платина и сплавы на ее основе. Отчет по курсовому проекту На тему Легирование платины минск 2011 Содержание Введение
 Скачать 4.01 Mb.
|
|
Размещено на http://www.allbest.ru/ Министерство образования Республики Беларусь Белорусский национальный технический университет Механико-технологический факультет Кафедра “Материаловедение в машиностроении ” Отчет по курсовому проекту На тему: ЛеГИРОВАНИе ПЛАТИНЫ” Минск 2011 Содержание Введение 1. Свойства металлов 1.1 Положение в периодической системе Д.И. Менделеева 1.2 Электронная структура 1.3 Характеристика 1.4 Физические свойства 1.5 Технологические свойства 1.6 Кристаллическая структура 2. Способы получения платины 2.1 Формы нахождения платины в рудах 2.2 Получение платиновых металлов из россыпей 2.3 Извлечение платины при обогащении сульфидных платино-содержащих руд 3. Примеси в платине и влияние их на свойства 4. Основы легирования платины. Основные промышленные сплавы 5. то и ХТО платины 6. основные области применения платины и его сплавов Литература Введение Происхождение названия - платина. “Белое золото”, “гнилое золото”… Под этими названиями платина фигурирует в литературе XVIII в. Этот металл известен давно, его белые тяжелые зерна находили при добыче желтого металла. Из-за высокой тугоплавкости он оказался ни на что не пригодным и лишь затруднял очистку желтого металла. Название “платина” возникло вследствие сходства этого металла с серебром, название которого на испанском языке “plata”, что означает “серебришко”, “плохое серебро”. Вплоть до XVIII в. этот ценнейший металл вместе с пустой породой выбрасывали в отвал, а на Урале и в Сибири зерна самородной Платины использовали как дробь при стрельбе. В Европе Платину стали изучать с середины XVIII в., когда испанский математик Антонио де Ульоа привез образцы этого металла с золотоносных месторождений Перуанская республика. Были исследования, были споры - простое ли вещество платина или “смесь двух известных металлов - желтого металла и железа”. Обстоятельное изучение Платины в 1752 г. провел шведский химик Хенрик Шеффер, который доказал, что она является не смесью, а новым химическим элементом. В 1773-1774 гг. М. де-Лиль получил ковкую форму Платины. В 1783 г. Шабано запонтетовал процесс получения ковкой Платины. Начиная со второй половины XVIII веке Платиной, ее свойствами, методами переработки и использования стали интересоваться многие химики-аналитики и технологи, в том числе и ученые Петербургской академии наук. Наиболее важные работы в этой области в первой половине XIX в. - это создание методов получения ковкой Платины. Всемирную известность приобрели труды русского ученого и общественного деятеля А. А. Мусина-Пушкина (1760-1805). Еще в 1797 г. он открыл новые способы получения амальгамы Платины, а затем разработал совершенные методы ее ковки и очистки от железа. Работы Мусина-Пушкина были продолжены Архиповым, Варвинским, Любарским, Соболевским и др. В 1826 г. выдающийся инженер П.Г. Соболевский вместе с В.В. Любарским разработал простой и надежный способ получения ковкой Платины. Самородную Платину растворяли в царской водке, а из этого раствора, добавляя NH4Cl, осаждали хлороплатинат аммония (NH4)2[PtCl]. Этот осадок промывали, а затем прокаливали на воздухе. Полученный спекшийся порошок (губку) прессовали в холодном состоянии, а затем прессованные брикеты прокаливали и ковали. Этот способ позволял делать из уральской Платины предмета торговли высокого качества. Таким образом, Соболевский заложил основы порошковой металлургии. 21 марта 1827 г. в конференц-зале Петербургского горного кадетского корпуса на многолюдном торжественном собрании Ученого комитета по горной и соляной части были показаны изготовленные новым методом первые предмета торговли из русской Платины. Открытие П.Г. Соболевского и В.В. Любарского получило мировую известность. В 1828 г. Соболевский описал свой способ получения ковкой Платины в Петербургском “Горном журнале” под названием: “Об очищении и обработке сырой Платины”. Благодаря предприимчивости министра финансов Е. Ф. Канкрина с 1828 г. в Российской Федерации стали выпускать платиновые монеты достоинством в 3, 6 и 12 российских рублей; на это было затрачено около 14.5 т Платины. В 1913 г. под руководством Н. Н. Барабошкина на базе исследовательских работ, проведенных в лаборатории Петербургского горного института, в г. Екатеринбурге начали строительство аффинажного завода для переработки добываемой шлиховой Платины. В 1916 г. начали выпускать лишь губчатую Платину и только в 1923 г. стали выделять спутники Платины. 1. Свойства металла 1.1 Положение в периодической системе Менделеева Платина - символ Pt (лат. Platinum; исп. Plata — серебро), химический элемент 6-го переходного периода периодической системы. Для него характерно заполнение 5d-электронных орбиталей при наличии одного или двух s-электронов на более высоких 6s- электронных орбиталях. Таблица 1- Характеристика атомов платины.
