Главная страница
Навигация по странице:

  • 9.2.1. МИНЕРАЛЫ БЕРИЛЛИЯ

  • 9.2.2. СВОЙСТВА БЕРИЛЛИЯ

  • 9.2.3. СПЛАВЫ БЕРИЛЛИЯ

  • ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ 9.3.1. КРАТКИЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

  • 9.3.2. ПОЛУЧЕНИЕ ТИТАНА. ЕГО СВОЙСТВА

  • Целая. Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты


    Скачать 32.33 Mb.
    НазваниеУчебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты
    АнкорЦелая.doc
    Дата30.10.2017
    Размер32.33 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаЦелая.doc
    ТипУчебник
    #9974
    страница23 из 30
    1   ...   19   20   21   22   23   24   25   26   ...   30

    9.2. БЕРИЛЛИИ И ЕГО СПЛАВЫ
    В начале нашего века в справочниках и энциклопедиях о бе­риллии говорилось: «Практического применения не имеет». От­крытый еще в 1798 г. французским физиком Вакленом, бериллий 100 с лишним лет оставался «безработным» элементом, хотя хи­микам уже были известны его уникальные и очень полезные свой­ства. Для того чтобы эти свойства перестали быть «вещью в себе», необходимо было достичь определенного уровня в развитии науки и техники.

    9.2.1. МИНЕРАЛЫ БЕРИЛЛИЯ

    Бериллий - типично редкий элемент. На тонну земного вещества в среднем приходится лишь 4,2 г бериллия. Это, конечно, очень немно­го, но и не так уж мало, если вспомнить, что , например, такого извест­ного элемента, как свинец, на Земле вдвое меньше, чем бериллия. Обыч­но бериллий встречается как незначительная примесь в различных минералах земной коры. И лишь ничтожная часть земного бериллия сконцентрирована в собственно бериллиевых минералах. Их известно более 30, но только 6 из них считаются более или менее распространенными. Наиболее часто встречающимся минералом является берилл (ЗВеОА1203SiO2), известный человеку с доисторических времен. Кро­ме него промышленное значение имеют фенакит (Ве2SiO4), хризоберилл (ВеА12O4), бертрандит ВеSi2O7(OН)2), бериллит (Ве2ВаSi2O7), гельвит (Мn, Fе, Zn)8 (Ве6 Si4O24Sа). Бериллы встречаются в гранитных пегматитах, имеющихся почти во всех странах мира. Это красивые зеленова­тые кристаллы, достигающие иногда очень больших размеров; извест­ны бериллы-гиганты весом до тонны и длиной до 9 м.

    К сожалению, пегматитовые месторождения очень бедны, и добывать там берилл в широких промышленных масштабах не удается. Од­нако есть и другие источники бериллия, где его концентрация гораздо выше. Это так называемые пневмо-гидротермальные месторождения, образовавшиеся в результате взаимодействия высокотемпературных па­ров и растворов с определенными типами горных пород.

    9.2.2. СВОЙСТВА БЕРИЛЛИЯ

    Природный бериллий состоит из единственного устойчивого шпата 9Ве. Интересно, что бериллий - единственный элемент периодической системы, имеющий при четном номере один стабильный изотоп. Изве­стно еще несколько нестабильных радиоактивных изотопов бериллия.

    Многие ученые считают, что изотопы бериллия 10Ве и 7Ве образуются не в недрах Земли, а в атмосфере - в результате воздействия космических лучей на ядра азота и кислорода. Незначительные примеси этих изотопов обнаружены в дожде, снеге, воздухе и морских отложениях. Однако если собрать воедино весь 10Ве, находящийся в атмосфере, водных бассейнах, почве и на дне океана, то получится до­вольно внушительная цифра - около 800 т.

    Изотоп 10Ве (период полураспада 2,5∙106 лет) представляет исключительный интерес для геохимии и ядерной метеорологии. Рож­даясь в атмосфере, на высоте примерно 25 км, атомы 10Ве вместе с осадками попадают в океан и оседают на дне. Зная концентрацию 10Ве во взятой со дна пробе и период полураспада этого изотопа, можно вычислить возраст любого слоя на дне океана.

    Бериллий-10 аккумулируется также в морских илах и ископае­мых костях. В связи с этим возникло предположение о возможности определения возраста органических остатков по 10Ве.

    Жизнь другого изотопа (7Ве) значительно короче: период его полураспада равен всего 53 дням. Поэтому неудивительно, что ко­личество его на Земле измеряется граммами. Данный изотоп можно получить и в циклотроне, но этот способ - дорогостоящий. Поэто­му широкого применения этот изотоп не получил. Его используют иногда для прогнозирования погоды.

