Тугоплавкие металлы – список и их полезные свойства

О признаке, по которому металл причисляют к группе, говорит название.

Тугоплавкие металлы – это химические элементы с температурой плавления выше большинства остальных:

• В классическом понимании это более 2200°С. Таким свойством наделены пять металлов.
• Однако термин «тугоплавкие» применяют и в отношении металлов с температурой плавления выше железа, т.е. от 1850°С. По этому параметру тугоплавкими металлами являются еще девять элементов.

Таким образом, список тугоплавких элементов включает 14 позиций.

Где применяется вольфрам?

Широко используют соединения вольфрама. Их применяют в машиностроительной и горнодобывающей промышленностях, для бурения скважин. Из данного металла благодаря его высокой прочности и твердости изготавливают детали двигателей летательных аппаратов, нити накаливания, артиллерийские снаряды, сверхскоростные роторы гироскопов, пули и т.д. Также вольфрам успешно применяется как электрод при аргонно-дуговой сварке. Не обходятся и такие отрасли промышленности без соединений вольфрама – текстильная, лакокрасочная.

Физико-химические характеристики

Главная характеристика группы – тугоплавкость – обеспечивается структурой атомов. Электроны располагаются так близко, что для разрыва межатомных связок требуется температура до двух тысяч градусов.

Вторая общая черта – замедленность деформации ползучести. Чтобы они начали «расползаться», требуется нагрев 1500+°C. В отличие от легкоплавких металлов, которые растекаются при паре сотен градусов.

Однако большинство свойств тугоплавких металлов (плотность, твердость, сопротивляемость сжатию) разнятся из-за принадлежности к разным группам и отличий в структуре кристаллической решетки.

Больше схожести в химических свойствах:

• Легкость образования соединений с другими элементами, из-за чего обнаружить тугоплавы в чистом виде невозможно.
• На воздухе покрываются защитной пленкой. Скорость определяется температурой.
• При нагреве либо взаимодействии с газами (азотом, водородом, углеродом) первоначальные свойства утрачиваются, развивается коррозия, появляется хрупкость.
• Устойчивость перед воздействием кислот.

Учитывая такие характеристики, с элементами работают в вакууме. Самый распространенный пример – вольфрамовая нить накаливания внутри бытовой лампочки.

Понятие о шкале температур

Некоторые неметаллические предметы тоже обладают похожими свойствами. Самым распространённым является вода. Относительно свойств жидкости, занимающей господствующее положение на Земле, была разработана шкала температур. Реперными точками признаны температура изменения агрегатных состояний воды:

1. Превращения из жидкости в твердое вещество и наоборот приняты за ноль градусов.
2. Кипения (парообразования внутри жидкости) при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) принята за 100 ⁰С.

Внимание! Кроме шкалы Цельсия на практике измеряют температуру в градусах Фаренгейта и по абсолютной шкале Кельвина. Но при исследовании свойств металлических предметов другие шкалы используют довольно редко.

Технология получения

Исходник большинства тугоплавов – руда.

1. Из нее удаляют примеси.
2. Рафинируют (восстанавливают нужный элемент). Способ восстановления зависит от требуемой степени чистоты металла. Поэтому задействуют дугообразную, электронно-лучевую либо плазменную плавку.
3. Лучший продукт дает плазма. Он представляет собой мелкие гранулы, порошок либо заготовки (проволока, фольга, слитки, арматура, прокат).

Технология плавления специфична, поэтому таким сырьем занимаются специальные предприятия. В СССР их было всего два.

Обработка тугоплавких металлов возможна только методами порошковой металлургии.

Как получают вольфрам?

В природе чистый вольфрам не встречается. Он входит в состав горных пород в виде триоксида, а также вольфрамитов железа, марганца и кальция, реже меди или свинца. По оценкам ученых содержание вольфрама в земной коре в среднем составляет 1,3 грамма на одну тонну. Это достаточно редкий элемент по сравнению с другими видами металлов. Содержание вольфрама в руде после добычи обычно не превышает 2%. Поэтому добытое сырье отправляется на обогатительные фабрики, где методом магнитной или электростатической сепарации массовая доля металла доводится до отметки 55-60%.