Будучи элементом переходного периода, платина характеризуется различным степенями окисления. В большинстве своих соединений платина проявляет степени окисления +2 и +4. С этими степенями окисления, благодаря высоким зарядам, небольшим ионным радиусам и наличию незаполненных d-орбиталей, она представляет собой типичный комплексообразователь. Так, в растворах все его соединения, включая простые (галогениды, сульфаты, нитраты), превращаются в комплексные, поскольку в комплексообразовании участвуют ионы соединений, присутствующих в растворе, а также вода. Поэтому гидрометаллургия платины основана на использовании ее комплексных соединений. 1.2 Электронная структура Платина относится к «переходным» металлам периодической системы, которые отличаются от остальных элементов недостроенностью d- и f-уровней электронной оболочки. При этом «бывшие» электроны недостроенных а- и f-уровней изолированных атомов вместе с валентными электронами образуют коллективизированную подсистему кристаллической решетки. Последнее определяет большое разнообразие физико-химических свойств переходных металлов, причем особое место здесь занимают металлы VIII группы (в том числе и платиновые) расположенные в концах IV и V периодов. Атомы этих металлов характеризуются существенной локализацией d-электронов. Если ряд Зd-элементов завершается известными магнитноупорядоченными металлами-ферромагнетиками — железом, кобальтом, никелем, то ряды 4d-и 5d-элементов — благородными металлами (4d — рутений, родий, палладий; 5d — осмий, иридий, платина) характеризующимися повышенной коррозионной стойкостью, жаропрочностью, особым комплексом физико-механических свойств. У платины, так же как у осмия и иридия, застраивается 5d-оболочка при наличии электронов во внешней 6s-оболочке. Электронная конфигурация платины может быть записана как 5d96s. Как известно, форма и протяженность поверхности Ферми определяют механические, технологические и электрические свойства металлов. Электронные свойства оказывают решающее влияние на такие характеристики, как электросопротивление, электропроводность, т.э.д.с, верхпроводимость, фото-, термо- и вторичная эмиссии. Наиболее полную информацию о свойствах металла можно получить с помощью представлений о поверхности Ферми, ее форме, площади, плотности состояний. Поверхность Ферми — это изоэнергетическая поверхность в пространстве квазиимпульсов, отделяющая заполненные электронные состояния от незаполненных . Форма и топологические особенности поверхности Ферми того или иного металла определяются взаимодействием электронных волн с атомными плоскостями кристалла (отражения Вульфа — Брэгга) и числом валентных электронов. Экспериментальное построение поверхностей Ферми металлов основано на изучении ряда физических свойств. 1.3 Характеристика Платина (лат. Platinum, обозначается символом Pt) — химический элемент с атомным номером 78 и атомной массой 195,08. Является элементом третьей триады (платиновые металлы) восьмой группы шестого переходного периода периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева. Платина — серовато-белый пластичный ковкий благородный металл. Семьдесят восьмой элемент один из самых тяжелых (плотность 21,5 г\см3) и тугоплавких металлов, в горячем состоянии хорошо прокатывается и сваривается. В природе платина представлена следующими изотопами: 190Pt и 192Pt (эти изотопы являются слабо радиоактивными); 194Pt (32,9 %), 196Pt (25,2 %), 198Pt (7,19 %). Существует немало сведений о том, что самородная платина была известна с древнейших времен народам, проживающим на различных континентах: от Южной Америки до Эфиопии. В Европе сведений о платине не существовало вплоть до XVI века, первым упомянул этот «весьма огнестойкий» металл итальянский врач Скалингер в 1557 году. Исследовать платину ему позволили находки испанских конкистадоров, обнаруживших в