Тугоплавкие металлы список
Тугоплавкие металлы
Тугоплавкие металлы были выделены в отдельный класс благодаря объединяющему их свойству — высокой температуре плавления. Она выше, чем у железа, которая равна 1539 °C.
Поэтому металлы данной группы и получили такое название. Они принадлежат к числу так называемых редкоземельных элементов.
Так, например, по распространённости в земной коре ниобий и тантал составляют 3%, а цирконий только 2%.
Тугоплавкие металлы
По температурному показателю плавления кроме перечисленных, к ним относятся металлы, так называемой платиновой группы. Ещё их называют благородными или драгоценными.
Определённая схожесть строения атома обусловила схожесть их свойств. На основании этого можно обобщить некоторые черты проявления таких металлов в земной коре и определиться с технологией их добычи, производства и переработки.
Свойства тугоплавких металлов
За счёт того, что они расположены в соседних группах периодической таблицы, физические свойства у тугоплавких металлов достаточно близкие:
- Плотность металла колеблется в интервале от 6100 до 10000 кг/м3. По этому показателю выделяется только вольфрам. У него он равен 19000 кг/м3.
- Температура плавления. Она превышает температуру плавления железа и колеблется от 1950 °С у ванадия до 3395 °С у вольфрама.
- Удельная теплоёмкость у них незначительно отличается друг от друга и находится в пределах от 200 до 400 Дж/(кг-град).
- Коэффициент теплопроводности сильно меняется от элемента к элементу. Если у ванадия он равен 31 Вт/(м-град), то у вольфрама он достигает величины в 188 Вт/(м-град).
Физические свойства тугоплавких металлов
Химические свойства также достаточно схожие:
- Очень похожее строение атома.
- Обладают высокой химической активностью. Это свойство определяет основные трудности при сохранении стабильности их соединений.
- Прочность межатомных связей определяет высокую температуру плавления. Это обстоятельство объясняет высокую механическую прочность, твёрдость и электрические характеристики (в частности сопротивление).
- Проявляют хорошую устойчивость при воздействии различных кислот.
К основным недостаткам тугоплавких металлов относятся:
- Низкая коррозийная стойкость. Процесс окисления происходит достаточно быстро. Его разделяют на две последовательные стадии. Непосредственное взаимодействие металла с кислородом окружающего воздуха, что приводит к образованию оксидной плёнки. На второй стадии происходит процесс диффузии (проникновения) атомов кислорода через образовавшуюся оксидную плёнку.
- Трудности со свариваемостью тугоплавких металлов. Это вызвано высокой химической активностью к окружающему воздуху при высоких температурах, хрупкостью при насыщении различными примесями. Кроме того, трудно определить точку перегрева и практически невозможно контролировать повышение предела текучести.
- Трудности их получения использования в чистом виде без примесей.
- Необходимость применения специальных покрытий от быстрого окисления. Для сплавов, основу которых составляет вольфрам и молибден, разработаны силицидные покрытия.
- Трудности, связанные с механической обработкой. Для качественной обработки их сначала необходимо нагреть.
Производство тугоплавких металлов
Все способы производства тугоплавких металлов основаны на методиках так называемой порошковой металлургии. Сам процесс происходит в несколько этапов:
- На начальном этапе получают порошок металла.
- Затем методами химического восстановления (обычно аммонийных солей или оксидов) выделяют требуемый металл. Такое выделение получается в результате воздействия на порошок водорода.
- На завершающем этапе получают химическое соединение, называемое гексафторидом соответствующего металла, и уже из него сам металл.
Применение тугоплавких металлов
Начиная со второй половины двадцатого века тугоплавкие металлы стали применяться во многих отраслях промышленного производства. Порошки тугоплавких металлов используются для производства первичной продукции. Тугоплавкие металлы вырабатывают в виде проволоки, слитков, арматуры, прокатного металла и фольги.
Отдельное место такие металлы занимают в технологии выращивания лейкосапфиров. Они относятся к классу монокристаллов и называются искусственными рубинами.
Изделия из тугоплавких металлов входят в состав бытовых и промышленных электрических приборов, огнеупорных конструкций, деталей для двигателей авиационной и космической техники. Особое место занимают тугоплавкие металлы при производстве деталей сложной конфигурации.
Этот металл открыли в далёком 1781 г. Его температура плавления равна 3380 °С. Поэтому он на сегодняшний день является самым тугоплавким металлом. Получают вольфрам из специального порошка, подвергая его химической обработке.
Этот процесс основан на прессовании с последующим спеканием при высоких температурах. Далее его подвергают ковке и волочению на станках. Это связано с его наибольшей тугоплавкостью. Так получают волокнистую структуру (проволоку).Она достаточно прочная и практически не ломается. На конечном этапе его раскатывают в виде тонких нитей или гибкой ленты. Для проведения механической обработки необходимо создать защитную среду из инертного газа. В этой среде температура должна превышать 400 °С.
