Содержание
Тугоплавкие металлы: назначение и особенности использования
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.
Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе
К тугоплавким
относят
металлы,
температура плавления которых превышает 1800°С. Наибольшее значение в технике имеют следующие тугоплавкие металлы: Nb, Mo, Cr, W.
Тугоплавкие металлы имеют прочные межатомные связи, что и обеспечивает высокие температуры плавления. Они отличаются малым тепловым расширением, небольшой теплопроводностью, повышенной жесткостью.
Механические свойства тугоплавких металлов зависят от способа производства и содержания примесей, которые увеличивают их хрупкость. Молибден, хром и вольфрам особенно склонны к хрупкому разрушению из-за высокой температуры порога хладноломкости, которую особенно сильно повышают примеси внедрения С, N, Н и О. Наклеп понижает температуру перехода в хрупкое состояние. Жаропрочность тугоплавких металлов может быть повышена как легированием, так и азотированием при 1100… 1200°С в азоте.
Большой недостаток тугоплавких металлов — низкая жаростойкость, поэтому при температуре свыше 400…600°С их нужно защищать от окисления.
Тугоплавкие металлы трудно обрабатываются, так как имеют большое сопротивление пластическому деформированию.
Сплавы на основе тугоплавких металлов обладают более высокой жаропрочностью, чем сами чистые металлы (1500…2000°С).
Тугоплавкие металлы легируют в двух целях: а) для уменьшения их склонности к хрупкому разрушению; б) для повышения прочностных и жаропрочных характеристик.
Сплавы на основе тугоплавких металлов подразделяют на две группы:
1) сплавы со структурой твердого раствора;
2) сплавы, упрочняемые закалкой и старением.
В сплавах первой группы содержание легирующих элементов (Ti, Nb, Zr, Mo, W, Та, Re) выбирают таким, чтобы при увеличении прочности не снизить пластичность и не ухудшить другие свойства.
Сплавы второй группы содержат повышенное количество углерода и карбидообразующие элементы. При старении этой группы сплавов упрочняющей фазой являются карбиды, которые выделяются внутри зерен.
Ниобий— Nb, химический элемент Y группы периодической системы элементов, атомный номер 41, атомная масса 92,9064. Тугоплавкий светло-серый металл, плотность 8570 кг/м3, tnл
= 2500°С, температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К.
Ниобий — высокопластичный металл, имеет очень низкий (ниже -196°С) порог хладноломкости. Химически очень стоек. Хорошо сваривается. Для повышения жаропрочности ниобий легируют молибденом, вольфрамом и цирконием. Широкое использование получил как компонент химически стойких и жаростойких сталей, из которых изготовляют детали ракет, реактивных двигателей, химическую и нефтеперегонную аппаратуру. Недостатки ниобия и его сплавов — малый модуль Юнга и большая склонность к окислению при повышенных температурах.
Основными легирующими элементами для сплавов на основе ниобия являются W, Mo, Ti, Та, V, Zr, Hf и элементы внедрения (С, О, N).
Сплавы на основе ниобия (ВН-2А, ВН-4) обладают хорошей технологичностью, свариваемостью и достаточно высокой жаропрочностью до 1300°С (300…850 МПа). Ниобием и его сплавами покрывают тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. Станид Nb3Sn, германид Nb3Ge, сплавы ниобия с Sn, Ti и Zr используют в радиоэлектронике для изготовления сверхпроводящих соленоидов (Nb3Ge — сверхпроводник с наиболее высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние).
Как чистый ниобий, так и его сплавы активно взаимодействует при нагреве с атмосферными газами, что требует применения защитных покрытий.
Молибден— Мо, химический элемент YI группы периодической системы элементов, атомный номер 42, атомная масса 95,94. Светло-серый металл, плотность 10200 кг/м3, tпл —
2620 °С. Химичеcки стоек (на воздухе окисляется при температуре выше 400°С). Coединения молибдена обладают значительной окислительно-восстановительной и каталитической способностью. Молибден относится к стратегическим металлам.
Более 75 % молибдена применяют для легирования сталей, используемых в авиа- и автомобилестроении, при изготовлении лопаток турбин и др. Весьма перспективны жаропрочные (для реактивных двигателей) и кислотоупорные (аппараты химической промышленности) сплавы; так, сплав Fe— Ni — Mo стоек ко всем кислотам (кроме HF) до 100°С. Молибден — важнейший конструкционный материал в производстве нитей для электрических ламп и катодов для электровакуумных приборов. Молибдены используются в гальванопластике — молибденирование,
а также в аналитической химии для определения фосфора, мышьяка, кремния, германия и некоторых других элементов. Природный минерал молибденит MoS2 является лучшей смазкой для трущихся металлических частей при высоких температурах, повышенном или пониженном давлении, в обычной атмосфере и при отсутствии кислорода.