Южной Америке вместе с самородным золотом очень тяжелый белый тусклый металл, который никак не удавалось расплавить. За столь малую обрабатываемость и, как следствие, малую пригодность испанцы нарекли новый металл platina, что является уменьшительным производным от испанского наименования серебра — plata. Если дословно перевести на русский язык, то мы получим пренебрежительное название столь благородного металла — «серебришко». Из Испании платина отправилась в Англию, но это произошло гораздо позднее — лишь в 1748 году — когда морской офицер А. де Ульоа привез первые образцы Pt в Лондон. Можно считать, что только с этого момента ученые Европы действительно заинтересовались этим металлом, занявшись изучением его свойств. Примерно в это же время платина признается самостоятельным металлом (ранее она считалась белым золотом), а в 1803 году английский химик У. Волластон впервые получает платину в чистом виде. Если в XVI веке испанцы вменяли в вину платине ее высокую тугоплавкость, то современная промышленность широко использует это ее качество в совокупности с высокой химической стойкостью при изготовлении лабораторной посуды из этого металла: тигли, чашки, лодочки и прочие. В химической промышленности семьдесят восьмой элемент применяется для изготовления коррозионностойких деталей аппаратуры. Широко применение этого благородного металла в качестве катализатора (особенно при проведении окислительно-восстановительных реакций), ведь платина представляет собой первый, известный еще с начала XIX века гетерогенный катализатор. Платиновые аноды используются в ряде электрохимических производств: надсерной кислоты, перхлоратов, перборатов. Из платины изготовляют нагревательные элементы электрических печей и приборы для измерения температуры (термопары, термометры сопротивления). Не стоит забывать и о том, что платина один из драгоценных металлов, по этой причине она часто употребляется ювелирами при изготовлении драгоценностей и аксессуаров. Однако в наше время платину принято заменять более дешевыми металлами, возможно вскоре семьдесят восьмой элемент перестанет быть металлом ювелиров, так же как он когда-то перестал быть монетным металлом. Четвертая часть от производимой платины расходуется на нужды электротехники, автоматики, радиотехники и телемеханики. Ведь наиболее долговечные и стабильные электроконтакты и сплавы для радиотехники именно из платины — ПлИ-10, ПлИ-20, ПлИ-30 (платина-иридий). Платина применяется и как антикоррозионное покрытие — платинирование. Соли платины употребляются в фотографии, для живописи по фарфору и платинирования стекла; хлорная платина — важный реактив при количественном анализе. 1.4 Физические свойства Платина — серовато-белый блестящий пластичный в горячем состоянии хорошо прокатываемый и свариваемый металл, очень тугоплавкий (температура плавления 1769° C, температура кипения 4 170 °C) и труднолетучий (способна улетучиваться только при температуре электрической печи), кристаллизующийся в гранецентрированной кубической решетке с параметром a = 0,392 нм. Чистая платина, сплавленная в известковой печи, по цвету и блеску напоминает олово, однако серее его по оттенку. Платина (твердость по Бринеллю 390—420 МПа, твердость по Виккерсу 38—40) мягче железа, но тверже меди. Металл поддается полировке; вследствие высокой тягучести легко прокатывается в листы (платиновая жесть) и тончайшую проволоку. По своим пластическим качествам этот благородный металл уступает лишь двум другим — золоту и серебру, что усложняет его обработку в ювелирном деле в отличие от вышеназванных металлов. В то же самое время примесь любого другого платинового металла значительно снижает тягучесть семьдесят восьмого элемента. Так платина, которая идет на продажу обычно содержит до 2 % иридия, такая добавка делает ее более твердой и увеличивает способность противостоять