Электрохимический ряд напряжений металлов титан
В электрохимической ячейке (гальваническом элементе) электроны, остающиеся после образования ионов, удаляются через металлический провод и рекомбинируют с ионами другого вида. Т.е.заряд во внешней цепи переносится электронами, а внутри ячейки, через электролит, в который погружены металлические электроды, ионами. Таким образом получается замкнутая электрическая цепь.
Разность потенциалов, измеряемая в электрохимической ячейке, o бъясняется различием в способности каждого из металлов отдавать электроны. Каждый электрод имеет собственный потенциал, каждая система электрод-электролит представляет собой полуэлемент, а любые два полуэлемента образуют электрохимическую ячейку. Потенциал одного электрода называют потенциалом полуэлемента, он определят способность электрода отдавать электроны. Очевидно, что потенциал каждого полуэлемента не зависит от наличия другого полуэлемента и его потенциала. Потенциал полуэлемента определяется концентрацией ионов в электролите и температурой.
В качестве «нулевого» полуэлемента был выбран водород, т.е. считается, что для него при добавлении или удалении электрона с образованием иона никакой работы не совершается. «Нулевое» значение потенциала необходимо для понимания относительной способности каждого из двух полуэлементов ячейки отдавать и принимать электроны.
Потенциалы полуэлементов, измеряемые относительно водородного электрода, называются водородной шкалой. Если термодинамическая склонность отдавать электроны в одной половине электрохимической ячейки выше, чем в другой, то потенциал первою полуэлемента выше, чем потенциал второго. Под действием разности потенциалов будет происходить переток электронов. При сочетании двух металлов можно выяснить возникающую между ними разность потенциалов и направление потока электронов.
Электроположительный металл обладает более высокой способностью принимать электроны, поэтому он будет катодным или благородным. С другой стороны находятся электроотрицательные металлы, которые способны самопроизвольно отдавать электроны. Эти металлы являются реакционноспособными, а, следовательно, анодными:
Al Mn Zn Fe Sn Pb H 2 Cu Ag Au
Например, Cu отдает электроны легче Ag , но хуже Fe . В присутствии медного электрода ноны серебра начнут соединяться с электронами, приводя к образованию ионов меди и осаждению металлического серебра:
2 Ag + + Cu → Cu 2+ + 2 Ag
Однако та же самая медь менее реакционноспособна, чем железо. При контакте металлического железа с нонами меди та будет осаждаться, а железо переходить в раствор:
Fe + Cu 2+ → Fe 2+ + Cu .
Можно говорить, что медь является катодным металлом относительно железа и анодным - относительно серебра.
Стандартным электродным потенциалом считается потенциал полуэлемента из полностью отожженого чистого металла в качестве электрода в контакте с ионами при 25 0 С. В этих измерениях водородный электрод выступает в роли электрода сравнения. В случае двухвалентного металла можно записать реакцию, протекающую в соответствующей электро-химической ячейке:
Если упорядочить металлы по убыванию их стандартных электродных потенциалов, то получается так называемый электрохимический ряд напряжений металлов (табл. 1).
Таблица 1. Электрохимический ряд напряжений металлов
Равновесие металл-ионы (единичной активности)
Электродный потенциал относительно водородного электрода при 25°С, В (восстановительный потенциал)
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Однако процессы формирования эмалевого покрытия на титане отличаются от протекающих при эмалировании стали, что обусловлено высокой химической активностью титана и склонностью его к газопоглощению. [16]
Горячая деформация титановых сплавов по сравнению с деформацией сплавов на железной, никелевой, алюминиевой, Медной и других основах несколько отличается, главным образом вследствие высокой химической активности титана к газовым средам при высоких температурах и повышенной чувствительности к резким температурным перепадам в больших сечениях. [17]
Титановые сплавы часто содержат включения в виде окислов, нитридов и карбидов, которые обладают высокими абразивными свойствами, что способствует ускоренному износу режущих инструментов. Высокая химическая активность титана , легко вступающего в соединение с соприкасающимися с ним металлами, также способствует быстрому износу режущей части инструмента. [18]
Однако высокая химическая активность титана к элементам внедрения ( 02, Н2, N2) и термическая нестабильность двухфазных ( а Р) титановых сплавов, особенно в зонах термического воздействия цикла сварки, могут вызвать замедленное разрушение. [19]
