Influence of tallium on the kinetics of oxidation of aluminum alloy AMg2 in the solid state

Abstract


Oxidation of metals and alloys is studied due to the fact that they play an important role in various fields of technology, however, information of this kind is insufficient. Since pure metals are rarely used as structural materials, the issues of oxidation of alloys, especially methods of increasing their resistance to oxidation, are, from an applied point of view, the most important aspects of high-temperature oxidation of alloys. The increased interest of researchers and manufacturers in aluminum-magnesium alloys is associated with their widespread use in industry. However, the development of such alloys is inextricably linked to the problem of their oxidation. There is limited information in the literature on the effect of the third component on the oxidizability of aluminum-magnesium alloys. The oxidation process of the alloys was investigated in air under isothermal conditions by the thermogravimetric method with continuous fixation of the sample mass for an hour at temperatures of 773K; 823K and 873K. On the basis of the experimental data, kinetic curves of oxidation were constructed and the values of the specific increase in mass from the amount of thallium in the AMg2 alloy, time and temperature were determined. It is shown that thallium additions and an increase in temperature increase the rate of oxidation of the initial alloy in the solid state. The apparent activation energy of the oxidation process of the aluminum alloy AMg2 is 100 kJ/mol and decreases to 47.90 kJ/mol for the alloy with 1.0 wt% thallium. The oxidation curves of the AMg2 aluminum alloy with thallium in the solid state are described by polynomials indicating the hyperbolic mechanism of this process.