При температуре окружающей среды он приобретает свойства парамагнетика. Ему присущи следующие недостатки:
- сложность в создании условий для механической обработки;
- быстрое образование на поверхности оксидных плёнок. Если в контакте имеются серосодержащие вещества, образуются сульфидные плёнки;
- создание хорошего электрического контакта между несколькими деталями возможно только при создании большого давление.
Вольфрам
Для улучшения свойств вольфрама (тугоплавкости, устойчивости к коррозии, износостойкости) в него добавляют легирующие металлы. Например, рений и торий.
Металл используется для производства нитей накаливания для осветительных и сушильных ламп. Его добавляют в сварочные электроды, элементы электронных ламп и рентгеновских трубок. Также применяется при производстве элементов ракет, в реактивных двигателях, артиллерийских снарядах.
По внешнему виду и характеристикам очень похож на вольфрам. Главным отличием является то, что его удельный вес почти в два раза меньше. Его получают аналогичным образом.
Он широко применяется в радиоэлектронной промышленности, для изготовления различных испарителей в вакуумной технике, разрывных электрических контактов. Как и вольфрам, он является парамагнетиком.
Для изготовления электродов стекловаренных (стеклоплавильных) печей он просто незаменим.
Ниобий
Температура плавления ниобия составляет 2741 °С. По своим химическим, физическим и механическим свойствам очень напоминает тантал. Он достаточно пластичен. Обладает хорошей свариваемостью и высокой теплопроводностью даже без дополнительного нагрева. Как и все остальные металлы его получают из порошка. Конечные заготовки из ниобия – проволока, лента, труба.
Ниобий
Сам металл и его сплавы демонстрируют эффект сверхпроводимости. Его широко применяют для изготовления анодов, экранных и антидинатронных сеток в электровакуумных приборах. Благодаря хорошей пористости, его успешно применяют в качестве газопоглотителей. В микроэлектронике он идёт на изготовление резисторов в микросхемах.
Ниобий хорошо себя проявил в качестве легирующей добавки. Используется при создании различных жаростойких конструкций, агрегатов работающих в агрессивных и радиоактивных средах.
Из сплава стали и ниобия изготавливают некоторые элементы реактивных двигателей.Благодаря его свойству не взаимодействовать с радиоактивными веществами при высоких температурах, например, с ураном, применяется при изготовлении оболочек для урановых элементов, отводящих тепло в реакторах.
Тантал
Внешне имеет светло-серый цвет с небольшим голубоватым оттенком. Температура плавления близка к 3000 °С. Хорошо поддается основным видам обработки. Его можно ковать, прокатывать, производить волочение для изготовления проволоки.
Эти операции не требуют значительного нагрева. Для удобства дальнейшего использования тантал изготавливают в форме фольги и тонких листов.
Повышение температуры вызывает активное взаимодействие со всеми газами, кроме инертных – с ними никаких реакций не наблюдается.
Тантал
Из тантала производят внутренние элементы генераторных ламп (магнетронов и клистронов). Он активно используется при производстве пластин в электролитических конденсаторах. Очень удобен для изготовления пленочных резисторов. Активно применяется для изготовления так называемых лодочек в испарителях, в которых осуществляется термическое напыление различных материалов на тонкие пленки.
Ввиду ряда своих уникальных качеств, считается незаменимым в ядерной, аэрокосмической и радиоэлектронной промышленности.
Рений
Был открыт позже всех из перечисленных ранее металлов. Он полностью оправдывает свое название «редкоземельный металл», потому что находится в небольших количествах в составе руды других металлов, таких как платина или медь.
В основном его используют как легирующую добавку. Полученные сплавы приобретают хорошие характеристики прочности и ковкости. Это один из самых дорогих металлов, поэтому его применение приводит к резкому увеличению цены всего оборудования.
Те не менее, его применяют в качестве катализатора.
Хром
Хром — уникальный металл. Широко применяется в промышленности благодаря своим замечательным свойствам: прочности, устойчивости к внешним воздействиям (нагреву и коррозии), пластичности. Достаточно твердый, но хрупкий металл. Имеет серо-стальной цвет. Весь необходимый хром извлекают из руды двух видов хромита железа или окиси хрома.
Основными его свойствами являются:
- Даже при нормальной температуре обладает почти идеальным антиферромагнитным упорядочением. Это придаёт ему отличные магнитные свойства.
- По-разному реагирует на воздействие водорода и азота. В первом случае сохраняет свою прочность. Во втором, становится хрупким и полностью теряет все свои пластические свойства.
- Обладает высокой устойчивостью против коррозии. Это происходит благодаря тому, что при взаимодействии с кислородом на поверхности образуется тонкая защитная плёнка. Она служит для защиты от дальнейшей коррозии.
Кристаллы хрома
Он используется в металлургической, химической, строительной индустриях. Хром, как легирующая добавка, обязательно используется для производства различных марок нержавеющей стали. Особое место занимает при изготовлении такого материала как нихром.
Этот материал способен выдерживать очень высокие температуры. Поэтому его используют в различных нагревательных элементах. Хромом активно покрывают поверхности различных деталей (металла, дерева, кожи). Это процесс осуществляется с помощью гальваники.
