Изменение физико-химических свойств материалов путем диффузии

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Химия»

на тему:

«Изменение физико-химических свойств материалов путем диффузии»

Екатеринбург

2008 г.

Содержание

1. Введение

2. Физические свойства меди

3. Химические свойства меди

4. Диффузия в металлах

5. Пайка меди и ее сплавов

6. Заключение

7. Список использованной литературы

1. Введение

Медь (лат.Cuprum) - химический элемент. Один из семи металлов, известных с глубокой древности. По некоторым археологическим данным - медь была хорошо известна египтянам еще за 4000 лет до Рождества Христова. Знакомство человечества с медью относится к более ранней эпохе, чем с железом; это объясняется с одной стороны более частым нахождением меди в свободном состоянии на поверхности земли, а с другой - сравнительной легкостью получения ее из соединений. Древняя Греция и Рим получали медь с острова Кипра (Cyprum), откуда и название ее Cuprum. Особенно важна медь для электротехники.

Большая роль меди в технике обусловлена рядом её ценных свойств и прежде всего высокой электропроводностью, пластичностью, теплопроводностью. Благодаря этим свойствам медь - основной материал для проводов; свыше 50 % добываемой меди применяют в электротехнической промышленности. Все примеси понижают электропроводность меди, а потому в электротехнике используют металл высших сортов, содержащий не менее 99,9 % Cu.

Однако в наши дни во всем мире электрические провода, на которые раньше уходила почти половина выплавляемой меди, все чаще делают из алюминия. Он хуже проводит ток, но легче и доступнее. Медь же, как и многие другие цветные металлы, становится все дефицитнее. Если в 19 в. медь добывалась из руд, где содержалось 6-9% этого элемента, то сейчас 5%-ные медные руды считаются очень богатыми, а промышленность многих стран перерабатывает руды, в которых всего 0,5% меди.

2. Физические свойства меди

Цвет меди красный, в изломе розовый, при просвечивании в тонких слоях зеленовато-голубой.

Металл имеет гранецентрированную кубическую решетку с параметром а = 3,6074; атомный номер 29;

атомная масса 63,546;

плотность 8,96 г/см ³ (при t = 20 °C);

атомный радиус 1,28; ионные радиусы Cu⁺ 0,98; Cu²⁺ 0,80;

температура плавления - 1083 °C;

температура кипения - 2600 °C;

удельная теплоёмкость - 385,48 дж/(кг·К), то есть 0,092 кал/(г·°C) (при t = 20 °C);

теплопроводность - 394,279 вт/(м·К), то есть 0,941 кал/(см·сек·°C) (при t = 20 °C);

электрическое сопротивление - 1,68·10^-8 ом·м (при t = 20 °C);

термический коэффициент линейного расширения - 17,0·10^-6;

медь диамагнитна; атомная магнитная восприимчивость - 5,27·10^-6;

твёрдость меди по Бринеллю - 350 Мн/м² (то есть 35 кгс/мм²);

предел прочности при растяжении - 220 Мн/м² (то есть 22 кгс/мм²);

относительное удлинение 60 %;

модуль упругости 132·10³ Мн/м² (то есть 13,2·10³ кгс/мм²);

Путем наклёпа предел прочности может быть повышен до 400-450 Мн/м², при этом удлинение уменьшается до 2 %, а электропроводность уменьшается на 1-3 %. Отжиг наклёпанной меди следует проводить при 600-700 °C. Небольшие примеси Bi (тысячные доли % ) и Pb (сотые доли % ) делают медь красноломкой, а примесь S вызывает хрупкость на холоде.

3. Химические свойства меди

Природная медь состоит из двух стабильных нуклидов 63Cu (69,09% по массе) и 65Cu (30,91%). Конфигурация двух внешних электронных слоев нейтрального атома меди 3 s 2 p 6 d 10 4s 1.

В периодической системе Менделеева медь расположена в четвертом периоде и входит в побочную подгруппу I группы, к которой относятся такие благородные металлы, как серебро и золото.

Медь химически малоактивный металл. В сухой атмосфере медь практически не изменяется. Во влажном воздухе на поверхности меди в присутствии углекислого газа образуется зеленоватая пленка состава Cu(OH)2·CuCO3.

2Cu+O2+CO2+H2O>Cu(OH)·CuCO3

Так как в воздухе всегда имеются следы сернистого газа и сероводорода, то в составе поверхностной пленки на металлической меди обычно имеются и сернистые соединения меди. Такая пленка, возникающая с течением времени на изделиях из меди и ее сплавов, называется патиной. Патина предохраняет металл от дальнейшего разрушения.