Full Text

Для сплавов системы Al-Mg характерно сочетание удовлетворительной прочности, хорошей пластичности, свариваемости и коррозионной стойкости. Кроме того, эти сплавы отличаются высокой усталостной прочностью. В сплавах этой системы, содержащих до 6 % Mg, образуется эвтектическая смесь с участием фазы Al3Mg2 и твердого раствора магния в алюминии. Наиболее широкое распространение в промышленности получили сплавы с содержанием магния от 1 до 5 %. Рост содержания магния в сплаве существенно увеличивает его прочность и предел текучести. При этом относительное удлинение уменьшается незначительно [1]. Сплавы с содержанием магния до 3 мас. % не изменяют кристаллическую структуру при комнатной и повышенной температуре, даже в существенно нагартованном состоянии. С ростом концентрации магния в сплаве в нагартованном состоянии механическая структура сплава становится нестабильной. Кроме того, увеличение содержания магния свыше 6 % приводит к ухудшению коррозионной стойкости сплава. В сплавах с высоким содержанием магния существует тенденция к образованию интерметаллидной фазы Mg5Al8 по границам зерен и в областях локализованной деформации внутри микроструктуры [2]. Для улучшения прочностных характеристик сплавы системы Al-Mg легируют хромом, марганцем, титаном, кремнием или ванадием. Примеси меди и железа в сплавах этой системы нежелательны, поскольку они снижают их коррозионную стойкость и свариваемость. Сплавы можно применять во многих конструкциях, подверженных суровым атмосферным воздействиям, например в облицовочных панелях зданий, особенно в судостроении и конструкциях в прибрежных районах и в открытом море, включая нефтяные платформы. Сварные алюминиевые лодки и катера изготавливают исключительно из сплавов этой серии. В автомобилестроении из этих сплавов изготавливают штампованные детали корпуса и шасси благодаря хорошей комбинации прочности и форм заполняемости [2, 3]. Влияние добавок элементов подгруппы галлия на различные свойства алюминиево-бериллиевого сплава АБ1 исследовано авторами работ [4-8]. Цель данной работы заключается в исследовании влияния добавок таллия и температуры на кинетику окисления алюминиевого сплава АМг2 в твердом состоянии. Для изучения кинетики окисления алюминиевого сплава АМг2 c таллием нами использовался термогравиметрический метод, основанный на непрерывном взвешивании образца, который обычно прмиеняется при изучении высокотемпературной коррозии твердых металлов [9-17]. Материалы и методики эксперимента Для получения сплавов были использованы алюминий марки А85 (ГОСТ 11069-2001), магний металлический марки Мг90 (ГОСТ 804-93) и таллий металлический марки Тл (ГОСТ 18337-95). Сплавы алюминия с 2,0 мас. % магния были получены в вакуумной печи сопротивления типа СНВ-1.1/16ИЗ. Легирование алюминиевого сплава АМг2 таллием осуществляли в открытых шахтных печах типа СШОЛ под слоем флюса. Исследование процесса окисления сплавов проводили методом термогравиметрии, который основан на непрерывном взвешивании образцов. Для проведения исследований была собрана установка, принцип работы которой описан ранее в работах [18-27]. Тигель с исследуемым металлом помещался в изотермической зоне печи. Температуру повышали со скоростью 2-3 °С/мин. Перед разогревом печи катетометр настраивали на указатель пружины, записывали на шкале точки отсчета и в течение нагрева контролировали изменение массы образца. При достижении заданного режима записывали новую точку отсчета. Результаты исследования и их обсуждение Для исследования