Токсичность некоторых солей хрома используют для сохранения древесины от повреждения, вредного воздействия грибков и плесени. Они также хорошо отпугивают муравьёв, термитов, насекомых разрушителей деревянных конструкций. Солями хрома обрабатывают кожу. Хром применяется при изготовлении различных красителей.
Благодаря высокой теплостойкости его используют как огнеупорный материал для доменных печей. Каталитические свойства соединений хрома успешно используют при переработке углеводородов. Его добавляют при производстве магнитных лент наивысшего качества. Именно он обеспечивает низкий коэффициент шума и широкую полосу пропускания., пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Тугоплавкие металлы — характеристики, свойства и применение
Еще с конца 19 века были известны тугоплавкие металлы. Тогда им не нашлось применения. Единственная отрасль, где их использовали, была электротехника и то в очень ограниченных количествах.
Но все резко поменялось с развитием сверхзвуковой авиации и ракетной техники в 50-е года прошлого столетия.
Производству потребовались новые материалы, способные выдерживать значительные нагрузки в условиях температур свыше 1000 ºC.
Список и характеристики тугоплавких металлов
Тугоплавкость характеризуется повышенным значением температуры перехода из твердого состояния в жидкую фазу. Металлы, плавление которых осуществляется при 1875 ºC и выше, относят к группе тугоплавких металлов. По порядку возрастания температуры плавки сюда входят следующие их виды:
- Ванадий
- Хром
- Родий
- Гафний
- Рутений
- Вольфрам
- Иридий
- Тантал
- Молибден
- Осмий
- Рений
- Ниобий.
Современное производство по количеству месторождений и уровню добычи удовлетворяют только вольфрам, молибден, ванадий и хром. Рутений, иридий, родий и осмий встречаются в естественных условиях довольно редко. Их годовое производство не превышает 1,6 тонны.
Жаропрочные металлы обладают следующими основными недостатками:
- Повышенная хладноломкость. Особенно она выражена у вольфрама, молибдена и хрома. Температура перехода у металла от вязкого состояния к хрупкому чуть выше 100 ºC, что создает неудобства при их обработке давлением.
- Неустойчивость к окислению. Из-за этого при температуре свыше 1000 ºC тугоплавкие металлы применяются только с предварительным нанесением на их поверхность гальванических покрытий. Хром наиболее устойчив к процессам окисления, но как тугоплавкий металл он имеет самую низкую температуру плавления.
К наиболее перспективным тугоплавким металлам относят ниобий и молибден. Это связано с их распространённостью в природе, а, следовательно, и низкой стоимостью в сравнении с другими элементами данной группы.
Помимо этого, ниобий зарекомендовал себя как металл с относительно низкой плотностью, повышенной технологичностью и довольно высокой тугоплавкостью. Молибден ценен, в первую очередь, своей удельной прочностью и жаростойкостью.
Самый тугоплавкий металл встречаемый в природе — вольфрам. Его механические характеристики не падают при температуре окружающей среды свыше 1800 ºC. Но перечисленные выше недостатки плюс повышенная плотность ограничивают его область использования в производстве. Как чистый металл он применяется все реже и реже. Зато увеличивается ценность вольфрама как легирующего компонента.
Физико-механические свойства
Металлы с высокой температурой плавления (тугоплавкие) являются переходными элементами. Согласно таблице Менделеева выделяют 2 их разновидности:
- Подгруппа 5A – тантал, ванадий и ниобий.
- Подгруппа 6A – вольфрам, хром и молибден.
Наименьшей плотностью обладает ванадий – 6100 кгм3, наибольшей вольфрам – 19300 кгм3. Удельный вес остальных металлов находится в рамках этих значений. Эти металлы отличаются малым коэффициентом линейного расширения, пониженной упругостью и теплопроводностью.
Данные металлы плохо проводят электрический ток, но обладает таким качеством как сверхпроводимость. Температура сверхпроводящего режима составляет 0,05-9 К исходя из вида металла.
Абсолютно все тугоплавкие металлы отличаются повышенной пластичностью в комнатных условиях. Вольфрам и молибден помимо этого выделяются на фоне остальных металлов более высокой жаропрочностью.
Коррозионная стойкость
Жаропрочным металлам свойственна высокая стойкость к большинству видов агрессивных сред. Сопротивление коррозии элементов 5A подгрупп увеличивается от ванадия к танталу. Как пример, при 25 ºC ванадий растворяется в царской водке, между тем как ниобий полностью инертен по отношению к данной кислоте.
Тантал, ванадий и ниобий отличаются устойчивостью к воздействию расплавленных щелочных металлов. При условии отсутствия в их составе кислорода, которые значительно усиливает интенсивность протекания химической реакции.
Молибден, хром и вольфрам имеют большую сопротивляемость к коррозии. Так азотная кислота, которая активно растворяет ванадий, значительно менее воздействует на молибден. При температуре 20 ºC данная реакция вообще полностью останавливается.