    Физические свойства 9Be

    Атомная масса

    9,0122

    Плотность, кг/м3

    1845

    Атомный радиус, Å

    ≈1,15

    Температура плавления, ºС

    1285

    модуль упругости, МПа

    280000


    Свойства бериллия чаще всего именуются «удивительными», «чудесными» и т. п. Отчасти это справедливо: по крайнем мере глав­ная «удивительность» заключается в сочетании противоположных, иногда, казалось бы, взаимоисключающих свойств. Одновременно бериллий обладает и легкостью, и прочностью, и теплостойкостью. Этот металл серебристо-серого цвета в полтора раза легче алюми­ния и в то же время прочнее специальных сталей. Особенно важно, что бериллий и многие его сплавы не утрачивают полезных свойств при температурах 700...800 °С и могут эксплуатироваться в таких условиях. Чистый бериллий очень тверд, - им можно резать стекло. К сожалению, твердости сопутствует хрупкость.

    Бериллий очень устойчив против коррозии. Как и алюминий, он покрывается при взаимодействии с воздухом тонкой окисной пленкой, защищающей металл от воздействия кислорода даже при высоких температурах. Лишь за порогом 800 °С идет окисление бе­риллия в массе, а при температуре 1 200 °С металлический бериллий сгорает, превращаясь в белый порошок ВеО.

    У бериллия малое сечение захвата нейтронов и большое сече­ние их рассеяния. Иными словами, бериллий (а также его оксид) рас­сеивает нейтроны, изменяет направление их движения и замедляет их скорость до таких величин, при которых цепная реакция может протекать более эффективно. Из всех твердых материалов берил­лий считается лучшим замедлителем нейтронов.

    К вышеотмеченному добавим, что бериллий может выполнять роль отражателя нейтронов: менять их направление, возвращать нейтроны в активную зону реактора, противодействовать их утеч­ке. Бериллию свойственна также значительная радиоактивная стой­кость, сохраняющаяся и при очень высоких температурах. На всех этих свойствах основано применение бериллия в атомной технике - он один из самых необходимых ей элементов.

    Замедлители и отражатели из бериллия и его окиси позволяют значительно уменьшить размеры активной зоны реакторов, увели­чить рабочую температуру и эффективнее использовать ядерное топ­ливо. Поэтому, несмотря на высокую стоимость бериллия, его ис­пользование считают экономически оправданным, особенно в не­больших энергетических реакторах для спутников и морских судов. Окись бериллия стала важным материалом для изготовления обо­лочек тепловыделяющих элементов (твэлов) атомных реакторов.

    Большая теплопроводность (в 4 раза выше, чем у стали), боль­шая теплоемкость и жаропрочность позволяют использовать берил­лий и его соединения в теплозащитных конструкциях космических кораблей. Из бериллия была выполнена внешняя тепловая защита капсулы космического корабля «Френдшип-7», на котором Джон Гленн первым из американских астронавтов совершил (после Юрия Гагарина и Германа Титова) орбитальный полет.

    Космическую технику еще в большей мере привлекает в бериллии легкость, прочность и, особенно, удельная прочность. Поэтому берил­лий и его сплавы все шире используются в космической, ракетной и авиа­ционной технике. В частности, благодаря способности сохранять высо­кую точность и стабильность размеров бериллиевые детали используют в гироскопах - приборах, входящих в систему ориентации и стабилиза­ции ракет, космических кораблей и искусственных спутников Земли.

    Бериллий амфотерен, то есть обладает свойствами и металла и неметалла. Однако металлические свойства все же преобладают. С водородом бериллий не реагирует даже при нагревании до 1 000°С, зато легко соединяется с галогенами, серой и углеродом. Из галогенов бериллия наибольшее значение имеют его фторид и хлорид, ис­пользуемые в процессе переработки бериллиевых руд. Бериллий хорошо растворяется во всех минеральных кислотах, кроме, как это ни странно, азотной. От нее, как и от кислорода, бериллий защищен окисной пленкой. Окись бериллия (ВеО) обладает ценными свой­ствами и в некоторых случаях конкурирует с самим бериллием.

    Высокая тугоплавкость (температура плавления 2570 °С), значи­тельная химическая стойкость и большая теплопроводность позво­ляют применять окись бериллия во многих отраслях техники, в част­ности для футеровки бессердечниковых индукционных печей и тиг­лей для плавки различных металлов и сплавов. Интересно, что окись бериллия совершенно инертна по отношению к металлическому бе­риллию. Это единственный материал, из которого изготовляют тиг­ли для плавки бериллия в вакууме.

    При горении бериллия выделяется много тепла - 63000 кДж/кг. Поэтому он может быть компонентом высокоэнергетического ра­кетного горючего.