В патентных и других публикациях широко подтверждено активирующее и упрочняющее действие титана и циркония при пайке коррозионно-стойких сталей, а также меди и ее сплавов между собой. Учитывая особенно высокую химическую активность титана и циркония по отношению к меди, можно полагать, что такое упрочнение обусловлено образованием в пластичной матрице припоя или по его границам зерен первичных кристаллов химических соединений меди с титаном или цирконием. Можно полагать, что до некоторого критического количества этих элементов, пока первичные кристаллы не образуют сплошного хрупкого каркаса, пластичность шва заметно не снижается и упрочнение паяного шва может происходить без существенного снижения его пластичности. [20]
Отличительная особенность титана, по сравнению с другими металлами, использующимися для эмалирования, состоит в активном взаимодействии его с газами в процессе эмалировочного обжига. Причина тому высокая химическая активность титана при нагреве, его большое сродство к кислороду, азоту, водороду, с которыми титан образует химические соединения и твердые растворы. [21]
Большой интерес в этом смысле представляет титан. Следует отметить, что высокая химическая активность титана приводит прежде всего к расходу титана на раскисление. [23]
При выборе упрочняющей частицы следует учитывать стабильность упрочняющей фазы в титановой матрице. Проблема заключается в формировании охрупчивающихся зон реакции, вследствие высокой химической активности титана в процессе производства КМ. [25]
Титан и его сплавы относятся к числу химически активных материалов. В электрохимическом ряду напряжений титан находится между магнием, алюминием и бериллием, нормальный потенциал реакции Ti - - Ti2 2e, отнесенный к нормальному водородному элементу, равен - 1 75 В, в то время как электродные потенциалы магния и алюминия равны соответственно - 2 37 и - 1 66 В. При этом высокая химическая активность титана сочетается с исключительно высокой коррозионной стойкостью. [26]
Титан обладает весьма ценными свойствами, делающими его металлом самой современной техники - высокой прочностью, небольшой плотностью, высокой коррозионной стойкостью. Титан является очень распространенным элементом. Все это указывает на потенциальную возможность широкого использования титана. Однако из-за высокой химической активности титана в мелкораздробленном состоянии и стойкости его природных соединений обычные процессы восстановления руды не позволяют получить титан в чистом виде. Для получения элементарного титана применяются такие сильные восстановители как натрий и магний. Современные методы получения элементарного титана основаны на выделении его либо под действием натрия и магния из его хлорида, либо путем термического разложения его йодистых солей. [27]
Электрохимический ряд напряжений металлов титан
Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 12. Финальная
Последняя часть руководства. Внутри бонусные главы, немного новых фотографий, и главное — pdf с руководством которое можно скачать и поделиться с другом.
Доработки (доступны в pdf версии):
— Добавлены фото деструкции оптического поликарбоната, добавлены фото кварцевого стекла, фото проводящих углеродных композиций в конструкции ПДУ.
— Доработан раздел с изолентами, пришлось подождать посылок, но оно того стоило — теперь это самое полное описание изоляционных лент (добавлена полиэфирная, мастичная, тканевая и другие виды лент).
— Добавлена глава про электрические соединения — с ответом на вопрос почему нельзя.
— Ну и много мелких правок согласно комментариям.
Название я сменил, просто из соображений «легко запомнить-легко гуглить».
Электрические соединения
Популярная шутка говорит о том, что электротехника — это наука о контактах. И две основные неисправности — нет контакта там где он должен быть, и есть контакт там где его быть не должно.
На обложке этого руководства изображена скрутка двух проводов — медного и алюминиевого. Некоторых читателей такое зрелище возмутило, и не без оснований — так делать нельзя. Если попытаться разобраться в причинах этого «нельзя», то можно найти множество дискуссий на эту тему, практически в каждой из которых можно найти довод «всегда так делал, на даче такая скрутка работает уже 100500 лет». К сожалению, понимания причин запрета такой подход не привносит.
В чем же проблема соединить в контакт два произвольных металла? Дело в том, что в силу некоторых причин (о которых ниже) некоторые металлы образуют надежный контакт и работают практически безотказно, а некоторые образуют контакт, который тоже работает, но менее надежен и чаще приносит проблемы. Нужно понимать, что «чаще» не означает, что если вы сделали такое соединение, то оно откажет завтра с вероятностью 100%. Нет, вероятность отказа станет не 0,0001%, а к примеру 0,01%. Все такая же малая, но вас бы не устроила в 100 раз большая вероятность пожара?
Опыт эксплуатации различной техники привел инженеров к выводу, что определенные комбинации металлов обеспечивают приемлемую надежность контакта, а некоторые слишком низкую. Еще раз стоит отметить, что на надежность контакта сильно влияют условия эксплуатации, если соединение находится при постоянной температуре в сухом месте, то оно может быть вполне надежным, даже если пара металлов нежелательная.
