изделиям из них совмещать их преимущества. Если нужно получить качественный сварной шов, обязательна подготовка металлов перед сварочным процессом и соблюдение технологии сварки.

Сварка алюминия и его сплавов со сталью имеет свои нюансы:

• у этих двух металлов большая разница в температурах: пока сталь только прогревается, алюминий уже становится жидким;
• коэффициент линейного расширения обоих металлов так же сильно различается, поскольку возникают значительные термонапряжения по линии перехода от стали к алюминию;
• разные теплопроводность и теплоёмкость металлов приводят к термическим напряжениям;
• в сварном шве может образоваться тугоплавкая окисная плёнка. Чтобы её устранить, рекомендуют использовать специальный флюс.

Качественное сварное соединение должно обладать пластичностью не ниже, чем у стали, и прочностью не ниже, чем у алюминия.

Для соединения алюминия и стали чаще всего используются аргонодуговая сварка с неплавящимся электродом или сварка через биметаллические вставки. В промышленности также используют сварку взрывом, диффузионную, лазерную, электронно-лучевую и точечную сварки.

Достоинства и недостатки

Преимущество сплава железа с алюминием — механические характеристики, которые сравнимы с некоторыми титановыми и никелевыми суперсплавами. Предел прочности при растяжении составляет до 100 МПа.

Другим достоинством является стойкость к окислению и коррозии при температурах до +7000С. При более высоких температурах допустимо применение таких конструкций, но без значительных механических нагрузок.

К недостаткам относят:

• хрупкость, проявляемую при определённых условиях эксплуатации и зависящую от температуры и нагрузок;
• при концентрации алюминия менее 12% сплав подвержен окислению, коррозии снижению пластичности;
• сложность получения стабильной фазы с заданными характеристиками;
• низкая прочность на растяжение.

Сплав легко расплавляется, что позволяет снизить расходы на его производство. Допустимо использование вторсырья, которое прошло соответствующие этапы очистки от примесей.