 |
|
Алюминий и его сплавы
Алюминий и его сплавы по масштабам производства и применения в промышленности занимают одно из первых мест.
Плотность алюминия равна 2,7, температура плавления 658°С, хорошо поддается сварке, прокатке, ковке и другим механическим операциям. Механические свойства алюминия невысоки и в значительной степени зависят от характера термической обработки. ПДК в воде 0,04 мг/л. ц.
Стандартный электродный потенциал алюминия для реакции А13+ + 3е = А1 равен —1,66 В, т.е. он является достаточно активным металлом. Однако алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах благодаря склонности к пассивированию [7].
Коррозионная стойкость металлов оценивается десятибалльной шкалой (ГОСТ 13819-68). В случае равномерного разрушения металла скорость коррозии определяют по уменьшению массы металла после удаления продуктов коррозии. Эти сведения для алюминия приведены в таблице 1.5.
В пассивном состоянии поверхность алюминия покрыта пленкой, состоящей из AI2O3 или Аl2О3·Н2О толщиной от 5 до 100 нм в зависимости от условий эксплуатации. Пленка на алюминии обладает хорошим сцеплением с металлом и удовлетворяет требованию сплошности. Поэтому коррозионная стойкость алюминия во многом определяется величиной рН раствора (рисунок 1.11). Пленка на алюминии образуется при рН = 3-9. Алюминий стоек в атмосферных условиях и в средах, содержащих H2S, SO2, NH3, в воде при нагревании. В нейтральных растворах солей коррозия алюминия зависит от природы аниона. Галоидные ионы разрушают оксидную пленку. Причем ионы F- и С1- оказывают более сильное разрушающее действие, чем ионы Вг- и J-. Стойкость алюминия высока в растворах солей, обладающих окислительными свойствами, таких как хромокислые и азотнокислые. Поэтому алюминий применяют в производстве аммиачной селитры и капралактама.
Таблица 1.5 - Шкала коррозионной стойкости алюминия и алюминиевых сплавов
| Балл | |||||
| Уменьшение | ≤ 0,0003 | 0,0003- | 0,0015- | 0,003- | 0,015- |
| массы, г/(м2·ч) | 0,0015 | 0,003 | 0,015 | 0,031 | |
| Балл | |||||
| Уменьшение | 0,031-0,154 | 0,154-0,31 | 0,31-1,54 | 1,54-3,1 | > 3,0 |
| массы, г/(м2·ч) |
Коррозионная стойкость алюминия велика в концентрированных растворах азотной и серной кислот, которые обладают высокими окислительными свойствами.
При высоких концентрациях HNO3 коррозионная стойкость алюминия выше, чем нержавеющей стали марки 12Х18Н9. Поэтому алюминий используется в производстве концентрированной азотной кислоты по методу прямого синтеза.
Средние концентрации серной кислоты опасны для алюминия. Но он стоек в разбавленной и концентрированной H2SO4 при 20°С, а в олеуме — при температурах до 200 °С. Это позволяет использовать алюминий в производстве олеума и хлорсульфоновой кислоты [7].
3% NaCl+HCl ←→3%NaCl+NaOH
Рисунок 1.11 - Зависимость скорости коррозии за 24 часа — (1) и электродного потенциала (2) алюминия от рН хлоридного раствора
В фосфорной и уксусной кислотах, а также во многих органических средах алюминий при комнатной температуре устойчив. Алюминий и его сплавы широко применяют в промышленности в производстве уксусной кислоты и формальдегида. Алюминий достаточно стоек к действию уксусной кислоты любых концентраций от 1 до 99 масс.% при температурах, не превышающих 65°С. В кипящих растворах кислоты алюминий нестоек за исключением концентраций 98-99,8 % СН3СООН (табл. 1.6).
Таблица 1.6 - Скорость коррозии алюминия в уксусной кислоте (мм/год)
| Алюминий (99,7%) | Концентрация кислоты, масс.% | Температура, °С | Скорость коррозии, мм/год |
| 3-30 | 0,011 | ||
| - | кипение | 9,1 | |
| 20-50 | 0,08 | ||
| - | кипение | 6,4 | |
| 98-98,8 | 0,001 | ||
| - | 0,007 | ||
| - | кипение | 0,17 |
Сильное влияние на разрушение алюминия и его сплавов оказывает капельножидкая и парообразная ртуть. Достаточно непродолжительного контакта алюминия со ртутью, чтобы он начал быстро разрушаться в жидких средах, а иногда и во влажной атмосфере. Как показали исследования американских специалистов, коррозию алюминия в уксусной кислоте вызывает присутствие ртути в концентрации 0,000004 масс.%.
В производстве формальдегида из алюминия (чистота ≥ 99,5 %) изготавливают реакторы, дистилляционные колонны, теплообменники. Алюминиевые колонны для разделения формальдегидных растворов работают под давлением от 0,01 до 0,05 МПа. Для аппаратов с большим давлением употребляют сплав, легированный (в %): 3,5 Mg; 0,25 Сг; 0,1 Си; 0,1 Мn; 0,2 Zn; 0,45 Fe + Si. Срок службы этого сплава, так же как и чистого алюминия, оценивают в 10 лет.
Сернистые соединения в газовых средах на алюминий не действуют. Поэтому алюминий применяют при изготовлении аппаратов для вулканизации каучука и переработки сернистых нефтей.
Сухой хлористый водород и газообразный NH3 так же не действуют на алюминий. В щелочах защитная пленка на алюминии растворяется, коррозия протекает с водородной деполяризацией.
Коррозионная стойкость алюминия зависит во многом от наличия примесей в его составе. При необходимости иметь алюминий максимальной коррозионной устойчивости, применяемый для изготовления химической аппаратуры и плакирующего материала, следует использовать алюминий высокой чистоты, например, марки АВ1 и АВ2 с содержанием алюминия 99,90% и 99,85% соответственно, или, в менее ответственных случаях, марки А00 и АО с содержанием алюминия 99,7 % и 99,6 % .
Сплавы алюминия — дюралюмины — содержат: (2,0-7,0)% Сu; (0,4-1,8)% Mg; (0,3-0,9)% Мn (марки Д1, Д6, Д8, Д16, Д20).
Сплавы алюминия — силумины — имеют состав: (0,8-13,0)% Si; (0,2-4,5)% Сu; (0,5-13)% Mg (марки АЛ11, АЛ13, АЛ20, АЛ25).
Дюралюминий обладает высокой механической прочностью и низкой коррозионной устойчивостью. Его применяют в химической промышленности, защищая от коррозии плакированием чистым алюминием.
Силумины обладают хорошими литейными свойствами и коррозионной стойкостью в окислительных средах. Их поверхностный защитный слой состоит из AI2O3 и SiO2. Однако эти пленки разрушаются в щелочах и в плавиковой кислоте:
SiО2 + 2NaOH = Na2Si03 + Н2О
SiО2 + 4HF = SiF4 + 2H2О
Добавление марганца или магния в алюминиевомедный сплав улучшает его механическую прочность и коррозионную устойчивость. Эти сплавы под названием магналии содержат от 4 до 12% Mg, до 1 % Мn и иногда 0,1 % Ti (марки АМц и АМг) и сочетают в себе высокие механические и противокоррозионные свойства.
Сплавы на основе алюминия нестойки при контакте со многими металлами и сплавами. Особенно опасен контакт с медью и ее сплавами, а также с железом и сплавами на его основе [7].