Ряд электрохимической активности металлов
Первая причина нарушения контакта которую мы рассмотрим — электрохимическая коррозия. Некоторые из вас помнят со школы ряд активности металлов (неполный):
Li K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Cr Zn Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pd Pt Au
| Металл | Электрохимический потенциал, Вольт |
|---|---|
| Литий (Li) | -3,0401 |
| Калий (K) | -2,931 |
| Барий (Ba) | -2,905 |
| Стронций (Sr) | -2,899 |
| Кальций (Ca) | -2,868 |
| Натрий (Na) | -2,71 |
| Магний (Mg) | -2,372 |
| Алюминий (Al) | -1,700 |
| Марганец (Mn) | -1,185 |
| Хром (Cr) | -0,852 |
| Цинк (Zn) | -0,763 |
| Железо (Fe) | -0,441 |
| Кадмий (Cd) | -0,404 |
| Кобальт (Co) | -0,28 |
| Никель (Ni) | -0,234 |
| Олово (Sn) | -0,141 |
| Свинец (Pb) | -0,126 |
| Водород (H) | 0 |
| Сурьма (Sb) | +0,240 |
| Висмут (Bi) | +0,317 |
| Медь (Cu) | +0,338 |
| Ртуть (Hg) | +0,7973 |
| Серебро (Ag) | +0,799 |
| Палладий (Pd) | +0,98 |
| Платина (Pt) | +0,963 |
| Золото (Au) | +1,691 |
Для инженера этот ряд говорит следующее: В присутствии электролита (вода, влажность воздуха) в паре металлов будет разрушаться тот металл, что в ряду напряженности левее. Чем дальше друг от друга металлы в ряду, тем интенсивнее будет протекать коррозия. На базе
этого явления построена электрохимическая защита металлов, например оцинковка стали. При наличии воды, первым делом разрушается цинковое покрытие, и только после того как оно разрушилось начинается коррозия стали.
В случае электрических контактов, нам важнее не то, какой металл разрушится в паре, они нужны оба, а то, насколько интенсивно будет протекать процесс коррозии. И в этом плане потенциал создаваемый парой алюминий-медь 2,038 В очень большой, его достаточно чтобы разорвать молекулу воды в процессе электролиза! Но если разделить эти два металла стальной оцинкованной пластинкой, то образуется две пары: цинк-алюминий с потенциалом 0,937 В, и цинк-медь, с потенциалом 1,101 В. Это уже не такие большие потенциалы, поэтому процесс коррозии будет протекать медленнее.
Принимая во внимание, что основными металлами для изготовления проводников являются медь и алюминий, то заучивать таблицу и считать потенциалы не требуется, важно только помнить, что непосредственно соединять медь и алюминий в электрический контакт работающий на воздухе нельзя.
Тепловое расширение
Все тела при нагревании расширяются, и металлы не исключение. Для любого материала есть характеристика, такая как «коэффициент теплового расширения тел», который показывает, во сколько раз увеличится размер тела, при нагреве на 1 градус Цельсия. (В различных диапазонах температур значение теплового коэффициента расширения может различаться, кроме того для некоторых анизотропных материалов коэффициент может различаться в разных плоскостях. Для упрощения не будем учитывать эту разницу, воспользовавшись усредненными значениями) Вот небольшая табличка:
| Материал | Тепловой коэффициент расширения α, (1/К) |
|---|---|
| Алюминий | |
| Медь | |
| Сталь | |
| Стекло | |
| Стекло термостойкое (боросиликатное) | |
| Стекло кварцевое | |
| Инвар (сплав) | |
| Платина |
Из этой таблички видно, что соединение из двух материалов при нагревании будет расширяться по разному, провоцируя внутренние напряжения и деформации. Иногда это полезное свойство — оно используется в биметаллических пластинках в терморегуляторах, такие пластинки при нагреве изгибаются и разрывают контакт. Но в деле создания надежного электрического соединения такая разница в величине теплового расширения может ослабить контакт. Если соединение не обладает упругими свойствами, то спустя нескольких циклов нагрева и охлаждения, можно обнаружить что вместо плотного тугого контакта проводник болтается.
Если соединения разных материалов не избежать, то нужно помнить, что такое соединение потенциально может ослабнуть при изменениях температуры, и должно быть обслуживаемым и контролируемым. Замуровать соединение медного и алюминиевого проводника в стенке под слоем штукатурки — плохая идея.
Ползучесть
Некоторые материалы склонны проявлять явление «ползучести», когда к примеру проводник под небольшой механической нагрузкой, не достаточной для пластической деформации, тем не менее деформируется со временем. Величина этого явления зависит от нагрузки и от температуры, характеризуясь очень малой величиной. Пройдут тысячи часов, прежде чем размер тела изменится на доли процента. Тем не менее это явление достаточно важно в обеспечении надежного контакта. Ползучесть, наряду с тепловым расширением вносит вклад в то, что затянутая клемма спустя годы ослабевает и провод в ней болтается.