кинетики окисления алюминиевого сплава АМг2, легированного таллием, была синтезирована серия сплавов с содержанием таллия 0,01; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0 мас. %. Кинетические и энергетические параметры процесса окисления сплавов приведены на рис. 1-4 и в табл. 1, 2. Характер кинетических кривых окисления исходного алюминиевого сплава АМг2 показывает, что окисление на начальных стадиях протекает интенсивно, о чем свидетельствует рост величины удельной массы образцов (см. рис. 1, а). Истинная скорость окисления алюминиевого сплава АМг2 в зависимости от температуры изменяется в пределах от 1,02∙10-4 до 1,53∙10-4 кг∙м-2∙с-1 при 773 и 873 К соответственно. Кажущаяся энергия активации процесса окисления данного сплава, вычисленная по тангенсу угла наклона прямой зависимости ℓgK-1/Т, составляет 100,00 кДж/моль (см. табл. 1). Окисление сплава АМг2, содержащего 0,01 мас. % таллия, в твердом состоянии проводили при значениях температуры 773, 823 и 873 К. Кинетические кривые окисления сплава приведены на рис. 1, б. Скорость окисления сплава в зависимости от времени и температуры увеличивается. Однако рост величины удельной массы образца к 20-й минуте приобретает значение, равное 14,45·10-2 кг/м2 при 873 К. Далее рост удельной массы образцов замедляется и даже к 50-й минуте не становится постоянным. Кажущаяся энергия активации процесса окисления составляет 95,80 кДж/моль (см. табл. 1). Рис. 1. Кинетические кривые окисления алюминиевого сплава АМг2 (а) с таллием, мас. %: 0,01(б); 1,0(в) Рис. 2. Зависимость lgK от 1/Т для алюминиевого сплава АМг2 (1) с таллием, мас. %: 0,01 (2); 0,05 (3); 0,1 (4); 0,5 (5); 1,0 (6) Рис. 3. Изохронны окисления алюминиевого сплава АМг2 с таллием при 873 К Рис. 4. Квадратичные кинетические кривые окисления алюминиевого сплава АМг2, легированного таллием, мас. %: 0,05 (а); 0,1 (б); 0,5 (в) Таблица 1 Кинетические и энергетические параметры процесса окисления алюминиевого сплава АМг2 с таллием в твердом состоянии Содержание таллия в сплаве, мас. % Температура окисления, К Истинная скорость окисления K·104, кг·м-2·с-1 Кажущаяся энергия активации окисления, кДж/моль 0,0 773 1,02 100,00 823 1,22 873 1,53 0,01 773 1,04 95,80 823 1,32 873 1,59 0,05 773 1,19 87,09 823 1,41 873 1,69 0,1 773 1,34 76,64 823 1,52 873 1,75 0,5 773 1,51 61,80 823 1,76 873 1,91 1,0 773 1,73 47,90 823 1,88 873 2,05 Таблица 2 Результаты математической обработки квадратичных кинетических кривых окисления алюминиевого сплава АМг2, легированного таллием, в твердом состоянии Содержание таллия в сплаве, мас. % Температура окисления, К Полиномы квадратичных кинетических кривых окисления сплавов Коэффициент регрессии R 0,0 773 823 873 y* = -10-7x5 + 2·10-5x4 - 7·10-4x3 + 0,0126x2 - 0,0234x** y = -2·10-7x5 + 2·10-5x4 - 1,1·10-3x3 + 0,0192x2 - 0,0443x y = -2·10-7x5 +3·10-5x4 - 1,4·10-3x3 + 0,0256x2 - 0,0528x 0,998 0,998 0,999 0,01 773 823 873 y = -10-7x5 + 2·10-5x4 - 8·10-4x3 + 0,0125x2 - 0,009x y = -2·10-7x5 + 3·10-5x4 - 1,1·10-3x3 + 0,0195x2 - 0,0311x y = -310-7x5 + 4·10-5x4 - 1,8·10-3x3 + 0,0297x2 - 0,0374x 0,996 0,998 0,996 0,05 773 823 873 y = -10-7x5 + 2·10-5x4 - 8·10-4x3 + 0,0132x2 - 0,0099x y = -2·10-7x5 + 3·10-5x4 - 1,3·10-3x3 + 0,0222x2 - 0,0289x y = -3·10-7x5 + 4·10-5x4 - 1,9·10-3x3 + 0,0303x2 - 0,025x 0,997 0,996 0,996 0,1 773 823 873 y = -2·10-7x5 + 2·10-5x4 - 9·10-4x3 + 0,0146x2 - 0,0134x y = -3·10-7x5 + 3·10-5x4 - 1,5·10-3x3 + 0,024x2 - 0,0286x y = -4·10-7x5 + 5·10-5x4 - 2,2·10-3x3 + 0,0357x2 - 0,0373x 0,997 