Сплавы молибдена легированы Zr, Ti, Hf, Nb, W, которые образуют с молибденом твердые растворы и упрочняют его. Для увеличения пластичности в сплав могут добавлять Re. Низколегированные сплавы молибдена это — ВМ1, ЦМ2А, ВМ2 (системы Mo — Ti — Zr). Большей жаропрочностью обладают гетерофазные, термически упрочняемые сложнолегированные сплавы — ВМЗ, ЦМВЗО, ЦМВ50, ЦМ10. Длительную прочность молибденовых сплавов повышает вольфрам, вводимый в большом (30 и 50 %) количестве, — сплавы ЦМВЗО и ЦМВ50. Сплав ЦМ10 относится к свариваемым сплавам из-за уменьшения в нем содержания углерода и примесей внедрения.
Хром— Сг, химический элемент YI группы периодической системы элементов, атомный номер 24, атомная масса 51,996. Твердый металл серо-стального цвета; плотность 7190 кг/ 3, tпл =
1903°С. На воздухе не окисляется. Хром — обязательный компонент нержавеющих, кислотоупорных, жаростойких сталей и большого числа других сплавов (нихромы, хромали, стеллит). Применяется для хромирования.
Сплавы хрома, как и чистый хром, обладают очень высокой стойкостью к окислению, вплоть до 1000—1100°С. Хром в этих сплавах легируется W, V, Ni, Ti, Y (сплавы ВХ-1И, ВХ-2, ВХ-4), а также Hf, Mo, Zr, Та. Сплавы хрома, кроме высоколегированного сплава ВХ-4, малопластичные, но обеспечивают высокие значения длительной прочности.
Вольфрам — W, химический элемент VI группы периодической темы элементов, атомный номер 74, атомная масса 183,85. Светло-серый, очень тяжелый (плотность 19300 кг/м3) металл, наиболее тугоплавкий (tпл
= 3410°C) из металлов. Важные свойства вольфрама: высокая электронная эмиссия при накаливании металла и большая мощность излучаемой поверхностью металла энергии при высоких температурах. На воздухе при обычной температуре он устойчив. К недостаткам вольфрама следует отнести высокую склонность к хладноломкости и малое сопротивление окислению даже при не слишком высоких температурах.
В промышленном масштабе применяют в основном нелегированный вольфрам, а число промышленных и полупромышленных сплавов на его основе весьма ограничено.
Сплавы на основе вольфрама могут быть легированы Nb, Та, Мо, Zr, Hf, Re, Сu др. Различают однофазные сплавы вольфрама — твердые растворы и гетерофазные, упрочненные дисперсионными частицами карбидов, боридов и оксидов. К однофазным сплавам относятся сплавы систем W — Nb и W — Мо, к группе гетерофазных — системы W — Та — С (сплав ТСВ).
Главная область применения вольфрама — производство сталей (около 85 %). Он входит в состав жаропрочных сверхтвердых сталей (инструментальные, быстрорежущие) и сплавов (победит, стеллит и др.). Чистый вольфрам используется в электротехнике (нити ламп накаливания) и радиоэлектронике (катоды и аноды электронных приборов), для спиральных нагревателей в электрических печах, электродов, различных деталей для высоковакуумных и рентгеновских приборов, при атомно-водородной сварке.
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.
Среднеплавкие металлы
Среднеплавкие металлы начинают переходить из твердого в жидкое состояние при температуре от 600°C до 1600°C. Они используются для изготовления плит, арматур, блоков и других металлических конструкций, пригодных для строительства. К этой группе металлов относятся железо, медь, алюминий, они также входят в состав многих сплавов. Медь добавляют в сплавы драгоценных металлов, таких как золото, серебро, платина. Золото 750 пробы на 25% состоит из лигатурных металлов, в том числе и меди, которая придает ему красноватый оттенок. Температура плавления этого материала равна 1084 °C. А алюминий начинает плавиться при относительно низкой температуре, составляющей 660 градусов Цельсия. Это легкий пластичный и недорогой металл, который не окисляется и не ржавеет, поэтому широко используется при изготовлении посуды. Температура плавления железа равна 1539 градусов. Это один из самых популярных и доступных металлов, его применение распространено в строительстве и автомобильной промышленности. Но ввиду того, что железо подвергается коррозии, его нужно дополнительно обрабатывать и покрывать защитным слоем краски, олифы или не допускать попадания влаги.