химическим воздействиям. Платина, как и железо, легко сваривается при проковке в накаленном состоянии, чем прежде исключительно пользовались для получения сплошного металла из губчатой платины. Семьдесят восьмой элемент — один из самых тяжелых металлов, его плотность при температуре 20 °C составляет 21,5 г/см3. Для сравнения свинец почти в два раза легче платины (плотность Pb 11,34 г/см3), железо почти в три раза легче (плотность Fe 7,87 г/см3) этого благородного металла, а алюминий легче платины (плотность Al 2,70 г/см3) почти в восемь раз! Даже такие «тяжеловесы» как золото (плотность Au 19,3 г/см3) и тантал (плотность Ta 16,6 г/см3) уступают семьдесят восьмому элементу. Неудивителен тот факт, что изначально «непригодная» платина привлекла внимание именно фальшивомонетчиков и нечистых на руку ювелиров, ведь как заманчиво сэкономить дорогое золото и серебро (плотность 10,5 г/см3), заменив их тяжелой платиной. Тугоплавкость платины известна с давних времен, однако точно установить температуру плавления благородного металла не могли долгое время, так температура плавления Pt по Девиллю составляет 2 000 °C, по Виоллю 1 775 °C, при новейших исследованиях с помощью термоэлемента Ле-Шателье эта температура составила 1 760 °C. Линейный коэффициент теплового расширения для платины при 0 °C составляет 8,9∙10-6. Теплоемкость при 0 °C равна 0,0314 кал/(г∙°C) или 0,131 кДж/(кг∙К); теплопроводность — 0,17 кал/(см∙сек°C) или 71 вт/(м∙К). Удельное электросопротивление при 0 °C для платины составляет 9,81 Ом∙м∙10-8. Температурный коэффициент электросопротивления в коридоре 0—100° C равен 39,23∙10-4. Модуль нормальной упругости платины 17330 кгс/мм2. Предел прочности при растяжении — 14,3 кгс/мм2. Относительное удлинение при разрыве для платины составляет 31 %. Холодное деформирование упрочняет платину, относительное удлинение уменьшается от 31 до 1—2 %, а твердость по Виккерсу увеличивается до 90—95. Отжиг Pt приводит к восстановлению ее пластичности. Кроме всего прочего платина проявляет свойства парамагнетика. Характерным свойством платины является ее способность абсорбировать на поверхности некоторые газы, особенно водород и кислород. Склонность к абсорбции значительно возрастает у металла, находящегося в мелкодисперсном и коллоидном состоянии. Платина (особенно платиновая чернь) довольно активно поглощает кислород — сто объемов кислорода на один объем платиновой черни. Вследствие способности к абсорбции газов платину применяют в качестве катализаторов при реакциях гидрогенизации и окисления. 1.5 Технологические свойства Способность металла к пластической деформации определяется главным образом его чистотой (видом и содержанием примесей) и структурой — величиной зерна, размером субзерен, состоянием границ зерен и субзерен, а также средой, в которой производится деформация, ее скоростью и температурным режимом. Как известно, пластическая деформация в основном осуществляется путем скольжения или двойникования либо тем и другим одновременно. В г. ц. к. металлах преобладает первый вид деформации, причем напряжения, действующие в плоскостях скольжения, вызывают в кристаллической решетке сдвиги атомных слоев с наиболее плотной упаковкой, приводящие к поворотам и искажениям в решетке. Механизм деформации платины не отличается от механизма деформации других металлов с г. ц. к. решеткой. Как и в указанных металлах, скольжение происходит в основном по плоскостям (111) и (100), а преимущественным направлением скольжения является [110]. Деформация двойникованием в платине встречается относительно редко. Так, этот вид деформации наблюдали при помощи автоионного микроскопа в слое платины толщиной 5∙10‾8 м, электролитически осажденной на вольфрамовое острие при низких температурах (78 К). Двойникование проходило по плоскостям (111), а сами двойники представляли собой тонкие пластинки (в отличие от двойников роста). В большинстве случаев образование двойников объясняется дефектами структуры, свойственными каждому осажденному металлу. После пластической деформации при той же температуре в платине, осажденной на иридиевую подложку, наблюдали двойники, следы скольжения и трещины, образовавшиеся в процессе пластической деформации. И скольжение, и двойникование проходили по одним и тем же плоскостям (111), что свидетельствовало о том, что в платине при 78 К величины критических напряжений сдвига и механического двойникования имели один и тот же порядок. Платина — пластичный металл, деформация ее не представляет трудностей и обычно проводится вхолодную, причем все виды пластической деформации — протяжка проволоки (волочение), прокатка, вытяжка и т. п. — осуществляются одинаково легко. Высокая пластичность сохраняется до низких температур (около 196° С). В процессе деформации металл наклёпывается. Так твердость отожженной платины равна HV 40, после холодной деформации она повышается примерно до HV 100. Изучено влияние степени деформации при холодной прокатке на твердость платины физической чистоты, частично и полностью отожженной перед пластической деформацией. Твердость металла перед прокаткой составляла HV 63 и HV 36 соответственно. Отмечается, что в первом случае твердость с увеличением степени деформации повышалась незначительно и лишь при обжатиях выше 60% начинала заметно возрастать. Во втором случае наблюдалось резкое повышение этой характеристики даже при небольших обжатиях. Максимальной степени деформации (95%) соответствовали значения твердости HV 115 и HV 100. На степень упрочнения после холодной деформации влияет также чистота металла. Более свободная от примесей физически чистая платина меньше наклёпывается в процессе прокатки даже при несколько большей деформации. Влияние технологии изготовления полуфабриката проявляется не так резко, как влияние чистоты металла. Различие в свойствах прутка и листа, по-видимому, связано с меньшей однородностью деформации и соответственно большим наклепом металла при плоской прокатке по сравнению с протяжкой и волочением. Изделия из платины, так же как и из других благородных металлов, изготовляют способом листовой прокатки, как правило, по обычной технологии, без специальных технологических операций. Выбор схемы прокатки определяется чистотой обрабатываемого металла, необходимыми размерами готовых листов и полос, назначением изделий и техническими условиями на них. Технологическая схема изготовления изделий листовой прокаткой состоит из нескольких операций: обработки давлением, термической обработки и (если требуется) химической обработки. Листовую прокатку платины и ее сплавов обычно проводят в холодном состоянии (за исключением сплавов и биметаллов с высоким содержанием родия, иридия и других легирующих элементов) на двухвалковых прокатных станах с диаметром валков от 220 до 420мм и длиной бочки от 280 до 900 мм. Заготовки для проката полуфабрикатов, предназначенных для изготовления стеклоплавильных сосудов, можно получать методом плазменного переплава. Последующую прокатку ведут с небольшими единичными обжатиями и малыми суммарными степенями деформации, а промежуточные отжиги производят при несколько более высокой, чем обычно, температуре. 1.6 Кристаллическая структура Платина имеет гранецентрированную кубическую структуру типа Cu(A1). Параметр кристаллической решетки платины при комнатной температуре составляет 0,392 нм. Исследование проводили на металле чистотой 99,99% с основными примесями-0,001% Rh; 0,002% Са; 0,001% Mg и 0,001% Fe. Параметр решетки был определен также рентгеновским методом показанинейный характер температурной зависимости этой характеристики в интервале от —190 до 1709° С. Отмечается хорошее соответствие полученных результатов с данными других исследователей. |