Все тугоплавкие металлы охотно вступают в химическую связь с газами. Поглощение водорода из окружающей среды ниобием осуществляется при 250 ºC. Тантал при 500 ºC. Единственный способ остановить эти процессы – проведение вакуумного отжига при 1000 ºC. Стоит заметить, что вольфрам, хром и молибден куда менее склонны к взаимодействию с газами.
Как уже было сказано ранее, лишь хром отличается сопротивляемостью к окислению. Данное свойство обусловлено его способностью образовывать твердую пленку оксида хрома на своей поверхности. Растворение кислорода хромом происходит только при 700 С. У остальных тугоплавких металлов процессы окисления начинаются ориентировочно при 550 ºC.
Хладноломкость
Распространению использования жаропрочных металлов в производстве мешает обладание ими повышенной склонности к хладноломкости. Это означает, что при падении температуры ниже определенного уровня происходит резкое возрастание хрупкости металла. Для ванадия такой температурой служит отметка в -195 ºC, для ниобия -120 ºC, а вольфрама +330 ºC.
Наличие хладноломкости жаропрочными металлами обусловлено содержанием примесями в их составе. Молибден особой чистоты (99,995%) сохраняет повышенные пластические свойства вплоть до температуры жидкого азота. Но внедрение всего 0,1% кислорода сдвигает точку хладноломкости к -20 С.
Области применения
До середины 40-х годов тугоплавкие металлы использовались только как легирующие элементы для улучшения механических характеристик стальных цветных сплавов на основе меди и никеля в электропромышленности. Соединения молибдена и вольфрама применялись также в производстве твердых сплавов.
Техническая революция, связанная с активным развитием авиации, ядерной промышленности и ракетостроения, нашла новые способы использования тугоплавких металлов. Вот неполный перечень новых сфер применения:
- Производство тепловых экранов головного узла и каркасов ракет.
- Конструкционный материал для сверхзвуковых самолётов.
- Ниобий служит материалом сотовой панели космических кораблей. А в ракетостроении его используют в качестве теплообменников.
- Узлы термореактивного и ракетного двигателя: сопла, хвостовые юбки, лопатки турбин, заслонки форсунок.
- Ванадий является основой для изготовления тонкостенных трубок тепловыделяющих элементов термоядерного реактора в ядерной промышленности.
- Вольфрам применяется как нить накаливания электроламп.
- Молибден все шире и шире используется в производстве электродов, применяемых для плавки стекла. Помимо этого, молибден — металл, используемый для производства форм литья под давлением.
- Производство инструмента для горячей обработки деталей.
Тугоплавкие металлы — список, применение тугоплавких металлов
Металлы — это самый распространенный материал (наряду с пластмассами и стеклом), который применяется людьми с древних времен. Уже тогда человеку была известна характеристика металлов, он с выгодой использовал все их свойства для создания прекрасных произведений искусства, посуды, предметов быта, сооружений.
Одной из главных черт при рассмотрении этих веществ является их твердость и тугоплавкость. Именно эти качества позволяют определять область использования того или иного металла. Поэтому рассмотрим все физические свойства и особое внимание уделим вопросам плавкости.
2.2.5. Сверхпроводящие металлы и сплавы
Сверхпроводимость — это состояние вещества, характеризуемое отсутствием электрического сопротивления. Сверхпроводимость наблюдается у ряда металлов и сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю. Температура перехода в сверхпрово-
дящее состояние называется критической температурой сверхпроводимости — Т св .
При температуре ниже Т св электрический ток, наведенный в сверхпроводящем контуре, будет циркулировать бесконечно долго, не убывая, при условии поддержания низкой температуры. Удель-
ное сопротивление материала в сверхпроводящем состоянии составляет порядка 10 -25 Ом·м, что в 10 17 раз меньше, чем у меди.
Физическая природа сверхпроводимости. Впервые явление сверхпроводимости было обнаружено у ртути ( Т св = 4,2 К) голландским физиком Камерлинком-Онессом в 1911 г.Современная теория сверхпроводимости, основанная на квантовых представлениях, была предложена в 1957 г. американскими учеными Бардиным, Купером и Шриффером.
Значительный вклад в развитие теории сверхпроводимости внесли работы советского академика Н.Н.Боголюбова.
В металле свободные электроны, движущиеся в среде положительно заряженных ионов, взаимодействуют с тепловыми колебаниями решетки, обмениваясь с ней квантами тепловой энергии — фононами, при этом электроны могут поглощать или отдавать энергию, т.е.
изменять свой импульс. Обмен фононами между электронами при участии решетки происходит непрерывно.
В результате обменного фононного взаимодействия пара электронов с разными импульсами и антипараллельными спинами испытывают взаимное притяжение и образуют так называемую куперовскую пару .
Рассмотрим упрощенную схему (рис. 9). Электрон 1, движущийся между ионами, притягивает ближайшие ионы, создавая по траектории движения локальную зону повышенной плотности положительного заряда.
Электрон 2, движущийся вслед за первым, притягивается этой зоной. В результате, косвенным образом, через решетку, между электронами возникают силы притяжения.Силы притяжения невелики, парные образования слабо локализованы в пространстве, они постоянно распадаются и создаются, образуя электронный конденсат.