Читать также: Поплавковый выключатель в сливном бачке
Вольфрам
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.
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.
Таблица характеристик
Металлы и сплавы – непременная основа для ковки
, литейного производства, ювелирной продукции и многих других сфер производства. Чтобы не делал мастер (
ювелирные украшения из золота
, ограды из чугуна, ножи из стали или
браслеты из меди)
, для правильной работы ему необходимо знать температуры, при которых плавится тот или иной элемент.
Чтобы узнать этот параметр, нужно обратиться к таблице. В таблице также можно найти и градус кипения.
Среди наиболее часто применяемых в быту элементов показатели температуры плавления такие:
- алюминий – 660 °C;
- температура плавления меди – 1083 °C;
- температура плавления золота – 1063 °C;
- серебро – 960 °C;
- олово – 232 °C. Олово часто используют при пайке, так как температура работающего паяльника составляет как раз 250–400 градусов;
- свинец – 327 °C;
- температура плавления железо – 1539 °C;
- температура плавления стали (сплав железа и углерода) – от 1300 °C до 1500 °C. Она колеблется в зависимости от насыщенности стали компонентами;
- температура плавления чугуна (также сплав железа и углерода) – от 1100 °C до 1300 °C;
- ртуть – -38,9 °C.
Как понятно из этой части таблицы, самый легкоплавкий металл – ртуть, которая при плюсовых температурах уже находится в жидком состоянии.
Читать также: Как найти пробитый конденсатор на плате
Градус кипения всех этих элементов почти вдвое, а иногда и ещё выше градуса плавления. Например, у золота он 2660 °C, у алюминия
– 2519 °C
, у железа – 2900 °C, у меди – 2580 °C, у ртути – 356,73 °C.
У сплавов типа стали, чугуна и прочих металлов расчёт примерно такой же и зависит от соотношения компонентов в сплаве.
Максимальная температура кипения у металлов – у рения
– 5596 °C
. Наибольшая температура кипения – у наиболее тугоплавящихся материалов.
Бывают таблицы, в которых также указана плотность металлов
. Самым лёгким металлом является литий, самым тяжёлым – осмий.
У осмия плотность выше, чем у урана
и плутония, если рассматривать её при комнатной температуре. К лёгким металлам относятся: магний, алюминий, титан. К тяжёлым относится большинство распространённых металлов: железо, медь, цинк, олово и многие другие. Последняя группа – очень тяжёлые металлы, к ним относятся: вольфрам, золото, свинец и другие.
Ещё один показатель, встречающийся в таблицах – это теплопроводность металлов
. Хуже всего тепло проводит нептуний, а лучший по теплопроводности металл – серебро. Золото, сталь, железо, чугун и прочие элементы находится посередине между этими двумя крайностями. Чёткие характеристики для каждого можно найти в нужной таблице.
Температура плавления, наряду с плотностью, относится к физическим характеристикам металлов
.
Температура плавления металла
– температура, при которой металл переходит из твердого состояния, в котором находится в нормальном состоянии (кроме ртути), в жидкое состояние при нагревании. При плавлении объем металла практически не изменяется, поэтому на температуру плавления нормальное
атмосферное давление не влияет
.
Температура плавления металлов находится в диапазоне от -39 градусов Цельсия до +3410 градусов
. Для большинства металлов температура плавления высокая, однако, некоторые металлы можно расплавить в домашних условиях при нагревании на обычной горелке (олово, свинец).
Классификация металлов по температуре плавления
- Легкоплавкие металлы
, температура плавления которых колеблется
до 600
градусов Цельсия, например
цинк, олово, висмут
. - Среднеплавкие металлы
, которые плавятся при температуре
от 600 до 1600
градусов Цельсия: такие как
алюминий, медь, олово, железо
. - Тугоплавкие металлы
, температура плавления которых достигает
более 1600
градусов Цельсия –
вольфрам, титан, хром
и др. - – единственный металл, находящийся при обычных условиях (нормальное атмосферное давление, средняя температура окружающей среды) в жидком состоянии. Температура плавления ртути составляет порядка -39 градусов
по Цельсию.