0,996 0,996 0,5 773 823 873 y = -2·10-7x5 + 2·10-5x4 - 8·10-4x3 + 0,0106x2 + 0,0354x y = -3·10-7x5 + 3·10-5x4 - 1,4·10-3x3 + 0,0211x2 + 0,0166x y = -4·10-7x5 + 5·10-5x4 - 2,2·10-3x3 + 0,0333x2 + 0,0033x 0,986 0,993 0,992 1,0 773 823 873 y = -2·10-7x5 + 2·10-5x4 - 10-3x3 + 0,0138x2 + 0,0379x y = -3·10-7x5 + 4·10-5x4 - 1,7·10-3x3 + 0,0258x2 + 0,0194x y = -5·10-7x5 + 6·10-5x4 - 2,7·10-3x3 + 0,0417x2 + 0,0061x 0,997 0,993 0,991 Примечание: y* - удельное увеличение массы образцов из сплавов (g/s); x** - продолжительность времени окисления (мин). Легирование алюминиевого сплава АМг2 1,0 мас. % таллия способствует некоторому увеличению истинной скорости окисления (см. рис. 1, в) и, соответственно, уменьшению величины кажущейся энергии активации окисления, по сравнению со сплавом, содержащим 0,01 мас. % таллия. Так, если при значениях температуры 773 и 873 К значение истинной скорости окисления сплава, содержащего 0,01 мас. % таллия, изменяется от 1,04·10-4 до 1,59∙10-4 кг∙м-2∙с-1 с энергией активации 95,80 кДж/моль, то при этих же значениях температуры скорость окисления алюминиевого сплава АМг2, содержащего 1,0 мас. % таллия, характеризуется величинами 1,73·10-4; 2,05∙10-4 кг∙м-2∙с-1 и при этом значение кажущейся энергии активации составляет 47,90 кДж/моль соответственно (см. табл. 1). Приведенная на рис. 2 зависимость lgK-1/Т для алюминиевого сплава АМг2 с таллием показывает, что с ростом температуры и содержания таллия скорость окисления сплавов растет. При окислении сплавов наблюдается медленное, но плавное нарастание толщины оксидной пленки, которое после 20 мин замедляется, но не полностью предотвращает процесс окисления. По мере роста толщины оксидной пленки скорость процесса окисления затормаживается, а с увеличением температуры растет. Добавки таллия в пределах 0,01-0,05 мас. % незначительно влияют на окисляемость алюминиевого сплава АМг2. Дальнейшее увеличение концентрации таллия в сплаве до 1,0 мас. % повышает скорость окисления исходного сплава АМг2 (см. рис. 3). На рис. 4 представлены квадратичные кинетические кривые окисления сплава АМг2 с таллием. В табл. 2 приведены результаты обработки квадратичных кинетических кривых окисления сплавов в виде зависимости (g/s)2-t для алюминиевого сплава АМг2, содержащего 0,01-1,0 мас. % таллия. Следует заключить, что характер окисления сплавов подчиняется гиперболической зависимости где значение n изменяется от 1 до 5 (см. табл. 2). Заключение Как известно, окисление сплавов при высоких температурах приводит к образованию на поверхности металла оксидной пленки, или окалины. Именно от природы окалины зависит механизм процесса окисления. Если образующаяся окалина твердая, характер окисления определяется тем, как плотно она прилипает к поверхности реагирования, или же она пористая. Плотная окалина служит преградой, которая разделяет металл и газообразный кислород. Применительно к изучаемой нами системе АМг2-Tl следует отметить, что легирование исходного алюминиевого сплава АМг2 таллием и образование оксида Tl2O3 снижает защитную способность пленки из оксида алюминия, превращая его из плотного в пористый, результатом чего является рост скорости окисления сплавов, о чем свидетельствует снижение величины кажущейся энергии процесса их окисления. Таким образом, методом термогравиметрии исследована зависимость скорости окисления алюминиевого сплава АМг2 от содержания таллия и температуры. Показано, что скорость окисления сплава АМг2 с ростом температуры и концентрации таллия увеличивается.