При низких температурах ( Т св ) энергия тепловых колебаний решетки чрезвычайно мала и спаренные электроны не рассеиваются на дефектах структуры. Особенность куперовских пар — их импульсная упорядоченность.
Электронные волны, описывающие движение пар, имеют одинаковую длину и фазу.
Фактически движение всех электронных пар можно рассматривать как распространение одной электронной волны, которая не рассеивается решеткой, «обтекает» дефекты структуры.
Рис. 9. Схема образования электронных пар в сверхпроводнике
При температуре абсолютного нуля все электроны, расположенные вблизи уровня Ферми, связаны в пары. При повышении температуры часть электронных пар распадается.
Неспаренные электроны переходят с основных уровней на возбужденные, и их движение затрудняется рассеянием на дефектах структуры.
При температуре Т св происходит полный разрыв всех куперовских пар, и состояние сверхпроводимости исчезает.
Читать также: Ресанта полуавтомат саипа 165 инверторный отзывы
Сверхпроводники обладают специфическими магнитными свойствами. Поскольку электроны с противоположно направленными спинами связаны в пары, результирующий спиновый момент пары равен нулю, и сверхпроводник становится идеальным диамагнетиком. Как всякие диамагнетики, сверхпроводники выталкиваются из магнитного поля.
Внешнее магнитное поле совершенно не проникает в толщину образца, затухая в тончайшем поверхностном слое (10 -7 …10 -8 м). Эффект выталкивания выражен столь сильно, что с помощью магнитного поля можно удерживать постоянный магнит над кольцом из сверхпроводящего материала.
Однако состояние сверхпроводимости может быть разрушено, если напряженность магнитного поля превысит некоторое критическое значение Н св .В настоящее время известно более 30 металлов, обладающих сверхпроводимостью при криогенных температурах, и более 1000
сверхпроводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. Параметры некоторых сверхпроводниковых материалов представлены в табл. 5.
Металлы — это самый распространенный материал (наряду с пластмассами и стеклом), который применяется людьми с древних времен. Уже тогда человеку была известна характеристика металлов, он с выгодой использовал все их свойства для создания прекрасных произведений искусства, посуды, предметов быта, сооружений.
Одной из главных черт при рассмотрении этих веществ является их твердость и тугоплавкость. Именно эти качества позволяют определять область использования того или иного металла. Поэтому рассмотрим все физические свойства и особое внимание уделим вопросам плавкости.
Рекорды для неорганических веществ
Самым сильным стабильным окислителем
Тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, ниобий, тантал
Вольфрам
Вольфрам входит в 4-ю группу периодической системы Менделеева. Его атомный номер 74, атомная масса 183,85. Природный вольфрам состоит из смеси пяти изотопов
Массовые числа изотопов: 180 182 183 184 186
природной смеси 0,13 26,31 14,28 30,64 28,64
соответственно %
Определение
Большинство определений термина тугоплавкие металлы определяют их как металлы имеющие высокие температуры плавления. По этому определению, необходимо, чтобы металлы имели температуру плавления выше 4,000 °F (2,200 °C). Это необходимо для их определения как тугоплавких металлов.
Пять элементов — ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений входят в этот список как основные, в то время как более широкое определение этих металлов позволяет включить в этот список ещё и элементы имеющие температуру плавления 2123 K (1850 °C) — титан, ванадий, хром, цирконий, гафний, рутений и осмий.
Трансурановые элементы (которые находятся за ураном, все изотопы которых нестабильны и на земле их найти очень трудно) никогда не будут относиться к тугоплавким металлам.
: Термообработка алюминиевых сплавов — виды и режимы
Тугоплавкие сплавы на основе вольфрама
Представителем таких сплавов является сплав вольфрама и ниобия ВВ2 с температурой жаропрочности до 1200°C. Для повышения коррозионной стойкости и тугоплавкости вольфрамовые сплавы легируют рением. А для повышения износостойкости торием.
Характеристика механических свойств металлов
- твердость;
- высокая температура плавления;
- прочность;
- деформация ползучести;
- теплопроводность металлов.
Таблица прочности металлов поможет определить предел прочности тугоплавкого металла при растяжении, а также показатель прочности каждого вида.
Сплавы на основе молибдена
Молибден и его сплавы являются наверное самыми частоиспользуемыми из всех тугоплавких. В промышленности часто используются сплавы легированные цирконием, бором, титаном, ниобием: сплавы ЦМ3, ЦМ6, ЦМ2А, ВМ3
Твердость
| 1560 | 525 (53,5) | 172 (17,6) | 102 (10,4) |
| 1750 | 410 (41,8) | 126(12,9) | 50 (5,1) |
| 2000 | 167 (17) | 65,7 (6,7) | 10,8 (1,1) |
| 2500 | 71,6 (7,3) | 22,5 (2,3) | — |
| 3000 | 46,1 (4,7) | — | — |
Применение
Тугоплавкие металлы используются в качестве источников света, деталей, смазочных материалов, в ядерной промышленности в качестве АРК, в качестве катализатора.