Процесс его получения разделяется на технологические этапы. На первом этапе выделяют чистый триоксид из добытой руды. Для этого используют метод термического разложения. При температурах от 500 до 800 градусов по Цельсию все лишние элементы расплавляются, а тугоплавкий вольфрам в виде оксида легко можно собрать из расплава. На выходе получается сырье с содержанием оксида шестивалентного вольфрама на уровне 99%.

Полученное соединение тщательно измельчают и проводят восстановительную реакцию в присутствии водорода при температуре 700 градусов по Цельсию. Это позволяет выделить чистый металл в виде порошка. Далее его спрессовывают под высоким давлением и спекают в водородной среде при температурах 1200-1300 градусов по Цельсию. После этого полученная масса отправляется в электрическую плавильную печь, где под воздействием тока нагревается до температуры свыше 3000 градусов. Так вольфрам переходит в расплавленное состояние.

Для окончательной очистки от примесей и получения монокристаллической структурной решетки используется метод зонной плавки. Он подразумевает, что в определенный момент времени расплавленной находится только некоторая зона из общей площади металла. Постепенно двигаясь, эта зона перераспределяет примеси, в результате чего в конечном итоге они скапливаются в одном месте и их легко можно удалить из структуры сплава.

Готовый вольфрам поступает на склад в виде штабиков или слитков, предназначенных для последующего производства нужной продукции. Для получения сплавов вольфрама все составные элементы измельчают и смешивают в виде порошка в необходимых пропорциях. Далее производится спекание и плавка в электрической печи.

Сферы применения

Применение тугоплавких металлов не ограничивается бытовыми лампочками.

Их свойства обеспечивают использование всеми отраслями промышленного комплекса, ВПК, в быту:

• Металлургия. Компонент-лигатура для сплавов.
• Судо-, авиа-, космостроение. Детали двигателей.
• Ядерный сектор. Материал деталей реакторов.
• Химпром. Катализатор, источник света.
• Электроника. Конденсаторы.

Материал популярен как база жаропрочных, повышенно устойчивых конструкций (огнеупоров) для указанных отраслей. Особенно если требуются детали сложной конфигурации.

Особняком стоит выращивание рубинов. Для этого в бесцветный кристалл добавляют микродозы хрома.

Почти всегда применяются сплавы. Например, ядерщиками и строителями космических аппаратов востребована молибденово-танталово-вольфрамовая композиция. Она не деформируется при температурах порядка 4000°С, упруга, пластична, невосприимчива к ржавлению.

Ниобий и его сплавы

Nb, или ниобий, — при обычных условиях серебристо-белый блестящий металл. Он также является тугоплавким, поскольку температура перехода в жидкое состояние для него составляет 2477 оС. Именно это качество, а также сочетание низкой химической активности и сверхпроводимости позволяет ниобию становиться все более популярным в практической деятельности человека с каждым годом. Сегодня этот металл используется в таких отраслях, как:

• ракетостроение;
• авиационная и космическая промышленность;
• атомная энергетика;
• химическое аппаратостроение;
• радиотехника.

Этот металл сохраняет свои физические свойства даже при очень низких температурах. Изделия на его основе отличаются коррозионной устойчивостью, жаростойкостью, прочностью, отличной проводимостью.

Этот металл добавляют к алюминиевым материалам для повышения химической стойкости. Из него изготовляют катоды и аноды, им легируют цветные сплавы. Даже монеты в некоторых странах делают с содержанием ниобия.

Классификация

В зависимости от температуры плавления тугоплавкие металлы причисляются к основной либо дополнительной группе.

Основная группа

Данный сегмент включает пять позиций: вольфрам, ниобий, тантал, молибден, рений. Плавятся при 2200°С+.
Свойства четвёртой группы элементов

Название	Ниобий	Молибден	Тантал	Вольфрам	Рений
Температура плавления	2750 K (2477 °C)	2896 K (2623 °C)	3290 K (3017 °C)	3695 K (3422 °C)	3459 K (3186 °C)
Температура кипения	5017 K (4744 °C)	4912 K (4639 °C)	5731 K (5458 °C)	5828 K (5555 °C)	5869 K (5596 °C)
Плотность	8,57 г·см³	10,28 г·см³	16,69 г·см³	19,25 г·см³	21,02 г·см³
Модуль Юнга	105 ГПа	329 ГПа	186 ГПа	411 ГПа	463 ГПа
Твёрдость по Виккерсу	1320 МПа	1530 МПа	873 МПа	3430 МПа	2450 МПа

Молибден

Самый востребованный из тугоплавких элементов.