    9.2.3. СПЛАВЫ БЕРИЛЛИЯ

    Бериллий легко образует сплавы со многими металлами, прида­вая им высокую твердость, прочность, жаростойкость и коррозион­ную стойкость. Лишь несколько легирующих элементов - медь, ни­кель, кобальт, и в меньшей мере железо, - образуют твердые раство­ры в бериллии. Большинство сплавов типа твердых растворов суще­ственно прочнее по сравнению с рафинированным металлом (из ко­торого удалены примеси). Однако легированием не удалось улучшить пластичность, - и был сделан вывод о невозможности этого.

    Бериллий образует множество интерметаллических соединений, которые часто играют важную роль как при разработке сплавов, так и при получении бериллиевых композитов. Например, возможность получения композитов Ве-Ti ограничена вследствие образования значительного количества ТiВе11 при температуре выше 705 °С.

    Алюминий является главной легирующей добавкой, не образу­ющей интерметаллического соединения с бериллием. Он почти не растворяется в твердом бериллии, так же как бериллий в алюминии, - таким образом сплавы Ве - А1 являются, по существу, смесью чистых металлов.

    С
    Рис. 86. Свойства сплава Be – Al в зависимости от содержания алюминия:

    а, б – в состоянии после деформации; в- после термической обработки
    плавы Ве - А1 обычно получают методом быстрой кристаллиза­ции, в результате которой образуется дисперсная смесь достаточно чистых бериллия и алюминия. В закристаллизованном материале алю­миний, как правило, образует непрерывную сетку, но последующая тер­мообработка приводит к возникновению двух смешанных фаз. Механические свойства сплавов определяются содержанием алю­миния, как это показано на рис. 86 для деформированного и отож­женного материала. Из гра­фика видно, что свойства при растяжении, включая модуль упругости, умень­шаются с увеличением со­держания алюминия. Наиболее часто исполь­зуемый сплав Ве - А1, имену­емый локаллоем, содержит 38 % (по массе) А1; его полу­чают в виде прессованных заготовок и горячекатаных листов. Эти сплавы были ис­пользованы в некоторых космических кораблях, глав­ным образом благодаря хо­рошей экструдируемости, легкости механической об­работки, лучшей формуемости по сравнению с нелеги­рованным бериллием. Одним из широко при­меняемых сплавов бериллия является бериллиевая бронза - материал, позволяющий решить многие сложные технические задачи. Бериллиевыми бронзами называют сплавы меди с 1…3% бериллия. В отличие от чистого бериллия они хорошо поддаются механической обработке, из них можно, на­пример, изготовить ленты толщиной всего 0,1 мм. Разрывная прочность этих бронз больше, чем у многих легированных сталей. Еще одна при­мечательная деталь: с течением времени большинство материалов, в том числе и металлы, «устают» и теряют прочность. Бериллиевые брон­зы - наоборот. При старении их прочность возрастает. Из них делают пружины, рессоры, амортизаторы, подшипники и многие другие изде­лия, от которых требуется большая прочность, хорошая сопро­тивляемость усталости в широком интервале температур, высокие элек­тро- и теплопроводные характеристики. Одним из потребителей этого сплава стала авиационная промышленность: утверждают, что в совре­менном тяжелом самолете насчитывается больше тысячи деталей из бериллиевой бронзы. Но, к сожалению, есть факторы, ограничиваю­щие применение бериллия, они вполне реальны и не учитывать их нельзя. Это, прежде всего, хрупкость металла. Она намного усложняет процесс его механической обработки, затрудняет получение больших листов бе­риллия и сложных профилей, необходимых в тех или иных конструкци­ях. Предпринимаются упорные попытки устранить этот недостаток. Но, несмотря на некоторые успехи ( изготовление металла высокой чисто­ты, различные технологические усовершенствования), получение плас­тичного бериллия продолжает оставаться трудной проблемой.

    Второе - токсичность бериллия. Допустимые пределы содержа­ния бериллия в воздухе очень малы - всего 0,001 мг/м3. Это значи­тельно меньше допустимых норм для большинства металлов, даже таких токсичных, как свинец. Тщательный контроль за чистотой воздуха, особые системы вентиляции, возможно большая автомати­зация производства - все это позволяет успешно бороться с токсич­ностью бериллия и его соединений.

    И наконец, третье, и очень важное - высокая стоимость берил­лия. Цена 1 кг его в США на сегодня составляют более 300 долла­ров, то есть бериллий в несколько раз дороже титана.