Из-за того, что они имеют высокие температуры плавления, они никогда не используются в качестве материала для выплавки на открытом месте. В порошкообразном виде материал уплотняют с помощью плавильных печей.
Тугоплавкие металлы можно переработать в проволоку, слиток, арматуру, жесть или фольгу.
Сплавы ниобия
Ниобий.
Тёмная часть сопла Apollo CSM сделана из сплава титан-ниобий.
Ниобий почти всегда находится вместе с танталом; ниобий был назван в честь Ниобы, дочери Тантала в греческой мифологии. Ниобий находит множество путей для применения, некоторые он разделяет с тугоплавкими металлами.
Его уникальность заключается в том, что он может быть разработан путём отжига для того, чтобы достичь широкого спектра показателей твёрдости и упругости; его показатель плотности самый малый по сравнению с остальными металлами данной группы.
Он может применяться в электролитических конденсаторах и является самым частым металлом в суперпроводниковых сплавах. Ниобий может применяться в газовых турбинах воздушного судна, в электронных лампах и ядерных реакторах.
Сплав ниобия C103, который состоит из 89 % ниобия, 10 % гафния и 1 % титана, находит своё применение при создании сопел в жидкостных ракетных двигателях, например таких как Apollo CSM (англ.). Применявшийся сплав не позволяет ниобию окисляться, так как реакция происходит при температуре от 400 °C.
Сплавы рения
Рений.
Рений является самым последним открытым тугоплавким элементом из всей группы. Он находится в низких концентрациях в рудах других металлов данной группы — платины или меди. Может применяться в качестве легирующего компонента с другими металлами и придает сплавам хорошие характеристики — ковкость и увеличивает предел прочности.
Сплавы с рением могут применяться в компонентах электронных приборов, гироскопах и ядерных реакторах. Самое главное применение находит в качестве катализатора. Может применяться при алкилировании, деалкилировании, гидрогенизации и окислении.
Его столь редкое присутствие в природе делает его самым дорогим из всех тугоплавких металлов.
Удельная прочность тугоплавких металлов
В таблице представлена удельная прочность металлов, рассчитанная при комнатной температуре. В общих случаях она зависима от чистоты и способа получения металла. По результатам сравнительного анализа видны преимущества таких металлов как Nb и Mo. Они значительно выигрывают по сравнению с Ta и W. Выделенное объективно до температуры в 1370 °С.
: Улучшение стали — процесс, технология, улучшаемые стали
Общие свойства тугоплавких металлов
Тугоплавкие металлы и их сплавы привлекают внимание исследователей из-за их необычных свойств и будущих перспектив в применении.
Физические свойства тугоплавких металлов, таких как молибден, тантал и вольфрам, их показатели твёрдости и стабильность при высоких температурах делает их используемым материалом для горячей металлообработки материалов как в вакууме, так и без него. Многие детали основаны на их уникальных свойствах: например, вольфрамовые нити накаливания способны выдерживать температуры вплоть до 3073 K.
Однако, их сопротивляемость к окислению вплоть до 500 °C делает их одним из главных недостатков этой группы. Контакт с воздухом может существенно повлиять на их высокотемпературные характеристики. Именно поэтому их используют в материалах, в которых они изолированы от кислорода (например лампочка).Сплавы тугоплавких металлов — молибдена, тантала и вольфрама — применяются в деталях космических ядерных технологий. Эти компоненты были специально созданы в качестве материала способного выдержать высокие температуры (от 1350 K до 1900 K). Как было указано выше, они не должны контактировать с кислородом.
Температура перехода металлов в сверхпроводящее состояние
| Титан | 0,53 |
| Ванадий | 5,1 |
| Цирконий | 0,7 |
| Ниобий | 9,17 |
| Молибден | 0,9-0,98 |
| Гафний | 0,35 |
| Тантал | 4,40 |
| Рений | 1,7 |
| Вольфрам | 0,05 |
Таблица перевода чисел твердости
| 70 | 86,5 | 1076 | — |
| 69 | 86,0 | 1004 | — |
| 68 | 85,5 | 942 | — |
| 67 | 85,0 | 894 | — |
| 66 | 84,5 | 854 | — |
| 65 | 84,0 | 820 | — |
| 64 | 83,5 | 769 | — |
| 63 | 83,0 | 763 | — |
| 62 | 82,5 | 739 | — |
| 61 | 81,5 | 715 | — |
| 60 | 81,0 | 695 | — |
| 50 | 76,0 | 513 | — |
| 49 | 75,5 | 498 | — |
| 48 | 74,5 | 485 | — |
| 47 | 74,0 | 471 | 448 |
| 46 | 73,5 | 458 | 437 |
| 45 | 73,0 | 446 | 425 |
| 44 | 72,5 | 435 | 415 |
| 42 | 71,5 | 413 | 393 |
| 40 | 70,5 | 393 | 372 |
| 30 | — | 301 | 283 |
| 28 | — | 285 | 270 |
| 26 | — | 271 | 260 |
| 24 | — | 257 | 250 |
| 22 | — | 246 | 240 |
| 20 | — | 236 | 230 |
Упругие свойства тугоплавких металлов