К сожалению алюминий (чистый) обладает значительно более интенсивной ползучестью, чем медь, что делает электрические контакты с его участием менее надежными и требующими регулярного обслуживания. Это стоит помнить при ремонте и обслуживании проводки из алюминиевого кабеля времен СССР. Производители современных алюминиевых кабелей легируют алюминий в токопроводящей жиле, добиваясь уменьшения ползучести до значений, сопоставимых с медью, пускай и ценой небольшого снижения электропроводности.
Так как же все-таки соединять провода?
Вопрос сложный тем, что ответ зависит от условий работы соединения и однозначно универсального способа нет.
Но про пару алюминий-медь было сказано столько плохого, что я просто обязан дать ответ на вопрос «как их соединять?».
Первый вариант — классический, при помощи стальной пластинки исключая непосредственный контакт меди и алюминия. Стальная пластинка предотвратит интенсивную электрохимическую коррозию (но не избавит от нее совсем), обеспечит приемлемое усилие на площади контакта проводников. Но такое соединение требует регламентных работ по обслуживанию: 1–2 раза в год необходимо проверять усилие затяжки проводников.
Второй вариант. Специализированные пружинные клеммы для алюминиевого проводника. (например клеммники WAGO серии 2273 с пастой). В такой клемме зачищенный проводник всё время прижимается пружинным контактом, предотвращая его ослабление вследствие ползучести.
Паста внутри клеммника предотвращает доступ влаги и воздуха к поверхности алюминия, препятствуя окислению проводника. (Важно отметить, клеммы должны быть качественные, а сечение проводника номинальным. Самолично наблюдал сгоревшие соединения выполненные клеммами, купленными в ближайшем киоске (вероятно поддельными).)
Третий вариант — Медно-алюминиевые гильзы. Этот вид соединения актуален для силовых линий на большие токи с сечением от 10 кв. мм. Медно-алюминиевые гильзы предназначены под опрессовку специальным инструментом. Соединенные в толще металлы обеспечивают надежный контакт большой площади, влага и электрохимическая коррозия могут лишь повредить нежную поверхность гильзы, не нарушив контакт в толще.
И помните, любое силовое электрическое соединение (тем более из разных металлов) должно быть доступно для обслуживания! Замурованная в стену скрутка — залог того, что вас будет вспоминать ремонтная бригада в различных матерных выражениях.
Заключение
Так как установка при написании данного пособия была на минимум брехни, я писал о том, что сам пощупал, использовал, с чем работал. Некоторые темы я не раскрыл, в силу малого опыта (или малого количества собранного материала) в этих областях, но их стоило бы раскрыть. Переписывать бездумно то, что описано в специализированной литературе я не стал, зачем искажать источник? Поэтому, если вы можете что-то рассказать по теме — я буду рад включить ваш текст в руководство.
Данное руководство распространяется свободно, вы можете скачать самую последнюю вер-
сию у меня в блоге совершенно бесплатно. Если вам понравилась моя работа, я буду рад услышать от вас пожелания и предложения, а также замечания и указания на допущенные ошибки.
Где скачать?
→ Руководство на GitHub вместе с исходником текста и фотографиями. Там же pdf с книгой.
→ Домашняя страничка руководства на моем сайте.
Если вы захотите бумажный экземпляр к себе на полку, то его можно приобрести (технология печати по требованию). Это не реклама — я выставил руководство по себестоимости — не заработаю ни копейки. К сожалению в бумажном виде иллюстрации будут черно-белые.
Благодарности
Выражаю признательность Алексею Gall Галахову за ценные дополнения руководства и помощь в верстке руководства.
Talion_amur за предоставленный образец ртутного счетчика времени наработки.
Спасибо всем кто написал комментарии, они дали ценную обратную связь.
Пользуясь случаем хочу передать привет Meklon DIHALT Milfgard lozga superhimik tnenergy BarsMonster — я с удовольствием читаю ваши посты и старался держать планку не ниже.
Ссылки на части руководства:
1: Проводники: Серебро, Медь, Алюминий.
2: Проводники: Железо, Золото, Никель, Вольфрам, Ртуть.
3: Проводники: Углерод, нихромы, термостабильные сплавы, припои, прозрачные проводники.
4: Неорганические диэлектрики: Фарфор, стекло, слюда, керамики, асбест, элегаз и вода.
5: Органические полусинтетические диэлектрики: Бумага, щелк, парафин, масло и дерево.
6: Синтетические диэлектрики на базе фенолформальдегидных смол: карболит (бакелит), гетинакс, текстолит.
7: Диэлектрики: Стеклотекстолит (FR-4), лакоткань, резина и эбонит.
8: Пластики: полиэтилен, полипропилен и полистирол.
9: Пластики: политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат и силиконы.
10: Пластики: полиамиды, полиимиды, полиметилметакрилат и поликарбонат. История использования пластиков.
11: Изоляционные ленты и трубки.
Так получилось, что у меня параллельно собирается материалы по нескольким темам, какая тема интереснее?
Читайте также: