Свойства алюминия и его соединений

ГЛАВА 15. ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ СИЛИКОАЛЮМИНИЯ

Алюминий элемент ІІІ группы Периодической системы Д.И.Менделеева. Порядковый номер 13, атомная масса 26,98, конфигурация внешней электронной оболочки 6s², кристаллическая решетка гранецентрированного куба (а = 0,4040 нм), температура плавления 660°С, температура кипения 2452°С, плотность 2,69 г/см³. С = 24,35 Дж/(моль×K), S = 28 Дж/(моль×K).

Система Al–Si (рис.15.1). Диаграмма состояния системы Al–Si эвтектического типа. Эвтектика имеет координаты t_эв = 577°С и 12% Si. Растворимость кремния в твердом алюминии при эвтектической температуре составляет ~ 1,5%.

Рис. 15.1. Диаграмма равновесного состояния системы Al–Si

Система Al–C (рис. 15.2). Взаимодействие алюминия с углеродом сопровождается образованием карбида Al₄C₃ по реакции:

4Al_ж + 3С_т = Al₄C₃; ∆G = –215688 + 41,8Т, Дж/моль.

Рис. 15.2. Диаграмма равновесного состояния система Al–C

Растворимость С в жидком Al незначительна, что следует из приведенных данных:

Температура, °С
% (ат.)	0,71	0,35	0,31	0,22
% (по массе)	0,32	0,16	0,14	0,1

Система Al–Si–C (Al₄C₃–SiC) (рис. 15.3). В тернарной системе образуются два тройных соединения Al₄SiC₄ (15,46% Al, 15,35% Si, 26,22% C) и Al₈SiC₇ (68,5% Al, 8,54% Si, 25,61% C), которые инконгруэнтно плавятся при 2350 и 2360 K соответственно.

Система Al–Ca (рис. 15.4). При выплавке силикоалюминия для последующего металлургического передела с целью получения литейных сплавов, кальций рассматривается как примесный элемент. В связи с этим представляет интерес знание равновесия фаз в системе Al–Ca.

Рис. 15.3. Диаграмма фазовых равновесий в системе Al₄C₃–SiC

Рис. 15.4. Диаграмма равновесного состояния системы Al–Ca

Как следует из рис. 15.4 в системе образуется ряд алюминидов кальция, среди которых наиболее «тугоплавким» является Al₂Ca (57,44% Al, 42,56% Са) (t_пл = 1079°С). В системе имеются три эвтектики, одна с температурой плавления 615°С и две с близкими температурами около 550°С.

Зависимости изменения энергии Гиббса образования алюминидов кальция от температуры описываются уравнениями (в Дж/моль):

∆G^o(Al₄Ca) = –28968 + 15,296T,

∆G^o(Al₂Ca) = –41732 + 19,156T/

Система Al–O (рис. 15.5). Высший оксид Al₂O₃ (0,53% Al) плавится при 2054^оС, а кипит при 2452^oC. Зависимость изменения энергии Гиббса реакции образования Al₂O₃ от температуры в интервале 1500-2000 K и описывается уравнением:

Al_ж + О₂ = Al₂O₃;

∆G = –636210 – 10,47ТlgT + 223Т, Дж/моль.

Рис. 15.5. Диаграмма равновесного состояния системы Al–O

При высоких температурах в зависимости от окислительно-восстановительного потенциала газовой фазы в парообразном состоянии могут находиться субсоединения AlO, Al₂O и Al₂O₂.

Система Al–O–C (Al₂O₃–Al₄C₃) (рис. 15.6). При восстановлении алюминия из Al₂O₃ углеродом создаются термодинамические условия для образования тугоплавких оксикарбидов Al₄O₄C (58,6% Al, 34,7% O и 6,52% С) и Al₂OC (65,8% Al, 19,51% O и 14,69% С). Тетракарбид Al₄O₄C устойчив до 1890°С. При этой температуре он перитектически превращается в Al₂OC и жидкость. Монооксикарбид Al₂OC при ~ 2000°С также перитектически превращается в карбид Al₄C₃ и жидкость. Эвтектика состава Al₂O₃+Al₄O₄C плавится при ~1835^оС.

Рис. 15.6. Диаграмма фазовых равновесий в система Al₂O₃–Al₄C₃