Бериллий и сплавы, содержащие бериллий. Свойства, применение в химической технологии (стр. 3 из 5)
2) сульфатный способ: берилл спекают при 750° С с известью или мелом (карбонатом Na или Ca), спек обрабатывают концентрированной горячей серной кислотой. На образовавшийся раствор BeSO4, Al2(SO4)3 и других металлов действуют (NH4)2SO4 – это приводит к выделению большей части Al в виде KAl(SO4)2. Оставшийся раствор обрабатывают избытком NaOH, при этом образуется раствор, содержащий Na2[Be(OH)4] и алюминаты Na; при кипячении этого раствора в результате разложения гидроксобериллата осаждается Be(OH)2 (алюминаты остаются в растворе).
Известно также вскрытие берилла хлорированием или действием фосгена. Дальнейшая обработка ведётся с целью получения BeF2 или BeCl2.
Металлический Ве получают восстановлением фторида магнием: BeF2 + Mg = Be + MgF2, –при высокой температуре (900–1300 °С) или электролизом его хлорида в смеси с хлоридом натрия (350 оС). Полученный металл переплавляют в вакууме: металл высокой чистоты (до 99,98%.) получают дистилляцией, а в небольших количествах – зонной плавкой (пластичный бериллий, содержащий не более 10–4% примесей – многократное повторение зонной плавки (до 8 проходов) позволяет получать особо чистый Ве с чрезвычайно высокой пластичностью (δ = 140%)); применяют также электролитическое рафинирование. Из-за трудностей получения качественных отливок заготовки для изделий из Ве готовят методами порошковой металлургии. В безокислительной среде Ве измельчают в порошок и подвергают горячему прессованию в вакууме при 1140–1180 °С; чем мельче зерна порошка, тем выше прочностные и пластические свойства металла. Для предотвращения взаимодействия с воздухом горячепрессованные заготовки бериллия помещают в стальные оболочки, нагревают до температуры 800–1100 °С и в таком виде проводят обработку давлением. Прутки, трубы и др. профили получают выдавливанием при 800–1050 °С (горячее выдавливание) или при 400–500 °С (тёплое выдавливание). Листы из Ве (основной вид продукции, используемый в ракетной технике) получают прокаткой горячепрессованных заготовок или выдавленных полос при 760–840 °С. Степень обжатия при выдавливании 5:1 и более. Выдавливанием получают заготовки не только круглого или квадратного сечения, но и более сложного профиля.
Профили заготовок, выдавливаемых из бериллия
Свойства горячевыдавленного Ве значительно выше, чем свойства Ве после горячего прессования при исходной крупности порошка менее 70 мкм.
Применяют и др. виды обработки – ковку, штамповку, волочение. При механической обработке Ве пользуются твердосплавным инструментом (Ве плохо обрабатывается резанием).
Деформированные полуфабрикаты имеют развитую текстуру деформации, вызывающую сильную анизотропию свойств.
Получаемый Ве содержит в большом количестве кислород в виде окиси Ве (1–3%), а также другие примеси. Эти примеси, хотя и повышают прочность металла, но существенно снижают его пластичность, вызывая в сварных швах образование холодных трещин. Для обеспечения удовлетворительной свариваемости в техническом Ве ограничивается содержание вредных примесей до следующих количеств (в% по массе): ВеО до 0,3%; Fe до 0,04%; А1 до 0,02%; Si до 0,02%.
Увеличение содержания ВеО ухудшает формирование и повышает пористость швов. Однако и при наличии сравнительно небольшого количества примесей вследствие особенностей кристаллического строения (гексагональная решетка) Ве малопластичен, поскольку в его деформации участвует мало плоскостей скольжения. В этом отношении Ве уступает не только Al, но и Mg.
Для соединения деталей из Ве находит применение аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом и электроннолучевая сварка. Предпочтительны соединения с отбортовкой кромок. При сварке стыковых соединений требуется введение в ванну присадочной проволоки.
Сварку неплавящимся электродом в инертных газах – Ar, He и их смесях производят преимущественно в камерах с контролируемой атмосферой вольфрамовым электродом на переменном токе. Техника и сварочная аппаратура те же, что и при сварке Al.
В процессе сварки заметно вырастает зерно в околошовной зоне, прочность сварного соединения составляет 0,5–0,6 прочности основного металла.
Техника электроннолучевой сварки также близка к технике сварки алюминиевых сплавов. Однако высокое давление паров Be создает определенные трудности в обеспечении устойчивого сварочного процесса.
Переработка Ве осложняется острой токсичностью летучих соединений, порошков, пыли и паров, содержащих Ве, поэтому при работе с Ве и его соединениями нужны специальные меры защиты – вместе с тем обработанные детали из бериллия вполне безопасны.