Таблица температур плавления металлов и сплавов
| Металл | |
| Алюминий | 660,4 |
| Вольфрам | 3420 |
| Дюралюмин | |
| Железо | 1539 |
| Золото | 1063 |
| Иридий | 2447 |
| Калий | 63,6 |
| Кремний | 1415 |
| Латунь | |
| Легкоплавкий сплав | 60,5 |
| Магний | 650 |
| Медь | 1084,5 |
| Натрий | 97,8 |
| Никель | 1455 |
| Олово | 231,9 |
| Платина | 1769,3 |
| Ртуть | –38,9 |
| Свинец | 327,4 |
| Серебро | 961,9 |
| Сталь | 1300-1500 |
| Цинк | 419,5 |
| Чугун | 1100-1300 |
При плавлении металла для изготовления металлических изделий-отливок от температуры плавления зависит выбор оборудования, материала для формовки металла и др. Следует также помнить, что при легировании металла другими элементами температура плавления чаще всего снижается
Не стоит путать понятия «температура плавления металла» и «температура кипения металла» – для многих металлов эти характеристики существенно отличаются: так, серебро плавится при температуре 961 градус по Цельсию, а закипает только при достижении нагрева до 2180 градусов.
Температура плавления металла – это минимальная температура, при которой он переходит из твердого состояния в жидкое. При плавлении его объем практически не изменяется. Металлы классифицируют по температуре плавления в зависимости от степени нагревания.
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.
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.
Таблица характеристик
Металлы и сплавы — непременная основа для ковки, литейного производства, ювелирной продукции и многих других сфер производства. Чтобы не делал мастер (ювелирные украшения из золота, ограды из чугуна, ножи из стали или браслеты из меди), для правильной работы ему необходимо знать температуры, при которых плавится тот или иной элемент.
Чтобы узнать этот параметр, нужно обратиться к таблице. В таблице также можно найти и градус кипения.
Среди наиболее часто применяемых в быту элементов показатели температуры плавления такие:
- алюминий — 660 °C;
- температура плавления меди — 1083 °C;
- температура плавления золота — 1063 °C;
- серебро — 960 °C;
- олово — 232 °C. Олово часто используют при пайке, так как температура работающего паяльника составляет как раз 250–400 градусов;
- свинец — 327 °C;
- температура плавления железо — 1539 °C;
- температура плавления стали (сплав железа и углерода) — от 1300 °C до 1500 °C. Она колеблется в зависимости от насыщенности стали компонентами;
- температура плавления чугуна (также сплав железа и углерода) — от 1100 °C до 1300 °C;
- ртуть — -38,9 °C.
Как понятно из этой части таблицы, самый легкоплавкий металл — ртуть, которая при плюсовых температурах уже находится в жидком состоянии.
Градус кипения всех этих элементов почти вдвое, а иногда и ещё выше градуса плавления. Например, у золота он 2660 °C, у алюминия — 2519 °C, у железа — 2900 °C, у меди — 2580 °C, у ртути — 356,73 °C.
У сплавов типа стали, чугуна и прочих металлов расчёт примерно такой же и зависит от соотношения компонентов в сплаве.
Читать также: Резка металла из рулона
Максимальная температура кипения у металлов — у рения — 5596 °C. Наибольшая температура кипения — у наиболее тугоплавящихся материалов.
Бывают таблицы, в которых также указана плотность металлов. Самым лёгким металлом является литий, самым тяжёлым — осмий. У осмия плотность выше, чем у урана и плутония, если рассматривать её при комнатной температуре. К лёгким металлам относятся: магний, алюминий, титан. К тяжёлым относится большинство распространённых металлов: железо, медь, цинк, олово и многие другие. Последняя группа — очень тяжёлые металлы, к ним относятся: вольфрам, золото, свинец и другие.
Ещё один показатель, встречающийся в таблицах — это теплопроводность металлов. Хуже всего тепло проводит нептуний, а лучший по теплопроводности металл — серебро. Золото, сталь, железо, чугун и прочие элементы находится посередине между этими двумя крайностями. Чёткие характеристики для каждого можно найти в нужной таблице.
Каждый металл или сплав обладает уникальными свойствами, в число которых входит температура плавления. При этом объект переходит из одного состояния в другое, в конкретном случае становится из твёрдого жидким. Чтобы его расплавить, необходимо подвести к нему тепло и нагревать до достижения нужной температуры. В момент, когда достигается нужная точка температуры данного сплава, он ещё может остаться в твёрдом состоянии. При продолжении воздействия начинает плавиться.
Наиболее низкая температура плавления у ртути – она плавится даже при -39 °C, самая высокая у вольфрама – 3422 °C. Для сплавов (стали и других) определить точную цифру крайне сложно. Все зависит от соотношения компонентов в них. У сплавов она записывается как числовой промежуток.
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.
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.
ТОП-5 промышленно-значимых самых тугоплавких металлов
В промышленности термин «тугоплавкий металл» весьма распространен. Благодаря физическим свойствам, группу веществ металлического типа ценят во всех металлургийных отраслях.
Да что там говорить, без открытия самого тугоплавкого металла наш мир не увидел бы лампочку в ее классическом виде еще десятки лет. В сегодняшней статье будут рассмотрены особенности тугоплавких металлов, их физические/химические свойства + области применения в различных областях промышленности и не только.
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.
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.
Видео – 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.
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.
Исторические сведения
Прежде чем изучать характеристики самых тугоплавких металлов в мире следует ознакомиться с их историей открытия. Металлообработка известна человеку несколько тысяч лет. Однако активное получение тугоплавких металлов началось только со второй половины 19 века.
Изначально они использовались только в электротехнике. С появлением новых технологий в строении самолётов, машин, поездов и ракет детали с высоким показателем плавления начали использоваться активнее. Пик популярности заготовок, выдерживающих температуры более 1000 градусов, пришёлся на середину 20 века.
Вольфрам
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.
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.
Аустенитно-ферритные и аустенитные стальные сплавы
Самые значимые особенности аустенитных сталей в том, что внутренняя их структура формируется благодаря никелю в их составе, а жаростойкость связана с хромом.
В сплавах данной категории, отличающихся малым содержанием углерода, иногда присутствуют легирующие элементы титан и ниобий. Стали, основу внутренней структуры которых составляет аустенит, входят в категорию нержавеющих и при длительном воздействии больших температур (до 1000°C) хорошо противостоят формированию окалины.
Наиболее распространенные сегодня стали с аустенитной структурой – это дисперсионно-твердеющие сплавы. С целью улучшения качественных характеристик добавляются карбидные или интерметаллические упрочнители.
Наиболее популярные марки, основа внутренней структуры которых – аустенит:
- Дисперсионно-твердеющие Х12Н20Т3Р, 4Х12Н8Г8МФБ, 4Х14Н14В2М, 0Х14Н28В3Т3ЮР.
- Гомогенные 1Х14Н16Б, 1Х14Н18В2Б, Х18Н12Т, Х18Н10Т, Х23Н18, Х25Н16Г7АР, Х25Н20С2.
Стальные сплавы на основе смеси аустенита и феррита отличает очень высокая жаропрочность, которая по показателям превышает аналогичный параметр даже у высокохромистых материалов. Характеристики жаропрочности достигаются и за счет высокой стабильности внутренней структуры сталей этой категории. Изделия из них успешно эксплуатируются даже при температурах до 1150°С.
Жаропрочные стали с аустенитно-мартенситной структурой характеризуются повышенной хрупкостью, поэтому не могут использоваться в производстве изделий, которые эксплуатируются под высокой нагрузкой.
Из жаропрочных сталей этой категории делаются изделия такого назначения:
- Жаропрочные трубы, конвейеры для печей, емкости для цементации (Х20Н14С2 и 0Х20Н14С2).
- Пирометрические трубки (Х23Н13).
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.
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.
Ртуть
Полезный во многих сферах, но ядовитый металл был известен еще до нашей эры. Ртуть использовали античные и средневековые медики для лечения венерических и многих других заболеваний, алхимики пытались сделать из нее золото. Сегодня она применяется в электротехнике, приборостроении и органической химии.
Руть – это наиболее легкоплавкий металл на планете. При нормальных комнатных условиях она всегда жидкая, так как температура ее плавления составляет -39 градуса. Ее пары очень опасны, поэтому ртуть содержат только в контейнерах и специальных стеклянных колбах. На организм она действует как яд, отравляя его и выводя из строя нервную, иммунную, дыхательную и пищеварительную системы.
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.
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.
Галлий
Вторым в списке наиболее легкоплавких металлов находится галлий. Он становится жидкостью при температуре выше 29,5 градусов Цельсия, и размягчить его можно просто подержав немного в руках. При нормальных условиях галлий очень хрупкий, легко поддается механическому воздействию и окрашен в светло-серебристый, несколько голубоватый оттенок.
Металл очень рассеян в земной коре и не встречается в виде самородков. В природе его находят в составе различных минералов, таких как гранат, мусковит, турмалин, хлорит, полевой шпат. Кроме того, он содержится в морской воде. Галлий используют в высокочастотной электронике, для изготовления зеркал и различных сплавов.
Источник https://paes250.ru/metally/tugoplavkie-i-splavy.html
Источник https://lux-stahl.ru/stanki-i-instrumenty/samyj-tugoplavkij-metall.html
Источник