Структура и термодинамические свойства алюминиевых сплавов с лантаном

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _____________________________________2012, том 55, №4__________________________________

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 669.715.620.193

М.Б.Разози*, Б.Б.Эшов, А.Б.Бадалов**, академик АН Республики Таджикистан И.Н.Ганиев

СТРУКТУРА И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С ЛАНТАНОМ

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

Отдел материаловедения и инженерии Открытого университета г. Маджлиси

(Исфахан, Иран),

Таджикский технический университет им.академика М.Осими

Получены сплавы алюминия с малыми добавками лантана. Изучены их микроструктура и твёрдость. Методами полуэмпирического и сравнительного расчёта определена и уточнена температура плавления интерметаллидов данной системы. Определены величины энтальпии растворения сплавов в калориметре с изотермической оболочкой.

Ключевые слова: сплавы - алюминий - лантаниды - интерметаллиды - теплота растворения -температура плавления - энтальпия.

Наличие большого запаса в земной коре (>7 мас.%), рентабельность производства и комплекс необходимых эксплуатационных характеристик, которымы обладают алюминиевые сплавы, делают их перспективными материалами для новейших областей техники и технологии. Однако качество материала, из которого различными технологическими способами получают изделия, зависит от многих факторов, в том числе от природы легирующих добавок и микроструктуры сплавов, определяющих их эксплуатационные характеристики.

Алюминий является родоначальником элементов подгрупп III группы, где проявляются все виды аналогии, кайносимметричности и периодичности [1,2]. Сплавы и интерметаллиды (ИМ) с использованием лантаноидов в качестве легирующих элементов придают им особые, необходимые для практических целей свойства [3,4].

Исследованием диаграммы состояния системы Л1-Ьа [5-7] установлено образование семи интерметаллидов. ИМ составов Л£цЬа3 и Л12Ьа плавятся конгруэнтно, а Л13Ьа, Л1Ьа, Л12Ьа3, Л1Ьа2 и Л1Ьа3 образуются по перитектическим реакциям. В сплавах системы кристаллизуются эвтектики Л1 +Л£„Ьа3 (Т=913 К), Л1пЬа3+Л12Ьа (Т=1493 К) и Ьа + Л1Ьа3 (Т=820 К).

В данной работе приведены результаты исследования микроструктуры и энтальпии растворения сплавов алюминия с малыми добавками лантана (0.05-6.0 мас.%). Определены значения температуры плавления интерметаллидов составов Л12Ьа, Л1Ьа2 и Л1Ьа3.

Адрес для корреспонденции: Эшов Бахтиер Бадалович; Mohammad Razazi. 734063, Республика Таджикистан, г.Душанбе, ул.Айни, 229/2. Институт химии АН РТ. E-mail: ishov1967@mail.ru; mohammad.razazi@yahoo.com

Для получения сплавов использованы алюминий чистотой 99.99% мас. и лантан чистотой 99.9% мас. Сплавы весом 50 г были получены в вакуумной печи сопротивления типа СНВЭ-1.3.1/16ИЗ в среде инертного газа при избыточном давлением 0.15 МПа в тиглях из оксида алюминия.

Структура сплавов исследована на микроскопе №топ XK-136 (Япония) с увеличением в 100, 200, 300 и 500 раз (рис.1). В качестве травителя использован 0.1% раствор плавиковой кислоты. Твердость сплавов по Бринеллю была измерена по стандартной методике на приборе ТШ-2. Средняя величина определена по результатам 3-4 измерений. Истирание сплавов (рис.2) измерено на разработанном нами приборе [8].

Рис.1. Микроструктура алюминиево-лантановых сплавов, содержащих мас. % лантана: а-0.05 (х300), б-0.5(х200), в-1.0(х300), г-2.0(х200), д-4.0(х500), е-6.0(х500).

Методом калориметрии растворения определена теплота растворения сплавов алюминия с малыми добавками лантана. Оптимальным растворителем, отвечающим требованиям калориметрии, оказался 0.5М раствор соляной кислоты. Навески исследуемых сплавов очень малы (1-10-3 моль) по сравнению с объёмом растворителя (1500 см3). Можно считать, что процесс растворения протекает при большом разбавлении, порядка 1:1100. Калориметрические опыты проведены при Т=298.15 К и давлении Р=697-702 мм рт.ст. (табл.1). Термометрическая и тепловая чувствительность калориметра составляет 10-4 К и ±0.08 Дж, соответственно.

г/мм2 ИВ, кг/мм

35 -

28 - 30 -

25 . 25 -

23 - 20 - у

19 . 15 Л

10 1

01234567

С,1э масс,%

Рис.2. Зависимость твёрдости (1) и истирания (2) сплавов системы А1^а от содержания лантана.

Таблица 1

Теплота растворения сплавов системы алюминий-лантан

Содержание La, мас.% Номер опытов Масса навески, г Молярная масса, г/моль Теплота растворения образца, Дж Энтальпия растворения, (-ЛН°298^ог) Дж/моль Усредненное значение (ЛН°298,80і) Дж/моль