Ве присутствует в тканях многих растений и животных. Содержание в почвах – от 2•10-4 до 1•10-3%, в золе растений – около 2•10-4%. У животных Ве распределяется во всех органах и тканях, в золе костей содержится от 5,10-4 до 7.10-3% Б. Около 50% усвоенного животным Ве выделяется с мочой, около 30% поглощается костями, 8% обнаружено в печени и почках. Плохо всасывается в желудочно-кишечном тракте, большинство его выводится через кишечник и в меньшей степени через почки. Из того количества Ве, которое усваивается организмом, существенная часть (до 30%) депонируется (откладывается) в костях, а остальное – в легких, лимфатических узлах, печени, сердечной мышце.
Биологическое значение Ве мало выяснено, оно определяется участием элемента в обмене Mg и Р в костной ткани (способность Be(II) замещать Mg в магниесодержащих ферментах за счет его более сильной координационной способности). Не относится к биологически важным, но повышенное содержание Ве опасно для здоровья. При избытке в рационе Ве, по-видимому, происходит связывание в кишечнике ионов фосфорной кислоты в неусвояемый фосфат Ве. Активность некоторых ферментов (щелочной фосфатазы, аденозинтрифосфатазы) тормозится малыми концентрациями Ве. Под влиянием Ве при недостатке фосфора развивается не излечиваемый витамином D бериллиевый рахит, встречаемый у животных в биогеохимических, богатых Ве.
Соединения Ве очень ядовиты, особенно в виде пыли и дыма, обладают аллергическим и канцерогенным действием, раздражают кожу и слизистые оболочки. При попадании в легкие могут вызвать хроническое заболевание – бериллиоз (легочная недостаточность). Заболевания легких, кожи и слизистых оболочек могут возникнуть через 10–15 лет после прекращения контакта с Ве.
Поступление Ве с пищей и водой незначительно. Предельно допустимые концентрации Ве в воздухе ≤0,001 мг/м3.
бериллий элемент химический сплав
Сплавы бериллия, их свойства и применение
Главная сложность при легировании Ве состоит в малых размерах его атомов, в результате чего большинство элементов при растворении сильно искажают кристаллическую решетку, сообщая сплаву повышенную хрупкость. Легирование возможно лишь теми элементами, которые образуют с Ве механические смеси с минимальной взаимной растворимостью.
Серьезный недостаток Ве, заключающийся в низкой ударной вязкости и хладноломкости, может быть преодолен использованием сплавов с Al. Из диаграммы состояния Al–Be видно, что эти элементы практически взаимно нерастворимы.
Диаграмма состояния системы Al–Be
В таких сплавах эвтектического типа твердые частицы Be равномерно распределены в пластичной алюминиевой матрице. Сплавы содержат 24–43% Al, остальное – Be. Фирмой «Локхид» (США) разработан сплав, содержащий 62% Be, названный локеллоем. Сплавы Be–Al имеют структуру, состоящую из мягкой пластичной эвтектики и твердых хрупких включений первичного Be. Эти сплавы сочетают высокую жесткость, прочность и малую плотность, характерные для Be, с пластичностью Al.
Зависимость механических свойств сплавов Al–Be от содержания Be
Благодаря пластичности матрицы снижается концентрация напряжений у частиц Be фазы и уменьшается опасность образования трещин, что позволяет использовать сплавы в условиях более сложного напряженного состояния.
Для получения Be-Al сплавов также используют методы порошковой металлургии. Деформацию осуществляют выдавливанием с последующей ковкой и штамповкой в оболочках. Механические свойства труб из локеллоя (Be + 38% Al) при комнатной температуре: σв = 600 МПа, σ0,2 = 570 МПа, δ = 1%.
Для увеличения прочности сплавы Be–Al дополнительно легируют Mg и Ag– элементами, растворимыми в Al фазе. В этом случае матрица представляет собой более прочный и вязкий сплав Al–Mg или Al–Ag.
Al–Be, Al–Be–Mg сплавы удовлетворительно деформируются при 380 – 420оС, имеют высокий модуль упругости, малую скорость роста усталостных трещин, высокий предел выносливости, износоустойчивы, высоко электро- и теплопроводны. Круг сфер их использования широк – от авиакосмической промышленности до производства компьютеров.
Пластичную матрицу можно получить, используя композицию Be–Ag, содержащую до 60% Ag. Сплавы с Ag дополнительно легируют Li и La.
За исключением сплавов с пластичной матрицей, легирование другими элементами не устраняет хладноломкость Be. Максимальную пластичность имеет Be высокой чистоты.
Широкое распространение получили сплавы Cu с 2–5% Be, так называемые Be бронзы. В России широко применяется Be бронза БрБ2 с 2% Be. Из диаграммы состояния видно, что этот сплав дисперсионно-твердеющий и может упрочняться закалкой с последующим старением.