    Между тем рост потребления всегда приводит к технологичес­ким усовершенствованиям, которые, в свою очередь, способствуют уменьшению издержек производства и цены. В будущем спрос на бериллий возрастет еще больше: ведь этот металл человечество на­чало применять всего несколько десятилетий тому назад. И, конеч­но, достоинства бериллия возьмут верх над его недостатками. Те­перь несколько (их может быть гораздо больше!) ответов на вопрос: «Что может нам дать бериллий?». Самолет, вес которого вдвое мень­ше обычного; ракетное топливо с наивысшим удельным импульсом; боевые блоки ракет, которые в 2...2,5 раза легче алюминиевых; пружины, способные выдержать до 20 миллиардов (!) циклов нагруз­ки, - пружины, не знающие усталости, практически вечные.

    В 30-х годах академик А. Е. Ферсман назвал бериллий метал­лом будущего. Сейчас о бериллии можно и должно говорить как о металле настоящего [67 - 70].

    9.3. ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ

    9.3.1. КРАТКИЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

    Элемент титан открыт в 1791 г. английским любителем-минералогом Грегером в черных магнитных железистых песках в Корнуэле. Новый элемент был назван менакенитом. В 1795 г. немецкий химик Клапрот, исследовавший минерал рутил, установил, что он представ­ляет собой окисел нового элемента. Несколько лет спустя была дока­зана идентичность менакенита и титана. В 1849 г. за металлический титан принимали металлоидный карбонитрид титана, найденный в шлаках доменных печей. Относительно чистый титан был получен Хартером лишь в 1910 г. - спустя 120 лет после открытия элемента.

    Применение титана в виде химических соединений и присадок в спла­вы относится к первым десятилетиям нашего века. В годы второй миро­вой войны возник интерес к титану как к конструкционному материалу. Это привело к разработке промышленных способов получения ковкого титана и организации в начале 50-х годов в ряде стран (США, СССР, Англии) крупного производства титана и сплавов на его основе.

    9.3.2. ПОЛУЧЕНИЕ ТИТАНА. ЕГО СВОЙСТВА

    Организация промышленного производства титана была выз­вана потребностью получения материалов для конструкций мини­мальной массы при высокой их прочности. В таких материалах преж­де всего заинтересованы авиация и ракетная техника.

    По своей распространенности в земной коре титан занимает среди металлов четвертое место после алюминия, железа и магния. Содер­жание его в земной коре 0,61 %. Известно около 70 минералов титана. Из них наибольшее промышленное значение имеют рутил, ильменит, перовскит и сфен, являющиеся собственно титановыми минералами.

    Руды, из которых получают титан: рутил - ТiO2, ильменит - FeО ТiO2 и титаномагнезиты.

    Рутил обладает алмазно-металлическим блеском, прозрачен, красно-коричневого цвета, иногда желтоватый, синеватый, фиоле­товый, черный. Плотность 4180...4280 кг/м3. Крупные месторожде­ния рутила крайне редки.

    Ильменит - метатитанат железа FеТiO3 - наиболее распростра­ненный минерал титана. Впервые найден на Урале в Ильменских горах. Минерал бурого или буро-черного цвета, его плотность 4560...5210 кг/м3. Часто ильменит находится в тесной связи с магнетитом Fе3O4. Такие руды называют титаномагнетитами. Кроме того, известны гематитаноиль- мениты, в которых ильменит находится в смеси с гепатитом Fе2O3.

    Ильменит добывают преимущественно из речных и прибрежно-мор­ских россыпей, образовавшихся в результате выветривания различных горных пород. Месторождения титаномагнетитовых песков найдены на Украине. Из концентратов непосредственно получают три вида продук­тов: двуокись титана, ферротитан и четыреххлористый титан. Последний - основное исходное соединение в производстве металлического титана.

    В промышленности металлический титан обычно получают восстановлением четыреххлористого титана металлическим магни­ем или натрием в атмосфере инертного газа. Полученная при этом титановая губка маркируется по твердости выплавленных из нее об­разцов - ТГ100, ТГ105, ТГ110 и т.д. Для получения монолитного ти­тана губку размалывают в порошок, прессуют и спекают или пере­плавляют в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

    Для уменьшения количества примесей и более равномерного рас­пределения их по сечению слитка рекомендуется 2-3-разовая пере­плавка. Характерная для титановых слитков крупнозернистая струк­тура измельчается путем модификации цирконием или бором. По­лученный в результате переплава технический титан маркируется в зависимости от содержания примесей (табл. 41).

    Чистейший йодидный титан получают методом термической диссо­циации из четыреххлористого титана, а также методом зонной плавки.

    Титан имеет две аллотропические модификации. Низкотемпера­турная модификация Тіα, существующая до 882 °С (1155 К), имеет гек­сагональную плотноупакованную решетку с периодом а = 2,96 Å и с = 4,72 Å. Высокотемпературная модификация Тіβ имеет решетку объем­но-центрированного куба с периодом а = 3,32 Å при 900 °С (1173 К).

    Таблица 41
    1   ...   19   20   21   22   23   24   25   26   ...   30


    написать администратору сайта