1 0.0580 9.87 4422.3

о С? °* ^ 2 0.0624 10.22 4445.7

3 0.0690 26.982 10.68 4394.0 4601.0±70

4 0.0796 12.43 4413.5

5 0.0834 12.74 4329.5

1 00.0212 8.44 1069.14

0.05 2 0.0300 27.04 10.54 9685.97 9561.0±600

3 0.0400 11.19 8827.94

1 0.0210 7.67 9585.96

0.1 2 0.0350 27.07 9.95 8349.23 8598.6±300

3 0.0398 11.99 8860.48

1 0.0230 764 9546.02

0.5 2 0.0322 27.42 11.64 9559.39 9539.2±300

3 0.0350 12.97 9512.22

1 0.0240 8.25 8497.3

1.0 2 0.0288 27.86 10.76 8762.4 8800.6±300

3 0.0320 12.21 9142.2

1 0.0200 6.83 9326.81

2.0 2 3 0.0320 0.0354 28.75 8.47 8.76 7697.77 7117.99 7728.5±300

4 0.0451 9.83 6771.51

1 0.0280 6.97 7571.47

4.0 2 3 0.0341 0.0420 30.495 7.73 7.96 7029.66 5683.07 6564.1±300

4 0.0600 10.05 5972.28

1 0.0256 5.75 7189.43

6.0 2 3 0.0300 0.0398 32.26 6.45 7.29 7171.67 6071.07 6820.2±300

4 0.0650 12.20 6848.57

Таблица 2

Температура плавления

AlxLay Состав интерметаллида

a- AlnLa3 Al3La A^La AlLa Al2La3 AlLa2 AlLa3

а 1188 1443 1678 1146 - - 823

б 1190 1440 1682 1150 1065 984 873

Методами полуэмпирического [9] и сравнительного расчёта [10] определены и уточнены температуры плавления ИМ системы Al-La (табл.2).

Исследование микроструктуры сплавов показало их соответствия диаграмме состояния системы Al-La. Основой фазой в структуре являются упрочненные кристаллы алюминиевого твёрдого раствора. По границам алюминиевого твёрдого раствора располагается эвтектическая смесь, состоящая из твердого раствора алюминия и кристаллов твёрдого интерметаллида, богатого алюминием (а -Al+ эвт. (a-Al+ AlnLa3)). С ростом добавки лантана доля эвтектической составляющей сплава увеличивается, что обуславливает рост твёрдости сплавов (рис.2, 1-линия). С повышением твёрдости сплавов улучшаются их триботехнические свойства (рис.2, 2-линия).

Найденные расчётным путем значения температуры плавления соединений системы Al-La хорошо коррелируются с литературными данными.

По экспериментальному значению энтальпии растворения алюминия рассчитано значение энтальпии образования гидратированных ионов Al3ag , равное 529.6 кДж/моль, которое хорошо согласуется со справочными данным [11]. Как видно из табл.2, при малых добавках лантана (до 0.05 масс.%) наблюдается резкое увеличение значение энтальпии растворения, что, возможно, связано с растворимостью лантана в алюминии. В изученном интервале изменения содержания лантана с ростом его концентрации в сплавах наблюдается уменьшение значения энтальпии растворения сплавов.

Поступило 28.11.2011 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия. - М.: Высшая школа, 2004, 527с.

2. Новиков Г.И. Основы общей химии. - М.: Высшая школа, 1988, 431с.

3. Серебренников В.В. Химия редкоземельных металлов. - Томск: Изд-во Томского ун-та, 1959, т.1, 362 с: 1961, т.2, 276 с.

4. Зеликман А.Н., Меерсон Г.Н. Металлургия редких металлов. - М.: Металлургия,1973, 608 с.

5. МондольфоЛ.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. - М.: Металлургия, 1979, 639 с.

6. Диаграмма состояния двойных металлических систем: Д.44.Справочник в 3 т./ Под общ. ред.

Н.П.Ляхичева. - М.: Машиностроение, 1996, 992 с.

7. Massalski T.B. е! al. Binary alloy phase diagrams, 1986, v.1, 250 p.

8. Бахшоиш М.Р., Разози М.Б. Патент № 63814 от 18.11.2009,

9. Полуэктов Н.С., Мешкова С Б. и др. - ДАН СССР, 1982, т.266, №5, с.1157-1159.

10. Киреев Б.А.Методы практических расчётов в термодинамике химических реакций. - М.:Химия, 1975,535 с.

11. Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник. - Минск.: Современ.шк., 2005, 608 с.

М.Б.Разози*, Б.Б.Эшов, А.Б.Бадалов**, И.Н.Ганиев

СОХТОР ВА ХОСИЯТ^ОИ ТЕРМОДИНАМИКИИ ХУЛА^ОИ АЛЮМИНИЙ БО ЛАНТАН

Институти химияи ба номи В.И.Никитини Академияи илмхои Цумхурии Тоцикистон, Шуъбаи маводшиноси ва инженерии донишго^и озоди Мацлисй (Исфа^он, Эрон), Донишго^и техникии Тоцикистон ба номи акад. М.Осими

Хулахои алюминий бо иловаи хурди лантан хосил карда шуд. Микросохтор ва сахтии онхо омухта шудааст. Бо усулхои нимэмпирикй ва мукоисавй харорати гудозиши интерметаллидхои системаи Al-La муайян ва аник карда шудааст. Бузургихои энталпияи халшавии хулахо дар калориметрии пардаи изотермй дошта муайян карда шудааст.

Калима^ои калиди: хула - алюминий - лантаноидно - интерметаллид%о - гармии %алшавандаги -%арорати гудозиш - энтальпия.

M.B.Razazi*, B.B.Eshov, A.B.Badalov**, I.N.Ganiev STRUCTURE AND THERMODINAMICAL PROPERTE OF ALLUMINUM-LANTANUM ALLOY

V.I.Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan, Department of Material Science and Engineering of Islamic Ozod University Majlesi branch,

(Isfahan,Iran),

M. Osimi Tajik Technical University

In this work we stadied microstructure and hardness of alluminum-lantanum alloy and we determined the melting point and solving entalpy of intermetalids and their alloy Key words: alloy - alluminum - lantanum - intermetalids - melting point - solving entalpy.