About the authors

I. N Ganiev

Institute of Chemistry named afther V.I. Nikitin of the National Academy of Sciences of Tajikistan

F. Sh Zokirov

Tajik Technical University named after academician M.S. Osimi

H. Ya Sharipova

Khatlon State Medical University

N. F Ibrokhimov

Tajik Technical University named after academician M.S. Osimi

References

  1. Сваривающиеся алюминиевые сплавы: свойства и применение / Д.И. Байков, Ю.С. Золотаревский, В.Л. Руссо [и др.]. - Л.: Судпромгиз, 1959. - 236 с.
  2. Алюминиевый информационный портал: сайт. - 2017. - URL: http://aluminium-guide.ru.
  3. Механические свойства сплава АМг5 в ультрамелкозернистом состоянии, полученного перемешивающей фрикционной обработкой листового проката различной толщины / А.А. Елисеев, Т.А. Калашникова, А.В. Филиппов [и др.] // Фундаментальные исследования. - 2016. - № 12. - С. 278-283.
  4. Влияние содержания галлия, индия и таллия на анодное поведение алюминиевого сплава АБ1 (Al+1%Вe) в нейтральной среде / Р.Д. Исмонов, И.Н. Ганиев, Х.О. Одиназода, А.М. Сафаров, М.З. Курбонова // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. - 2018. - № 2(24). - С. 22-26.
  5. Повышение анодной устойчивости сплава АБ1 (Al+1%Be) легированием индием / Р.Д. Исмонов, И.Н. Ганиев, Х.О. Одиназода, А.М. Сафаров // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2018. - Т. 22, № 8. - С. 123-130.
  6. Потенциодинамическое исследование сплава AБ1, легированного индием, в среде электролита 3%-ного NaCl / Р.Д. Исмонов, И.Н. Ганиев, Х.О. Одиназода, А.М. Сафаров // Известия АН Республики Таджикистан. - 2018. - № 1(170). - С. 78-83.
  7. Кинетика окисления сплава Al+1%Be, легированного галлием, в твердом состоянии / Р.Д. Исмонов, И.Н. Ганиев, А.М. Сафаров, Х.Х. Азимов // Вестник Таджикского национального университета. - 2017. - № 1/3. - С. 134-138.
  8. Анодное поведение сплава Al+1%Be, легированного празеодимом и неодимом, в среде электролита 3%-ного NaCl / Р.Д. Исмонов, И.Н. Ганиев, Х.О. Одинаев, А.М. Сафаров // ДАН РТ. - 2016. - Т. 59, № 1-2. - С. 67-75.
  9. Kofstad P. Oxidation of Metals determination of activation energies / Acta. Chem. Scond. - 1958. - Vol. 12, no. 4. - P. 239.
  10. Чистяков Ю.Д., Мальцев М.В. Электронографическое изучение процессов окисления алюминиевых сплавов // Кристаллография. - 1957. - Т. 2, вып. 5. - С. 628-633.
  11. Взаимодействие жидких металлов и сплавов с кислородом / Б.Ш. Белоусова, В.М. Денисов, С.А. Истомин [и др.]; УрОРАН. - Екатеринбург, 2002. - 600 с.
  12. Лепинских Б.М., Киташев А., Белоусов А.А. Окисление жидких металлов и сплавов. - М.: Наука, 1979. - 116 с.
  13. Лепинских Б.М., Киселев В.И. Об окислении жидких металлов и сплавов кислородом из газовой фазы // Известия АН СССР. Металлы. - 1974. - № 5. - С. 51-54.
  14. Лепинских Б.М., Белоусов А.А. Физико-химические свойства жидких сплавов щелочноземельных металлов с алюминием // Труды Института металлургии УНЦ АН СССР. - 1978. - № 31. - С. 29-39.
  15. Белоусов А.А., Лепинских Б.М. Изучение кинетики окисления жидких сплавов барий-алюминий / Рукопись деп. в ВИНИТИ. - № 555-76.
  16. Радин А.Я., Радин А.Я. Исследование кинетики окисления алюминиевых сплавов в жидком состоянии // Вопросы технологии литейного производства. - 1961. - Вып. 49. - С. 98-118.
  17. Максименко В.И., Максименко Л.С. Исследование кинетики окисления алюминия и его сплавов в жидком состоянии // Новое в теории и технологии металлургических процессов. - Красноярск, 1973. - С. 16-20.
  18. Умаров М.А., Ганиев И.Н., Бердиев А.Э. Кинетика окисления сплавов свинца с магнием, в твердом состоянии // Известия Санкт-Петербургского государственного технического института (технологического университета). - 2016. - № 35 (61). - С. 34-38.
  19. Кинетика окисления сплава Al+6%Li, модифицированного лантаном, в твердом состоянии / Ш.А. Назаров, И.Н. Ганиев, И. Калляри, А.Э. Бердиев, Н.И. Ганиева // Металлы. - 2018. - № 1. - С. 34-40.
  20. Ганиев И.Н., Ганиева Н.И., Эшова Д.Б. Особенности окисления алюминиевых расплавов с редкоземельными металлами // Металлы. - 2018. - № 3. - С. 39-47.
  21. Кинетика окисления алюминиевого сплава АК12М2, модифицированного барием, в твердом состоянии / Ф.Ш. Зокиров, И.Н. Ганиев, М.М. Сангов, А.Э. Бердиев // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). - 2020. - № 55 (81). - С. 28-33.
  22. Кинетика окисления твердого сплава АК7М2, легированного германием / А.Э. Бердиев, И.Н. Ганиев, С.С. Гулов, М.М. Сангов // Изв. вузов. Сер. Химия и химическая технология. - 2013. - Т. 56, № 3. - С. 28-30.
  23. Ганиев И.Н., Муллоева Н.М., Эшов Б.Б. Кинетика окисления сплавов Pb-Ca, в жидком состоянии // Журнал физической химии. - 2013. - Т. 87, № 11. - С. 1894-1897.
  24. Влияние кальция на кинетику окисления сплава АК12М2 в твердом состоянии / Ф.Ш. Зокиров, И.Н. Ганиев, Н.И. Ганиева, М.М. Сангов // Вестник Таджикского национального университета. - 2018. - № 4. - С. 130-138.
  25. Окисление сплавов системы Al-Ge, в жидком состоянии / Н.С. Олимов, И.Н. Ганиев, З.Р. Обидов, М.Ч. Ширинов // Расплавы. - 2015. - № 4. - С. 19-26.
  26. Норова М.Т., Ганиев И.Н., Эшов Б.Б. Кинетика окисления сплава АMг0.2 с лантаном, празеодимом и неодимом, в твердом состоянии // Известия Санкт-Петербургского государственного технического института (технологического университета). - 2018. - № 44 (70). - С. 35-39.
  27. Пулотов П.Р., Эшов Б.Б. Окисление промышленного сплава АМг3 с добавками редкоземельных металлов // Известия АН Республики Таджикистан. - 2017. - № 4 (169). - С. 81-89.

Statistics

Views

Abstract - 85

PDF (Russian) - 31

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies