Кинетика окисления сплава АК9М2, легированного скандием

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2017, том 60, №10_

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 669.715.541.127

Академик АН Республики Таджикистан И.Н.Ганиев, Дж.Т.Ашурматов , С.С.Гулов , А.Э.Бердиев КИНЕТИКА ОКИСЛЕНИЯ СПЛАВА АК9М2, ЛЕГИРОВАННОГО СКАНДИЕМ

Институт химии им. В.И.Никитина АН Республики Таджикистан, Таджикский технический университет им. академика М.С.Осими

Термогравиметрическим методом исследована кинетика окисления сплава АК9М2, легированного скандием, в твердом состоянии. Показано, что добавки скандия в пределах изученной концентрации уменьшают окисляемость исходного сплава АК9М2.

Ключевые слова: сплав АК9М2, скандий, термогравиметрический метод, кинетика окисления, истинная скорость окисления, энергия активации.

Сплавы системы алюминий-кремний (силумины) служат основой большинства литейных алюминиевых композиций, широко применяемых в качестве конструкционных материалов для фасонного литья в автотракторной отрасли и авиастроении, строительстве, транспорте и других областях промышленности. В связи со структурными особенностями литых сплавов (грубыми хрупкими включениями кремния и интерметаллических фаз) прочностные характеристики силуминов невысокие, особенно низка пластичность. Для улучшения структуры и механических свойств литейных промышленных сплавов алюминия регулируют режимы плавки и литья, условия кристаллизации отливок (литья в песчаные и металлические формы, под давлением и т.д.).

Структура бинарных сплавов системы Al-Si при обычных условиях кристаллизации состоит из двух фаз, то есть твердого раствора кремния в алюминии (a-Al) и эвтектики (a-Al+Si) [1, 2]. Твердый раствор на основе алюминия представляет собой сравнительно мягкую и пластичную фазу, а кремний характеризуется высокой твердостью и хрупок. Поэтому функцию фазы упрочнителя в бинарных силуминах выполняет кремний.

Для изучения кинетики окисления алюминиевого сплава АК9М2, легированного скандием в изотермических условиях, использовали термогравиметрический метод, основанный на непрерывном взвешивании твердого сплава. Подробная методика исследования приведена в работах [3-5].

Для исследования влияния скандия на кинетику окисления сплава АК9М2 в твердом состоянии была синтезирована серия сплавов с содержанием скандия от 0.01 до 0.5% по массе. Исследование проводили в атмосфере воздуха при температурах 773, 823 и 873 К. Результаты исследования представлены на рис. 1-3 и в табл. 1, 2.

Кинетические кривые окисления сплава АК9М2 в твердом состоянии (рис. 1а) характеризуются боле растянутым процессом формирования оксидной плёнки на начальном этапе окисления. Скорость окисления данного сплава в зависимости от времени и температуры незначительно увели-

Адрес для корреспонденции: Бердиев Асадкул Эгамович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/2, Институт химии АН РТ. E-mail: gulov72@mai.ru

чивается. Однако рост удельной массы образца к 15 минутам приобретает постоянное значение, равное 1.6 кг/м2 при 823 К. Истинная скорость окисления, вычисленная по касательным, проведённым от начала координат к кривым и рассчитанная по формуле K=g/s•Лt, составляет 2.4 10-4 и 3.210-4 кг м-2 сек-1 соответственно при температурах 773 и 823 К. Кажущаяся энергия активации окисления, вычисления по тангенсу угла наклона прямой зависимости ^К-1/Т, составляет 123.6 кДж/моль (табл. 1).

При температурах 773 и 873 К значение истинной скорости окисления сплава, содержащего 0.01 мас.% скандия, изменяется от 2.3710-4 до 3.1510-4 кг м-2 сек-1 (рис.1б). Кажущаяся энергия активации при этом составляет 129.1 кДж/моль.

Таблица 1

Кинетические и энергетические параметры процесса окисления сплава АК9М,

легированного скандием, в твердом состоянии

Содержание скандия в сплаве АК9М2. мас.% Температура окисления, К Истинная скорость окисления, К10-4. кгм-2с-1 Кажущаяся энергия активации окисления,

кДж/моль

773 2.41

0.0 823 2.67 123.6

873 3.21

773 2.37

0.01 823 2.62 129.1

873 3.15

773 2.34

0.05 823 2.57 133.5

873 2.94

773 2.12

0.1 823 2.43 138.8

873 2.75

773 1.88

0.5 823 2.34 145.7

873 2.62

Рис 1. Кинетические кривые окисления сплава АК9М2 (а), легированного скандием, в твердом состоянии,

мас.% Sc: 0.01 (б); 0.05 (в).

Кинетические кривые процесса окисления сплава АК9М2, содержащего 0.05 мас.% скандия, приведены на рис. 1в. Данный сплав подвергался окислению при температурах 773, 823 и 873 К. Кинетические кривые подчиняются гиперболическому закону. Истинная скорость окисления составляет

величину 2.3410-4 и 2.9410-4 кгм~2сек_1 при 773 и 873 К. Кажущаяся энергия активации при этом составляет 133.5 кДж/моль.

Рис. 2. Квадратичные кинетические кривые окисления сплава АК9М2, легированного скандием, в твердом состоянии, мас.% Sc: 0.1 (а); 0.5 (б).

Таблица 2

Математические модели кривых окисления сплава АК9М2, легированного скандием, в твердом состоянии

Содержание е 2

Sc в сплаве АК9М2, мас.% Температура окисления, К Уравнения кривых окисления 3 1 -е § т Л ор Ко КК

773 у=-5Е-07х5+4Е-05х4-0.001х3+0.0032х2 + 0.15х 0.999

0.0 823 у = 1Е-06х4 + 6Е-05х3 - 0.0082x2 + 0.213х 0.998

873 у = 4Е-07х4 + 0.0002x3 - 0.0132x2 + 0.2903х 0.997

773 у=9Е-06х4-0.0004х3-0.0012х2+0.2371х 0.998

0.1 823 у=-1Е-06х5+0.0001х4-0.0027х3+0.0159х2+0.2824х 0.999

873 у=-9Е-07х5+7Е-05х4-0.0017х3+0.001х2+0.4229х 0.999

773 у = 8Е-06х4 - 0.0003x3 - 0.0034x2 + 0.2378х 0.996

0.5 823 у=-6Е-07х5+4Е-05х4-0.0009х3-0.004х2+0.3267х 0.998

873 y=9E-08x5+4E-07x4-2E-05x3- 0.0122x2 + 0.425^ 0.998

Квадратичные кинетические кривые окисления и их алгоритмы для сплава АК9М2 с содержанием 0.1 и 0.5 мас.% скандия в координатах представлены на рис. 2 и в табл. 2. Непрямолинейный характер кривых свидетельствует о гиперболическом механизме окисления сплавов (рис. 2).

Квадратичные кинетические кривые окисления сплава АК9М2 с содержанием скандия 0.1 мас.% приведены на рис.2а. Исследования проведёны при температурах 773, 823 и 873 К. Значения истинной скорости окисления данного сплава при исследованных температурах 773 и 873 К имеет величины 2.1210-4 и 2.75 10-4 кгм-2 с1. При этом значение кажущейся энергии активации составляет 138.8 кДж/моль (табл. 1).

На рис.2б приведены квадратичные кинетические кривые окисления сплава АК9М2, содержащего 0.5 мас.% скандия, полученные при температурах 773, 823 и 873 К. Характер кривых показывает, что окисление сплава протекает по гиперболическому закону с диффузионными затруднениями, процесс заканчивается на 10-й минуте. Истинная скорость окисления изменяется от 1.88 10-4 до 2.6210-4 кгм-2с-1, кажущаяся энергия активации достигает величину 145.7 кДж/моль.

На рис.3 изображены зависимости lgK-1/T для сплава АК9М2, содержащего 0.01; 0.05; 0.1; 0.5 мас.% скандия, которые имеют прямолинейный характер. Видно, что кривые окисления, относящиеся к сплавам со скандием, располагаются ниже кривой исходного сплава.

Рис. 3. Зависимость lgK от 1/T для сплава АК9М2 (1), легированного скандием, мас.%: 0.01(2); 0.05(3); 0.1(4); 0.5(5).

Поступило 15.09.2017 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. - М.: Металлургия, 1979, 640 с.

2. Строганов Г.Б., Ротенберг В.А., Гершман Г.Б. Сплавы алюминия с кремнием. - М.: Металлургия, 1977, 271 с.

3. Бердиев А.Э., Ганиев И.Н., Гулов С.С. и др. Кинетика окисления твердого сплава АК7М2. легированного германием. - Изв. вузов. Химия и химическая технология, 2013, т. 56, № 3, с.28-30.

4. Иброхимов Н.Ф., Ганиев И.Н., Ганиева Н.И., Бердиев А.Э. Влияния празеодима на кинетику окисления сплава AMr2, в твердом состоянии. - Металлы, 2015, №4, с.15-19.

5. Бердиев А.Э., Ганиев И.Н., Гулов С.С. Кинетика окисления твердого сплава АК7М2 + 0.05 Sr, легированного германием. - Изв. вузов. Цветная металлургия, 2014, №3 с. 97-101

6. Назаров Ш.А., Ганиев И.Н., Ганиева Н.И. Кинетика окисления сплава Al+6% Li, модифицированного иттрием. - Вестник СибГИУ, 2016, №4(8), с.13-19.

7. Ганиев И.Н., Назаров Х.М., Одинаев Х.О. Сплавы алюминия с редкоземельными металлами. -Душанбе: Маориф, 2004, 190 с.

8. Умаров М.А., Ганиев И.Н., Бердиев А.Э. Кинетика окисления сплавов свинца с магнием. в твердом состоянии. - Известия СПбГТИ(ТУ), 2016, №35(61), с.34-38.

9. Бердиев А.Э., Ганиев И.Н., Гулов С.С. Силумины, модифицированные элементами подгруппы германия и стронция. - Германия: Изд. Дом LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011, 142 c.

10. Раджабалиев С.С., Ганиев И.Н., Амонов И.Т., Бердиев А.Э. Кинетика окисления сплава Al+2.18 % Fe, модифицированного, свинцом и висмутом, в твердом состоянии. - Вестник Таджикского технического университета, 2014, №4(28), с.69-72.

11. Олимов Н.С., Ганиев И. Н., Обидов З.Р., Ширинов М.Ч. Окисление сплавов системы AL-Ge, в жидком состоянии. - Расплавы, 2015 , №4 с.28-36.

12. Муллоева Н.М., Ганиев И.Н., Эшов Б.Б. Кинетика окисления сплавов Pb-Sr (Ba), в жидком состоянии. - Журнал физической химии, 2015, т. 89, №10, с. 1-5.

13. Азимов Х.Х., Ганиев И.Н., Амонов И.Т., Бердиев А.Э. Кинетика окисления сплава Al+2.18%Fe, модифицированного литием, в твердом состоянии. - Доклады Академия наук Республики Таджикистан, 2015, т.58, №1, с.67-71.

14. Саидов Р.Х., Ганиев И.Н., Бердиев А.Э., Эшова Д.Б. Влияния добавок некоторых металлов на кинетику окисления сплава Al4Sr, в жидком состоянии. - Вестник СибГИУ, 2016, №4(8), с.8 -13.

И.Н.Ганиев, Дж.Т.Ашурматов*, С.С.Гулов*, А.Э.Бердиев

КИНЕТИКАИ ОКСИДШАВИИ ХУЛАИ АК9М2, КИ БО СКАНДИЙ

ЧДВХДРОНИДА ШУДААСТ

Институти химияи ба номи В.И.Никитин Академияи илм^ои Цумхурии Тоцикистон, Донишго^и техникии Тоцикистон ба номи академик М.С.Осими

Бо усули термогравиметрй кинетикаи оксидшавии хулаи АК9М2, ки бо скандий чавхаронида шудааст, дар холати сахт омухта шудааст. Нишон дода шудааст, ки иловаи скандий дар худуди консентратсия тахкидшуда, оксидшавии хулаи аввалияи АК9М2-ро кам мена-мояд.

Калима^ои калиди: хулаи АК9М2, скандий, усули термогравиметрй, кинетикаи оксидшавй, суръ-ати уацщии оксидшавй, энергияи фаъол.

I.N.Ganiev, J.T.Achyrmatov, S.S.Gulov, A.E.Berdiev THE INFLUENCE OF SCANDIUM ON KIHETIC OXIDATION OF THE HARD

ALLOY AK9M2

V.I.Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan ,

M.Osimi Tajik Technikal University

The kinetics of oxidation of the alloy of АК9М2. alloyed by scandium in the hard state by termogravimetric method is investigated. It is shown that additions of scandium within the limits of the studied concentration diminish oxidableness of initial alloy of АК9М2.

Key words: AK9M2 alloy, scandium, thermogravimetric method, oxidation, kinetics of the oxidation, rate is the true activation energy.