| Титан | — | 9000-10000 | — | — |
| Цирконий | 1,097 | 8960 | 3330 | 0,35 |
| Гафний | — | 9800-14060 | — | — |
| Ванадий | — | 13500 | — | — |
| Ниобий | — | 9080 | 8820 | 0,39 |
| Тантал | 0,52 | 18830 | 7000 | 0,35 |
| Хром | — | 25000 | — | — |
| Молибден | 0,347 | 33630 | 12200 | 0,31 |
| Вольфрам | 0,293 | 41500 | 15140 | 0,30 |
| Рений | — | 47000 | — | — |
| Рутений | — | 42000 | — | — |
| Родий | — | 28640 | — | — |
| Осмий | — | 57000 | — | — |
| Иридий | — | 53830 | — | — |
Коэффициент теплопроводности тугоплавких металлов
| Ванадий | 20 | 33,2 |
| Вольфрам | 27 | 130 |
| Молибден | 27 | 162 |
| Ниобий | 27 | 53 |
| Тантал | 27 | 63 |
| Хром | 27 | 67 |
| Цирконий | 50 | 20,96 |
Термодинамические свойства тугоплавких металлов
| Ванадий | 0,485 | 17,5 | 460 |
| Вольфрам | 24,8 | 35 | 824 |
| Молибден | 0,251 | 28 | 590 |
| Ниобий | 0,268 | 26,8 | 680 |
| Тантал | 0,140 | 24,7 | 758 |
| Хром | 0,488 | 21 | 342 |
| Цирконий | 0,281 | 19,2 | 567 |
Обозначение символов:
- σв — предел прочности;
- σт— предел текучести;
- σ0,2 — предел текучести при котором остаточные деформации составляют 0,2 % от длины испытываемого образца;
- δ — относительное удлинение;
- ψ — относительное сужение;
- k — коэффициент теплопроводности;
- HB — твердость по Бринеллю;
- HV — твердость по Виккерсу;
- HR — твердость по Роквеллу.
| Поделитесь в соц.сетях: |
Тугоплавкие металлы — описание, изделия из тугоплавких Ме
Определение «тугоплавкие металлы» не требует дополнительных пояснений в силу исчерпывающей информативности самого термина. Единственным нюансом остается пороговая температура плавления, после которой вещество можно считать тугоплавким.
Разногласия в критическом параметре
Одни источники устанавливают пороговую величину как 4000 F. В переводе на привычную шкалу это дает 2204 0С. Согласно этому критерию, к жаропрочным относятся только пять элементов: вольфрам, ниобий, рений, тантал и молибден. Например, температура плавления вольфрама составляет 3422 0С.
— плавка вольфрама водородной горелкой
Другое утверждение позволяет расширить класс температуростойких материалов, поскольку принимает за точку отсчета температуру плавления железа – 1539 0С. Это позволяет увеличить список еще на девять элементов, включив в него титан, ванадий, хром, иридий, цирконий, гафний, родий, рутений и осмий.
Существует еще несколько пороговых величин температуры, однако они не получили широкого распространения.
Сравнительная таблица степени тугоплавкости чистых металлов
Следует отметить, что тугоплавкие материалы не ограничиваются исключительно металлами. К этой категории относится ряд соединений – сплавы и легированные металлы, разработанных, чтобы улучшить определенные характеристики исходного материала.
Относительно чистых элементов, можно привести наглядную таблицу степени их температурной устойчивости. Возглавляет ее самый тугоплавкий металл, известный на сегодня, – вольфрам с температурой плавления 3422 0С. Такая осторожная формулировка связана с попытками выделить металлы, обладающие порогом расплава, превосходящим вольфрам.
Поэтому вопрос, какой металл самый тугоплавкий, может в будущем получить совсем иное определение.
Пороговые величины остальных соединений приведены ниже:
- рений 3186;
- осмий 3027;
- тантал 3014;
- молибден 2623;
- ниобий 2477;
- иридий 2446;
- рутений 2334;
- гафний 2233;
- родий 1964;
- ванадий 1910;
- хром 1907;
- цирконий 1855;
- титан 1668.
Остается добавить еще один интересный факт, касающийся физических свойств жапропрочных элементов. Температура плавления некоторых из них чувствительная к чистоте материала.
Ярким примером этому выступает хром, температура плавления которого может варьироваться от 1513 до 1920 0С, в зависимости от химического состава примесей.
Поэтому, данные интернет пространства часто разнятся точными цифрами, однако качественная составляющая от этого не страдает.
Хром в чистом виде
Общие свойства жаропрочных материалов
Относительная схожесть физико-химических характеристик данных элементов, обусловлена общностью атомного строения и тем, что они оказываются переходными металлами. Напротив, различия в свойствах, связаны с их принадлежностью к широкому спектру групп Периодической таблицы: IV – VII.
Базовая общая характеристика тугоплавких материалов – прочные межатомные связи. Для их разрыва требуется высокая энергия, которая и обуславливает температуру плавления в тысячи градусов по Цельсию. Дополнительно, данное свойство сказывается на высоких значениях таких параметров тугоплавких металлов, как: твердость, механическая прочность, электрическое сопротивление.
