Кинетика окисления сплавов Zn5Al и Zn55Al, легированных бериллием

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _____________________________________2011, том 54, №6__________________________________

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 669.017.11

Р.Н.Амини , академик АН Республики Таджикистан И.Н.Ганиев, З.Р.Обидов

КИНЕТИКА ОКИСЛЕНИЯ СПЛАВОВ Zn5Al И Zn55Al, ЛЕГИРОВАННЫХ БЕРИЛЛИЕМ

Институт химии им. В.И.Никитина АН Республики Таджикистан,

Отдел металлургии открытого университета г.Маджлиси, Исфахан, Иран

Приведены результаты исследования кинетики окисления сплавов Zn5Al и Zn55Al, легированных бериллием. Показано, что добавки бериллия в пределах 0.005-0.01 мас.% незначительно увеличивают окисляемость исходных сплавов.

Ключевые слова: кинетика окисления - цинк-алюминиевые сплавы Zn5Al, Zn55Al - термогравиметрический метод - окисление сплавов - бериллий.

Исследование кинетики окисления твердых металлов и сплавов с кислородом газовой фазы представляет научный и практический интерес. В процессе такого взаимодействия сплав загрязняется оксидными включениями, ухудшается качество поверхности, понижаются механические свойства изделий. Определение кинетических параметров и механизма окисления позволит получить дополнительную информацию о процессе окисления.

Целью настоящей работы явилось изучение влияния температуры и химического состава на кинетику окисления сплавов Zn5Al, Zn55Al, легированных бериллием, в твердом состоянии. Для решения поставленной задачи применяли метод термогравиметрии с непрерывным взвешиванием образцов [1-3].

Исходным материалом для синтеза сплавов служили цинк марки ч.д.а., алюминий марки А7 и его лигатура с бериллием (2% Ве). Сплавы для исследования получали в шахтной печи сопротивления типа СШОЛ в интервале температур 750...850°С. Взвешивание шихты производили на аналитических весах АРВ-200 с точностью 0.1-10-6 кг. Перед исследованием образцы очищали от образующегося оксида. Шихтовка сплавов проводилась с учётом угара металлов. Состав сплавов контролировался гравиметрическим методом и выборочно анализом на электронном микроскопе SEM (Южная Корея).

Окисления твердых сплавов проводили на воздухе, для чего измеряли увеличение массы образца вследствие роста оксидной плёнки во времени при постоянных температурах 573, 598 и 623 К. Истинную скорость окисления вычисляли по касательным, проведённым от начала координат к кривым, и рассчитывали по формуле: K = g/s •At, а значение кажущейся энергии активации процесса окисления вычисляли по тангенсу угла наклона прямой зависимости lgK-1/T. Результаты исследования представлены в табл. 1 и 2.

Адрес для корреспонденции: Резо Амини Начофободи; Обидов Зиёдулло Рахматович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/2, Институт химии АН РТ. E-mail: reza.amini@mail.ru; z. r. obidov@mail.ru

Таблица 1

Кинетические и энергетические параметры процесса окисления твердого сплава 2п5А1, _______________________________легированного бериллием________________________________________

Содержание бериллия в сплаве, мас.% Температура окисления, К Истинная скорость окисления К-10-4, кг-м-2-сек-1 Кажущаяся энергия активации, кДж/моль

- 573 2.30 140.24

598 2.77

623 3.21

0.005 573 2.39 100.65

598 2.97

623 3.60

0.01 573 2.87 78.80

598 3.35

623 4.05

0.05 573 3.09 67.55

598 3.89

623 4.69

0.1 573 3.48 43.15

598 4.08

623 4.85

0.5 573 3.95 35.31

598 4.46

623 5.00

1.0 573 4.32 26.72

623 5.41

2.0 573 4.84 19.39

598 5.33

623 5.93

Таблица 2

Кинетические и энергетические параметры процесса окисления твердого сплава 2п55А1,

легированного бериллием

Содержание бериллия в сплаве, мас.% Температура окисления, К Истинная скорость окисления К-10-4, кг-м-2-сек-1 Кажущаяся энергия активации, кДж/моль

- 573 3.33 165.32

598 3.75

623 4.16

0.005 573 3.46 143.27

598 3.98

623 4.45

0.01 573 4.73 115.12

598 5.05

623 5.53

0.05 573 5.06 96.68

598 5.48

623 5.82

0.1 573 6.29 81.87

598 6.64

623 6.98

0.5 573 6.70 65.50

598 7.07

623 7.56

1.0 573 6.82 60.45

598 7.13

623 7.68

2.0 573 7.15 47.04

598 7.40

623 7.96

Кинетику окисления исходных сплавов Zn5Al и Zn55Al в твердом состоянии исследовали при температурах 573, 598 и 623 К. Сформировавшаяся оксидная плёнка в начальных стадиях процесса, по-видимому, не обладает достаточными защитными свойствами, о чем свидетельствует рост скорости окисления от температуры (табл. 1, 2). С ростом температуры наблюдается увеличение истинной скорости окисления исходного сплава Zn55Al, которая составляет 3.33-10"4 и 4.16-10"4 кг-м-2-сек-1, соответственно при температурах 573 и 623 К. Кажущаяся энергия активации окисления исследуемого сплава составляет величину 165.32 кДж/моль (табл. 2).

Исследованием процесса окисления сплавов Zn5Al и Zn55Al, легированных от 0.005 до 2.0 мас.% бериллием, при указанных температурах в атмосфере воздуха установлено, что введение бериллия в количествах 0.005-0.05 мас.% оказывает незначительное воздействие на окисляемость исходных сплавов. Дальнейшее увеличение концентрации легирующего компонента (0.1-0.5 мас.%) плавно повышает окисление указанных сплавов. При легировании данных сплавов 1.0-2.0 мас.% бериллием наблюдается заметное повышение окисляемости исходных сплавов, что является неперспективным в плане работы конструкции при высоких температурах (табл. 1, 2).

Ценную информацию о кинетике окисления сплавов можно получить, исследуя продукты их окисления, то есть оксидную плёнку, формирующуюся на поверхности образца при его нагреве.

Продукты, образующиеся при окислении сплавов Zn5Al и Zn55Al, легированных бериллием, исследованы на электронном микроскопе SEM. Показано, что имеет место образование как простых оксидов ZnO, A12O3, ВеО, так и оксидов сложного состава Al2O3-ZnO, ZnO-ВеО.

В целом, по данным экспериментальных исследований кинетики окисления твердых сплавов Zn5Al и Zn55Al, легированных бериллием, установлено, что сплавы, содержащие 0.5-2.0 мас.% бериллия, по сравнению с низколегированными бериллием сплавами (0.005-0.1 мас.%) обладают наибольшим значением истинной скорости окисления и наименьшей величиной кажущейся энергии активации. Минимальное значение скорости окисления относится к цинк-алюминиевым сплавам, содержащим 0.005 мас.% бериллия. Выявлено, что легирующий компонент незначительно увеличивает окисляемость исходных сплавов Zn5Al и Zn55Al в пределах 0.005-0.01 мас.% бериллия.

Поступило 04.05.2011 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лепинских В.М., Киселев В.И. - Известия АН СССР. Металлы, 1974, № 5, с. 51-54.

2. Лепинских Б.М., Киташев А.А., Белоусов А.А. Окисление жидких металлов и сплавов. - М.: Наука, 1979, 116 с.

3. Обидов З.Р., Ганиев И.Н. Анодное поведение и окисление сплавов систем Zn5Al-ЩЗМ и Zn55Al-ЩЗМ. - Германия: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2011, 156 с.

Р.Н.Амини*, И.Н.Ганиев, З.Р.Обидов

КИНЕТИКАИ ОКСИДШАВИИ ХУЛА^ОИ Zn5Al ВА Zn55Al, КИ БО БЕРИЛЛИЙ ЧАВ^АРОНИДА ШУДААНД

Институти химияи ба номи В.И.Никитини Академияи илмх;ои Цум^урии Тоцикистон, *Шуъбаи металлургии Донишго^и озоди ш.Мацлисй, Исфа^он, Эрон

Бо усули термогравиметрй нишон дода шудааст, ки иловаи бериллий ба хулах,ои Zn5Al ва Zn55Al суръати оксидшавии онх,оро каме зиёд менамояд.

Калима^ои калиди: кинетикаи оксидшавй - хулауои ру^-алюминий Zn5Al, Zn55Al -усули термогравиметрй - оксидшавии хулауо - бериллий.

R.N.Amini*, I.N.Ganiev, Z.R.Obidov KINETIC OXIDATION ALLOYS OF Zn55Al AND Zn55Al, ALLOYED WITH BERRYLIUM

V.I.Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan, *Department of Metallurgy of Majlesi Azad University, Isfahan, Iran Results of studied kinetics of oxidations of Zn5Al and Zn55Al alloys, which have alloyed with beryllium, have been brought. They are shown that small amounts of beryllium within 0.005-0.01 wt.% a little increase the rate of oxidation of alloys.

Key words: kinetics of oxidation - Zinc-Aluminium alloys Zn5Al, Zn55Al - thermogravimetrical method -oxidation of alloys - Beryllium.