При нагревании на воздухе медь тускнеет и в конце концов чернеет из-за образования на поверхности оксидного слоя:

2Cu+O2>2CuO (оксид двухвалентгой меди), при t=400 - 500єC

4Cu+O2>2Cu2O (оксид одновалентной меди), при t выше 1000єС

При нагревании с фтором, хлором, бромом образуются галогениды меди (II):

Cu+Br2>CuBr2

Cu+Cl2>CuCl2

В присутствии окислителей, прежде всего кислорода, медь может реагировать с соляной кислотой, но водород при этом не выделяется:

2Cu+4HCl+O2>2CuCl2+H2O

С концентрированной соляной кислотой медь реагирует с образованием трихлорокупрата (II) водорода:

Cu+3HCl>H[CuCl3]+H2

Растворяется в разбавленной азотной кислоте с образованием нитрата меди (II) и оксида азота (II):

3Cu+8HNO3>3Cu(NO3)2+2NO+4H2O

Реагирует с концентрированными растворами серной и азотной кислот с образованием солей меди (II) и продуктов восстановления кислот:

Cu+2H2SO4>CuSO4+SO2+2H2O

Cu+4HNO3>Cu(NO3)2+2NO2+2H2O

Из кислот-неокислителей -- разбавленной серной, хлороводородной и других -- медь не вытесняет водород, так как в электрохимическом ряду напряжений стоит правее водорода и имеет положительный электродный потенциал. Однако выделение водорода все же будет наблюдаться, если взять для реакции бромистоводородную НВr или иодистоводородную HI кислоту:

2Cu+4HBr>2H[CuBr2]+H2^

Медь не реагирует с водородом, азотом, углеродом и кремнием, а также с водой и щелочами.

Реагирует с серой:

при t=400єС образует сульфид меди (II):

Cu+S>CuS

при t выше 400єС получается сульфид меди (I):

2Cu+S>Cu2S

С йодом - образует йодид меди (I):

2Cu+I2>2CuI

Медь может взаимодействовать с другими металлами, образуя интерметаллические соединения:

3Cu+Au>Cu3Au

Вытесняет менее активные металлы из растворов их солей:

Cu+HgCl2>Hg+CuCl2

В соединениях медь может иметь две степени окисления: менее стабильную степень Cu⁺ и намного более стабильную Cu²⁺, которая дает соли синего и сине-зелёного цвета. В необычных условиях можно получить соединения со степенью окисления +3 и даже +5. Последняя встречается в солях купраборанового аниона Cu(B₁₁H₁₁)₂^3-, полученных в 1994 году.

В атмосферных условиях в отличие от многих других металлов, медь не подвергается коррозии, так как на ее поверхности образуется тонкий ровный слой (пленка) продуктов коррозии, не содержащая никаких агрессивных соединений, способных при каких-либо условиях разрушать металл. Коррозия меди в атмосферных условиях - процесс самопроизвольно затухающий, так как продукты коррозии защищают поверхность металла от внешней среды.

В воде и нейтральных растворах солей медь обладает достаточной устойчивостью, которая заметно снижается при доступе кислорода и окислителей. В морской воде, аэрируемой при малой скорости движения, медь характеризуется небольшим равномерным растворением (порядка 0,05 мм/год). При высоких скоростях течения жидкости, а также ударах струи скорость коррозии меди сильно повышается.

Большое значение имеют медные сплавы -- латуни (основная добавка цинк, Zn), бронзы (сплавы с разными элементами, главным образом металлами -- оловом, алюминием, берилием, свинцом, кадмием и другими, кроме цинка и никеля) и медно-никелевые сплавы, в том числе мельхиор и нейзильбер. В зависимости от марки (состава) сплавы используются в самых различных областях техники как конструкционные, антидикционные, стойкие к коррозии материалы, а также как материалы с заданной электро- и теплопроводностью. Так называемые монетные сплавы (медь с алюминием и медь с никелем) применяют для чеканки монет -- «меди» и «серебра»; но медь входит в состав и настоящих монетного серебра и монетного золота.

Медь входит в число жизненно важных микроэлементов. Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует синтезу сахара, белков, крахмала, витаминов. Чаще всего медь вносят в почву в виде пятиводного сульфата - медного купороса. В значительных количествах он ядовит, как и многие другие соединения меди, особенно для низших организмов. В малых же дозах медь совершенно необходима всему живому.