Следующая характеристика, объединяющая данные элементы, – высокая химическая активность.
Она связана с общей тенденцией тугоплавких металлов образовывать химические связи посредством свободной p- и частично заполненной d-орбитали, отдавая электроны с наружных уровней s и d.
Это свойство затрудняет получение чистых тугоплавких металлов, разбивая технологическое производство на несколько этапов.
Строение жаропрочных элементов также идентично, все они характеризуются объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой. Для этой структуры характерно «охрупчивание». Исключение составляет рений, обладающий гексагональной ячейкой. Переход в хрупкое состояние для каждого металла происходит при определенной температуре, регулирование которой достигается при помощи легирования.
Каждый тугоплавкий металл, по определению жаропрочный, однако не любой из них жаростойкий. Большинство тугоплавких металлов устойчивы к окислению и действию агрессивных сред: кислоты, щелочи; в обычных условиях.
Однако, с повышением температуры до 400 0С их активность аномально возрастает. Это требует создания определенных условий эксплуатации.Поэтому, изделия из тугоплавких металлов, при повышенных температурах использования, часто помещают в атмосферу инертных газов или добиваются степени разреженности воздуха до условий вакуума.
Получение тугоплавких материалов
Как отмечалось ранее, основной препятствующий фактор производству жаропрочных металлов их высокая химическая активность, препятствующая выделению элементов в чистом виде.
Основной технологией получения остается порошковая металлургия. Данная методика позволяет получать порошки тугоплавких металлов различными способами:
- Восстановление триоксидом водорода. Процесс производится в несколько этапов, внутри многотрубных печей при 750 – 950 °С. Технология применима под порошки тугоплавких металлов: вольфрам и молибден.
- Восстановлением водородом перрената. Схема реализуется в производстве металлического рения. Рабочие температуры составляют около 500 °С. Заключительная стадия предусматривает отмывание порошка от щелочи. Для этого последовательно используется горячая вода и раствор соляной кислоты.
- Использование солей металлов. Технология развита для выделения молибдена. Основным сырьем выступает аммонийная соль металла и его металлический порошок, вводимый в смесь на уровне 5 — 15% от массы. Состав проходит термическую обработку 500 – 850 °С в проточном инертном газе. Восстановление металла проходит в атмосфере водорода при температурах 800 – 1000 °С.
Производство тугоплавких металлов — порошковая металлургия
Экскурсия на производство
Способы получения жаропрочных металлов продолжают совершенствоваться, как и химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, что связано с развитием ядерной энергетики, авиастроения, появлением новых моделей ракетных двигателей.
Одно из крупнейших предприятий по производству вольфрама на территории РФ – унечский завод тугоплавких металлов. Этот предприятие относительно молодое, строительство его началось в 2007 году на территории населенного пункта Унеча. Производственный акцент завода направлен на порошки тугоплавких металлов, точнее вольфрама и его карбидов.
В дальнейшем, для получения слитков рассыпчатую массу спекают или сдавливают прессом. Подобным образом порошки тугоплавких металлов обрабатываются для производства жаропрочных изделий.
Применение тугоплавких материалов
Применение чистых жаропрочных металлов имеет приоритеты по ряду направлений:
- производство космических кораблей;
- изготовление управляемых снарядов, ракет;
- электронная и вакуумная техника.
Космическая промышленность
Последний пункт затрагивает электроды электровакуумных радиоламп. Например, высокочистый ниобий используется для производства сеток, трубок электронных деталей. Также из него изготавливаются электроды – аноды электровакуумных приборов.
Электровакуумные радиолампы
Аналогичное применение свойственно молибдену, вольфраму. Эти металлы в чистом виде используются не только как нити накаливания, но и под электроды радиоламп, крючки, подвески электровакуумного оборудования. Монокристаллы вольфрама, напротив, эксплуатируются как подогреватели электродов, в частности катодов, а также при изготовлении электрических контактов, предохранителей.
Чистые ванадий и ниобий используются в ядерной энергетике, где их них изготовлены трубы атомных реакторов, оболочки тепловыделяющих элементов. Область применения высокочистого тантала – химия (посуда и аппаратура), поскольку металл обладает высокой стойкостью к коррозии.
Отдельно следует рассматривать тугоплавкий припой, поскольку он не включает металлов, имеющих высокие температуры плавления. Например, тугоплавкое олово не содержит порошки тугоплавких металлов. В качестве добавок тут используются медь, серебро, никель или магний.
Тугоплавкие металлы и сплавы востребованы как прокат, так и в других сферах. В частности, применение сплавов обусловлено способностью, модифицировать определенные свойства металла: понизить температуру охрупчивания, улучшить жаропорочные характеристики.
Прокат из тугоплавких металлов достаточно широк по ассортименту и включает:
- полосы обычные и для глубокой вытяжки;
Термоэлектродная проволока вольфрам-рениевая
Наиболее крупным отечественным производителем данного типа продукции выступает опытный завод тугоплавких металлов и твердых сплавов.