4. Диффузия в металлах

Диффузией называется процесс перемещения частиц вещества в направлении меньшей его концентрации. В результате диффузии происходит выравнивание состава вещества и равномерное заполнение им всего объема. Процессы диффузии протекают в газообразных, жидких и твердых веществах; диффундировать могут как однородные вещества, так и атомы разнородных веществ в границах своего объема.

Работы по изучению процессов диффузии в металлах направлены на определение того, с какой скоростью и каким образом атомы вещества перемещаются в кристаллической решетке. Рассматривают два вида диффузии - самодиффузию и гетеродиффузию, или химическую диффузию. Самодиффузией называется тепловое перемешивание атомов в чистых металлах или металла -- растворителя в твердых растворах; этот процесс проходит при отсутствии градиента концентрации вещества, то есть самодиффузия проходит при постоянной концентрации веществ в телах и обуславливает перемешивания атомов в них.

Гетеродиффузией, или химической диффузией, называется перемещение в веществе чужеродных растворенных атомов при наличии градиента концентрации вещества. Если гетеродиффузия сопровождается образованием в диффузной зоне новых фаз, она называется реакционной. В твердых металлах диффузия может проходить по поверхности, на границе зерен и в объеме отдельных зерен. Диффузия по поверхности имеет большое значение в процессах пайки. От интенсивности диффузии расплавленного припоя по поверхности паяемого металла зависит возможность его смачивать паяемый металл. Этот вид диффузии проходит не только на внешней поверхности паяемого металла, но и на внутренних поверхностях дефектов (раковин, пор, рыхлот).

Рассматривая процессы диффузии на границе зерен, надо иметь в виду, что одновременно с ней протекает диффузия в объем зерен. Только при достаточно низких температурах диффузию на границе зерен и в объем зерна можно считать такими, что проходят независимо друг от друга. Диффузия по границам зерен зависит от состояния границ и от размера зерен металла. Увеличение размера зерна приводит к уменьшению коэффициента диффузии. Такая зависимость связана с тем, что атомы на границе зерна имеют повышенную концентрацию вакансий. Повышение интенсивности диффузии при уменьшении размера зерна металла возникает в результате большей подвижности границы зерен в мелкозернистом металле, чем в крупнозернистом. Диффузные процессы, которые проходят при формировании паяного соединения, условно можно разделить на четыре стадии.

Первая стадия -- диффузия в твердой фазе, которая предшествует образованию в шве жидкой фазы. Вторая стадия -- диффузия в расплаве припоя от момента его плавления до насыщения компонентами паяемого металла и образования жидкой фазы равновесного состава, который отвечает пересечению изотермы температуры пайки с линией ликвидус диаграммы состояния взаимодействующих металлов. На третьей стадии проходят диффузные процессе в шве с момента установления равновесного состава расплава в шве. Четвертая стадия диффузии протекает в твердом металле в процессе термообработки паяного соединения или охлаждения после пайки.

5. Пайка меди и ее сплавов

Технически чистая медь имеет высокие теплопроводность и электропроводность, и достаточно высокую коррозионную стойкость. Она устойчива к атмосферной коррозии вследствие образования на ее поверхности тонкой защитной пленки, состоящей из окисла Си₂О. Медь - относительно прочный (у_в = 240 МПа) и пластичный металл (д = 45 ... 50 %). С уменьшением содержания в меди газов ее пластичность возрастает до 62 %; при повышенных температурах прочность меди уменьшается, а пластичность возрастает. Ценным свойством меди является ее способность сохранять высокую пластичность до температуры жидкого гелия (-269 єС).

Для повышения прочности меди и придания ей особых свойств (жаропрочности, коррозионной стойкости и др.) ее легируют различными добавками. Сплавы на основе меди обладают высокими механическими свойствами и другими ценными качествами. Поэтому во многих отраслях техники для изделий, работающих в условиях повышенных и криогенных температур, в качестве основного металла широко применяются медь и ее сплавы, имеющие необходимый комплекс свойств. Пайка этих материалов может производиться всеми известными способами. Наиболее широко применяется пайка паяльником, газовыми горелками, погружением в расплавленный припой и в печах. Пайка низкотемпературными припоями нашла большое применение благодаря простоте и общедоступности этого способа. Ограничения в ее применении вызваны лишь тем, что паяльником можно осуществлять пайку только тонкостенных деталей при температуре до 350 °С. Массивные детали вследствие большой теплопроводности, превышающей в 6 раз теплопроводность железа, паяют газовыми горелками. Для трубчатых медных теплообменников применяется пайка погружением в расплавы солей и припоев. При пайке погружением в расплавы солей используют, как правило, соляные печи-ванны. Соли обычно служат источником тепла и оказывают флюсующее действие, поэтому дополнительного флюсования при пайке не требуется. При пайке погружением в ванну с припоем предварительно офлюсованные детали нагревают в расплаве припоя, который при температуре пайки заполняет соединительные зазоры. Зеркало припоя защищают активированным углем или инертным газом. Недостатком пайки в соляных ваннах является невозможность в ряде случаев удаления остатков солей или флюса.

Широкое распространение в промышленности находит пайка в печах, поскольку при этом обеспечивается равномерный нагрев соединяемых изделий без их деформации даже при больших габаритах изделий. При пайке изделий из меди оловянно-свинцовыми и другими легкоплавкими припоями используют обычно канифольно-спиртовые флюсы, водные растворы хлористого цинка или хлористого аммония.

Пайка серебряными припоями успешно идет при применении флюсов на основе соединений бора и фтористых соединений калия. Эти флюсы хорошо очищают поверхность меди от окисной пленки и способствуют растеканию припоя. Недостатком флюсовой пайки меди является трудность получения при этом способе герметичных соединений. Кроме того, остатки флюса являются очагами коррозии. Поэтому пайку меди чаще всего осуществляют в восстановительных или нейтральных газовых средах. В азоте пайку меди можно производить при температурах 750 ... 800 °С. Недостатки этого метода - сложность оборудования по очистке азота, а также отсутствие возможности осуществлять пайку при температуре ниже 750 °С. Применяется пайка меди и в среде аргона припоем ЛС59-1 с дополнительным флюсованием мест пайки водным раствором буры.

Пайку в вакууме успешно применяют для соединений многих металлов, в том числе и меди. Этот вид пайки достаточно экономичен, совершенно безопасен и производится в вакуумных печах или контейнерах, загружаемых в обычные печи. Паяные швы, полученные при использовании нагрева в вакууме, отличаются чистотой исполнения, прочностью металла шва и высокой коррозионной стойкостью. К недостаткам способа пайки в вакууме следует отнести сложность применяемого оборудования.

Соединение меди при низкотемпературной пайке производится стандартными оловянно-свинцовыми припоями ПОССуЗО-0,5; ПОС40; ПОССу40-0,5, ПОС61 и свинцово-серебряными припоями ПСр1,5; ПСр2,5; ПСрЗ с использованием флюсов на основе хлористого цинка или канифольно-спиртовых. Соединения, паянные оловянно-свинцовыми припоями, теплостойки до температур 100-120 °С. При снижении температуры до -196-253 °С предел прочности этих соединений увеличивается в 1,5- 2,5 раза, достигая 45-5 МПа; при этом пластичность соединений резко снижается.

Хрупкость оловянно-свинцовых припоев и паянных ими соединений при низких температурах объясняется аллотропическим превращением олова и образованием в шве хрупких интерметаллидов, которые при низких температурах являются очагами развития трещин. Для оловянно-свинцовых сплавов, содержащих менее 15 % олова, падения ударной вязкости не происходит. Это обусловлено тем, что свинец, являясь основой сплава, с понижением температуры увеличивает ударную вязкость, давая во всех случаях вязкий излом. Высокая пластичность свинца делает его нечувствительным к надрезу. Поэтому, несмотря на низкую технологичность свинцовых припоев, вполне закономерны стремления применять для пайки изделий криогенной техники припои на основе свинца с содержанием олова менее 15 %. Например, применение припоя на основе свинца, легированного серебром (припой ПСрЗ), позволяет получать теплостойкие и хладостойкие соединения меди. Введение в этот припой 5 % Sn (ПСр2,5) улучшает его технологические свойства, однако при 20 °С соединения, паянные припоями ПСрЗ и ПСр2,5, имеют низкую прочность; предел прочности при срезе 12-18 МПа. Легирование свинца оловом до 16 % и кадмием до 5 % делает припой ПСр1,5 более технологичным, однако он становится малопластичным даже при температуре 20 °С.

Применение кадмиевых припоев требует специального навыка, так как технологичность их значительно ниже, чем у оловянно-свинцовых. Соединения меди, паянные кадмиевыми припоями ПСр5КЦН, ПСр8КЦН, теплостойки до температуры 350 °С, но нехладостойки. При этом они отличаются низкой прочностью (а„ = 29 МПа) из-за образования в шве хрупких интерметаллидов. Припои на основе цинка редко применяют для пайки меди ввиду интенсивного растворения ее в расплаве припоя. При этом предел прочности на срез не превышает 15 МПа. Цинковые припои, легированные медью и серебром, также плохо растекаются по меди. Легирование этих припоев оловом и кадмием (ПЦА8М, ПЦКдПСрСУ25-5-5) хотя и несколько улучшает их растекаемость, но швы становятся хрупкими. Для пайки меди находят также применение припои на основе медно-фосфористой эвтектики с добавлением серебра. Швы, паянные этими припоями, достаточно прочны (ав = 250 ... 300 МПа), теплостойки до 800 °С, но непластичны. В условиях низких температур прочность соединений меди, паянных этими припоями, увеличивается, но пластичность резко падает. Широкое применение для высокотемпературной пайки медных конструкций находят припои ПСр45, ПСр40, ПСр25, ПСр12. Пайку этими припоями осуществляют нагревом ацетилено-кислородным пламенем или в печах с использованием коррозионно-активных флюсов ПВ209, ПВ284Х. После пайки остатки флюса необходимо удалять промывкой в горячей воде. Пайку теплообменной аппаратуры осуществляют с применением припоя ПСр72 или ПСр71 в вакууме или аргоне.

При пайке изделий из медных сплавов, конструкция которых позволяет производить пайку под давлением, в качестве припоя можно использовать серебряное покрытие (10…25 мкм) или тонкую серебряную фольгу. При нагреве выше 779 °С медь взаимодействует с серебром с образованием в шве сплава тип припоя ПСр72. Пайка этим методом (контактно-реактивным) осуществляется без применения флюса - в вакууме или инертной среде

Припои на медной основе тугоплавки и вызывают растворение (эрозию) основного металла, поэтому для пайки меди их применяют реже, чем серебряные.

Диффузионная пайка меди может быть выполнена галлием, индием, оловом, свинцом, припоями ПОССу40-2, ПОС61 путем поджатия деталей в вакууме или аргоне при температурах 650 ... 800 °С и длительных выдержках. Припой в место пайки можно наносить напылением в вакууме, гальваническим способом или в виде тонкой фольги.

Капиллярную пайку меди низкотемпературными припоями можно производить при зазорах 0,05 ... 0,5 мм и температурах 650 ... 900 °С в вакууме или аргоне. При этом соединения меди, паянные индием, галлием, оловом, припоями ПОС61 и ПОС40, хрупкие и малопрочные; предел прочности на срез не превышает 40 ... 70 МПа.

При пайке меди свинцом соединения хотя и малопрочны, но пластичны. При применении припоя системы Pb-Ag-Sn-Ni (ПСр7.5) можно обеспечить предел прочности при растяжении 140 МПа с достаточно высокой пластичностью, угол изгиба образца, паянного встык, 130°.

6. Заключение

В Уральском федеральном округе общий объём в балансе местного сырья по меди -- около 20%. Поставки остального ведутся из-за пределов округа, а часть поставок медного концентрата -- из Казахстана.

Основные запасы местного сырья для медной подотрасли сейчас сконцентрированы в 30 мелких месторождениях. Промышленные запасы по большинству эксплуатируемых месторождений будут отработаны в течение ближайших 10-15 лет. Крупные карьеры медной промышленности дорабатывают свои запасы.

Значительная трудоемкость добычи руды привела в последние годы к нерентабельности разработки месторождений: Карабашского, Левихинского, Ломовского, Ново-Ежовского, имени III Интернационала. Законсервированы Дегтярский, Гумешевский, Медногорский и другие рудники.

В 1970 году 78 % уральских медных руд добывалось открытым способом, в 2005 г. их доля сократилась до 30 %.

На сегодняшний день порядка 40% мощностей медеплавильных заводов и заводов по обработке цветных металлов (ОЦМ) в Свердловской области загружены ломом, для Челябинской области этот показатель немного выше. По оценкам экспертов, запасы лома из произведенной в советский период продукции иссякнут в ближайшие 10 лет.

Прогнозные ресурсы Полярного и Приполярного Урала на настоящий момент -- 3 млн. т. Специалисты ожидают в ближайшем будущем значительного увеличения этой цифры. В совокупности с продолжающимися разработками меди на Среднем и Южном Урале медная промышленность УрФО на 70% будет обеспечена местным сырьем.

7. Список использованной литературы

1. Глинка Н.Л. Общая химия. 1988.

2. Егоров А.С. Химия. Пособие-репетитор для поступающих в вузы. 2001.

3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Физика. Учебное пособие. 2001.

4. Петрушин И.Е. Справочник по пайке. 2003.

5. Сайт о химии. www.xumuk.ru

6. Образовательный сервер - полный курс химии. www.himhelp.ru