Сфера использования номер один – металлургия:

• Молибденом «усиливают» сталь, чтобы получить твердый сплав.
• На пару с нержавеющей сталью применяют как материал инфраструктуры трубопроводов, деталей автомобилей, другой продукции машиностроения.
• Благодаря температуре плавления, износостойкости, малой истираемости используется как легирующая присадка.

Молибдену требуется пара процентов лигатур в составе, чтобы свойства сплава изменились.

Например, полпроцента титана плюс 0,08% циркония создают молибденовый сплав, не снижающий прочность до 1060°C.

Неординарные параметры по трению обусловили использование молибдена как долговечной смазки с высоким КПД.

Материал незаменим для ртутных реле, поскольку амальгама с данным металлом ртутью не формируется.

Вольфрам

Открыт в конце 18 века. Самый твердый и самый тугоплавкий (3422°C) металл.

Тугоплавкий прочный металл, светло-серого цвета – вольфрам

Вместе с медью и железом используется как основа (до 80%) сплавов с рением, торием, никелем. Такие добавки повышают плотность, порог стойкости к ржавлению, надежность.

Востребован как материал систем электроснабжения, приборов, боеприпасов, ядерных боеголовок ракет. Никелевые сплавы как материал клюшек ценят поклонники гольфа.

Вольфрам в слитках

Вольфрам, его сплавы востребованы там, где нужна повышенная плотность в условиях запредельных температур.

Тантал

Самый стойкий к кислотам, коррозии из сегмента тугоплавких металлов.

Тяжёлый твёрдый металл серого цвета – тантал

Поэтому используется в конденсаторах смартфонов, планшетов, других гаджетов.

Совместим с биологическими организмами (не меняется под воздействием природных кислот). Благодаря этому применяется медициной.

В природе ниобий и тантал соседи. Не случайно названы по именам отца и дочери – Тантала и Ниобы, персонажей древнегреческих мифов.

Ниобий

Металл с небанальными характеристиками:

• Самый легкий (малой плотности) в сегменте.
• Уникален благодаря свойству менять коэффициент твердости и упругости в зависимости от степени отжига.
• Самый частый в сплавах-суперпроводниках.

Применяется как материал конденсаторов, газовых турбин ракет, самолетов. А также элемент ядерных реакторов и ламп электронных приборов.

Вместе с гафнием и титаном – материал двигателей космических аппаратов (например, американского Аполлона).

Цена ниобия

Поскольку элемент не имеет больших залежей на земле и имеет сложную технологию производства его цена всегда было очень высокой и сростом развития автомобилестроения, энергетики, самолетостроения и космической технологии его цена неуклонно росла. При этом были периоды, когда она оставалась низкой из-за кризисных явлениях в мировой экономики.
Цена Nb на мировом рынке в тыс. $ за метрическую тонну по годам:

• 1940 – 0.77162;
• 1950 -13.991;
• 2004 – 48.372;
• 2010 – 41.500;
• 2018 – 42.280.

Азиатско-Тихоокеанский регион в потреблении Nb начал доминировать на мировом рынке с 2021 года, что было вызвано ростом использования конструкционных сталей в автомобильной и аэрокосмической промышленности в таких странах, как Китай, Индия и Япония.

На мировом рынке Nb крупным производителем является CBMM (Бразилия), обладающая монополией на его поставки с 84% долей мирового рынка.

Другие известные компании:

1. China Molybdenum Co. Ltd, Китай NIOBEC (Magris Resources Company), Канада.
2. Alkane Resources Ltd, США.
3. Современное российское предприятие-производитель Nb в кон.
4. Предприятия, которые остановили производство: Malyshevskoye mine department, ОАО «Забайкальский ГОК», ООО «Стальмаг», ОАО «Вишневогорский ГОК».

Цена ниобия – 42.280 тыс. $ за метрическую тонну
Сегодня в России реализуются проекты с инвестициями по восстановлению редкоземельных месторождений и развитию ниобиевой отрасли:

1. Томторпроект.
2. Белозиминское месторождение.
3. Катугинскоеместорождение.
4. Чуктуконскоеместорождение.
5. Зашихинскоеместорождение.
6. Улуг-Танзекское месторождение.

Ожидается, что в 2019-2024 гг на мировом рынке ниобия будет среднегодовой темп роста в 5,90%. Основные факторы, влияющими на него – высокое потребление Nb в конструкционной стали и широкое использование сплавов при производстве авиационных двигателей.

Рекорды для неорганических веществ

Самым сильным стабильным окислителем

, является комплекс дифторида криптона и пентафторида сурьмы. Из-за сильного окисляющего действия (окисляет все элементы в высшие степени окисления, в том числе кислород и азот воздуха) для него очень трудно измерить электродный потенциал. Единственный растворитель, который реагирует с ним достаточно медленно – безводный фтористый водород.

Самым плотным веществом

, является осмий. Его плотность составляет 22,5 г/см 3 .

Самый легкий металл

– это литий. Его плотность составляет 0,543 г/см 3 .

Самый дорогой металл

– это калифорний. Его стоимость в настоящее время составляет 6 500 000 долларов за 1 грамм.

9 Тугоплавкие и благородные металлы и сплавы

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.

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.

Производство тугоплавких металлов

Все способы производства тугоплавких металлов основаны на методиках так называемой порошковой металлургии. Сам процесс происходит в несколько этапов:

1. На начальном этапе получают порошок металла.
2. Затем методами химического восстановления (обычно аммонийных солей или оксидов) выделяют требуемый металл. Такое выделение получается в результате воздействия на порошок водорода.
3. 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: Автомат переключения на резервное питание от генератора

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.

Приложения [ править ]

Тугоплавкие металлы используются в осветительных приборах , инструментах, смазках , стержнях управления ядерными реакциями , в качестве катализаторов и из-за их химических или электрических свойств. Из-за высокой температуры плавления компоненты из тугоплавких металлов никогда не производятся путем литья . Используется процесс порошковой металлургии. Порошки чистого металла уплотняются, нагреваются электрическим током, а затем изготавливаются методом холодной обработки с этапами отжига. Из тугоплавких металлов можно производить проволоку , слитки , арматуру , листы или фольгу .

Молибденовые сплавы [ править ]

Основные статьи: Молибден и молибден § Приложения

Сплавы на основе молибдена широко используются, потому что они дешевле, чем сплавы вольфрама более высокого качества. Наиболее широко используемый сплав молибдена является Т

Itanium —
Z
irconium —
М
olybdenum сплав ПЗМ, состоящий из 0,5% титана и 0,08% циркония (с молибденом быть остальным). Сплав демонстрирует более высокое сопротивление ползучести и прочность при высоких температурах, что позволяет использовать материал при температурах выше 1060 ° C. Высокое сопротивление Mo-30W, сплава, состоящего из 70% молибдена и 30% вольфрама, против воздействия расплавленного цинка делает его идеальным материалом для литья цинка. Он также используется для изготовления клапанов для расплавленного цинка. [9]

Молибден используется в герконовых реле , смачиваемых ртутью , поскольку молибден не образует амальгамы и поэтому устойчив к коррозии жидкой ртутью . [10] [11]

Молибден — наиболее часто используемый из тугоплавких металлов. Наиболее важным является использование в качестве укрепления сплава из стали . Конструкционные трубы и трубопроводы часто содержат молибден, как и многие нержавеющие стали . Его прочность при высоких температурах, износостойкость и низкий коэффициент трения — все это свойства, которые делают его бесценным легирующим составом. Его превосходные антифрикционные свойства позволяют использовать его в консистентных смазках и маслах, где надежность и производительность имеют решающее значение. Автомобильные шарниры равных угловых скоростейиспользуйте консистентную смазку, содержащую молибден. Состав легко прилипает к металлу и образует очень твердое, устойчивое к трению покрытие. Большая часть мировых запасов молибденовой руды находится в Китае, США , Чили и Канаде . [12] [13] [14] [15]

Вольфрам и его сплавы [ править ]

Основные статьи: Применение вольфрама и вольфрама §

Вольфрам был открыт в 1781 году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле . Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления из всех металлов — 3410 ° C (6170 ° F ).

Нить лампы накаливания мощностью 200 Вт при большом увеличении

До 22% рения легировано вольфрамом для повышения его жаропрочности и коррозионной стойкости. Торий в качестве легирующего соединения используется при возникновении электрической дуги. Зажигание происходит легче, а дуга горит более стабильно, чем без добавления тория. Для применения в порошковой металлургии в процессе спекания необходимо использовать связующие. Для производства тяжелого сплава вольфрама широко используются связующие смеси никеля и железа или никеля и меди . Содержание вольфрама в сплаве обычно превышает 90%. Распространение связующих элементов в зерна вольфрама невелико даже при спекании.температуры и, следовательно, внутренняя часть зерен — чистый вольфрам. [16]

Вольфрам и его сплавы часто используются в приложениях, где присутствуют высокие температуры, но все же необходима высокая прочность, а высокая плотность не вызывает проблем. [17] Нити из вольфрамовой проволоки обеспечивают подавляющее большинство домашних ламп накаливания , но также широко используются в промышленном освещении в качестве электродов в дуговых лампах. Лампы становятся более эффективными в преобразовании электрической энергии в свет при более высоких температурах, и поэтому высокая температура плавления имеет важное значение для применения в качестве нити накаливания. [18] В оборудовании для дуговой сварки вольфрамовым электродом (GTAW, также известной как сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG)) используется постоянный неплавкий электрод.. Высокая температура плавления и износостойкость против электрической дуги делают вольфрам подходящим материалом для изготовления электрода. [19] [20]

Высокая плотность и прочность вольфрама также являются ключевыми свойствами для его использования в боевых снарядах , например, в качестве альтернативы обедненному урану для танковых орудий. [21] Его высокая температура плавления делает вольфрам хорошим материалом для таких применений, как сопла ракет , например, в UGM-27 Polaris . [22] Некоторые применения вольфрама связаны не с его тугоплавкими свойствами, а просто с его плотностью. Например, он используется в балансирах самолетов и вертолетов или для голов клюшек для гольфа . [23] [24] В этих приложениях также могут использоваться аналогичные плотные материалы, такие как более дорогой осмий.

Чаще всего вольфрам используется в качестве составного карбида вольфрама в сверлах , обрабатывающих и режущих инструментах. Самые большие запасы вольфрама находятся в Китае , его месторождения — в Корее , Боливии , Австралии и других странах.

Он также используется в качестве смазки , антиоксиданта в форсунках и втулках, в качестве защитного покрытия и во многих других отношениях. Вольфрам можно найти в типографских красках, рентгеновских экранах, при обработке нефтепродуктов и огнестойкости текстильных изделий .

Ниобиевые сплавы [ править ]

Основные статьи: ниобий § Приложения и ниобиевый сплав

Apollo CSM с темным соплом ракеты из ниобий-титанового сплава

Ниобий почти всегда встречается вместе с танталом и был назван в честь Ниобы , дочери мифического греческого царя Тантала, в честь которого был назван тантал. Ниобий имеет множество применений, в некоторых из которых он разделяет другие тугоплавкие металлы. Он уникален тем, что его можно обрабатывать путем отжига для достижения широкого диапазона прочности и пластичности , и он является наименее плотным из тугоплавких металлов. Его также можно найти в электролитических конденсаторах и в наиболее практичных сверхпроводящих сплавах. Ниобий можно найти в авиационных газовых турбинах , электронных лампах и ядерных реакторах .

Для форсунок жидкостных ракетных двигателей, например, в главном двигателе лунных модулей Apollo, используется сплав C103, который состоит из 89% ниобия, 10% гафния и 1% титана. [25] Другой сплав ниобия был использован для сопла сервисного модуля Apollo . Поскольку ниобий окисляется при температурах выше 400 ° C, для этих применений необходимо защитное покрытие, чтобы сплав не стал хрупким. [25]

Тантал и его сплавы [ править ]

Основные статьи: Тантал и Тантал § Применения

Тантал — одно из самых устойчивых к коррозии веществ.

Благодаря этому свойству для тантала было найдено много важных применений, особенно в медицине и хирургии , а также в жестких кислых средах. Он также используется для изготовления высококачественных электролитических конденсаторов. Танталовые пленки обеспечивают второй наиболее емкости на единице объема любого вещества после аэрогеля , [ править

] и позволяют миниатюризации из электронных компонентов и схем . Многие сотовые телефоны и компьютеры содержат танталовые конденсаторы.

Рениевые сплавы [ править ]

Основная статья: Рений

Рений — это самый недавно открытый тугоплавкий металл. Он находится в низких концентрациях со многими другими металлами, в рудах других тугоплавких металлов, платиновых или медных рудах. Он используется в качестве сплава с другими тугоплавкими металлами, где он увеличивает пластичность и прочность на разрыв . Сплавы рения используются в электронных компонентах, гироскопах и ядерных реакторах . Рений находит наиболее важное применение в качестве катализатора. Он используется в качестве катализатора в таких реакциях, как алкилирование , деалкилирование , гидрирование и окисление.. Однако его редкость делает его самым дорогим из тугоплавких металлов. [26]

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.

Плавка тугоплавких металлов и их сплавов.

Плавка тугоплавких металлов и их сплавов.

К числу тугоплавких металлов относят титан, ванадий, хром, цирконий, ниобий, молибден, тантал, вольфрам и другие, температура плавления которых выше 1500°С.

Общим для указанной группы металлов является не только высокая температура плавления, но и большая химическая активность в расплавленном состоянии. Они активно взаимодействуют с кислородом, азотом, водородом, и углеродом. Поэтому плавку тугоплавких металлов и сплавов ведут в вакууме или среде защитных газов, в печах специальных конструкций.

Плавка титана и его сплавов.

Чистый титан и его сплавы обладают ценным комплексом физико-химических и механических и свойств : высокой удельной прочностью, удовлетворительной пластичностью при комнатной, повышенной и минусовой температурах, хорошей свариваемостью, малым коэффициентом линейного расширения, высокой коррозийной стойкостью в ряде агрессивных сред и др. В связи с этим титан находит широкое применение в авиастроении, судостроении, химическом машиностроении и других отраслях техники.

В настоящее время для плавки титана и его сплавов используют дуговые индукционные и электроннолучевые печи. Дуговую и электроннолучевую плавку применяют для изготовления слитков фасонных изделий, индукционные печи — преимущественно для получения фасонных отливок.

Плавка в индукционных печах Для получения фасонных отливок необходимо иметь единовременно достаточно большие количества расплава. С этой точки зрения более целесообразно применять плавку в индукционных печах. Индукционная высококачественная плавка связанна с трудностями в подборе огнеупорных материалов для плавильных тиглей. Известно, что минимальное взаимодействие с титаном характерно для плотного графита и рекристаллизованных CaO и ThO2. Но и эти материалы загрязняют титан, особенно при значительных перегревах.

В промышленности настоящее время плавильные тигли для индукционных печей изготавливают из плотного графита. В результате реакции между графитом и расплавленным титаном на поверхности графита образуется слой стойкого карбида титана, который предотвращает непосредственный контакт расплавленного металла и графита. Это обстоятельство резко снижает насыщение титана углеродом. Обычно науглероживание титана при плавке в графитовом тигле достигает 0,7-0,8%. Плавка титана в индукционных печах требует сравнительно небольшого расхода энергии (1,25кВт •ч/кг). Кроме того, в индукционных печах можно переплавлять скрап (отходы). Однако ввиду загрязнения расплава углеродом, индукционные печи находят наибольшее применение.

Плавка в высокочастотных индукционных печах ведется в атмосфере чистого аргона (99,8%). Шихтовые материалы загружают в тигель, установив предварительно титановую пробку в данное сливное отверстие, если разливку производят через дно. Затем печь закрывают, откачивают воздух, до остаточного давления 1•10ˉ²мм рт. ст. После этого подаётся напряжение и происходит расплавление шихты.

Плавка циркония и его сплавов.

Производство слитков и фасонных изделий из циркония и его сплавов в промышленных масштабах началась с 1953г. В настоящее время освоена технология плавки и литья слитков массой до 2,0 т. Эта технология имеет много общего с рассмотренной ранее технологией плавки титана. Плавку циркониевых сплавов вести в индукционных и в дуговых печах. Конструкции плавильных печей те же, что и для плавки титановых сплавов. Индукционная плавка находит применение главным образом для изготовления фасонных отливок; её применяют в тех случаях, когда допускается некоторое загрязнение расплава углеродом (0,08-0,3%).

Расплавленный цирконий взаимодействует со всеми известными огнеупорными материалами типа окислов, карбидов и нитритов. Имеются данные , что такие окисы, как ZrO2 и ThO2, загрязняют сплав на основе циркония некоторым количеством кислорода. Наиболее приемлемый материал для изготовления тиглей – графит. Учитывая высокую смачивающую способность расплавленного циркония и проникновение его в поры графита, для изготовления тиглей используют особо плотные сорта электродного графита. Перед плавкой графитовые тигли обжигают при 1800°С. Такая обработка уменьшает возможность загрязнения расплава кислородом.

Графитовый тигель выдерживает от 10 до 30плавок. В целях устранения окисления плавку ведут в вакууме 5 •10ˉ2-5 •10ˉ3 мм рт. ст. В качестве исходных шихтовых материалов применяют губчатый цирконий, спрессованный в брикеты до плотности 50% и более. Легирующие компоненты вводят в расплав в процессе плавки или смешивают с губчатым цирконием до прессования брикетов.

Плавка в индукционных печах обеспечивает получение однородных по составу сплавов. Сплав заливают в подогретую форму, которую чаще всего изготовляют из графита.

Изготовление слитков из циркония и его сплавов в промышленных условиях осуществляют в дуговых печах в нейтральной атмосфере или вакууме с остаточным давлением 2 •10ˉ2 мм рт. ст. В качестве нейтральной атмосферы используют смесь аргона и гелия в отношении 1:4. Плавка в инертной атмосфере обеспечивает стабильное горение дуги. Перед заполнением печного пространства смесью аргона и гелия производят 2-3 кратную откачку до давления 1,5 •10ˉ1 мм рт. ст. Давление инертного газа в печи доводят до атмосферного. Плавку ведут в водоохлаждаемой медной изложнице с толщиной стенок 6-16 мм. Для создания дуги применяют расходуемый и нерасходуемый электроды. Нерасходуемый электрод изготовляют из вольфрама (тарированного). Плавку ведут с использованием постоянного тока напряжением 50 в. Применение вольфрамового электрода для плавки циркониевых сплавов не получило широкого распространения из-за загрязнения расплава вольфрамом (до 0,005%). Особенно большое загрязнение вольфрамом наблюдается при плавке губчатого циркония, который сильно разбрызгивается и попадает на поверхность электрода.

Для уменьшения попадания вольфрама в слиток электрод соединяют с отрицательным полюсом; положительным полюсом является изложница.

Плавка с нерасходуемым электродом характеризуется следующими технологическими показателями: скорость плавки 4,5-9,0 кг/ч для слитка диаметром 102 мм; расход энергии 6,6-13,2 кВт • ч/кг; выход металла в слиток 95-98%. Плавка с расходуемым электродом – основной промышленный способ получения слитков из циркония и его сплавов. Электрод изготовляют или прессованием в проходную матрицу, или спеканием или последующей сваркой в нейтральной атмосфере. Легирующие компоненты вводят в печь в виде брикетов или запрессовывают в расходуемый электрод. В последнем случае их стараются разместить в центре электрода. Для плавки можно применять и постоянный, и переменный ток. Постоянный ток обеспечивает более стабильные условия плавки. Перемешивание расплава осуществляется при помощи соленоида, укреплённого на поверхности водяной рубашки печи. Расход энергии составляет 0,8-1,2 кВт •ч/кг, выход металла в слитки 85-90%. Состав слитков, полученных путём расплавления спрессованного электрода, неоднороден. Для выравнивания состава слитки обычно подвергают второй переплавке, при этом размеры их по диаметру увеличиваются. Дуговая плавка с расходуемым электродом обеспечивает получение слитка с менее качественной поверхностью, чем при плавке с вольфрамовым электродом. Поэтому, как правило, припуск на обработку берётся большим, чем при плавке с вольфрамовым электродом (от 3 до 25 мм по диаметру).

Плавка хрома и сплавов на его основе

Хром является перспективным металлом для работы при повышенных температурах, так как отличается высокой жаропрочностью и стоек против окисления. Температура перехода хрома из хрупкого состояния в пластичное колеблется от -70 до +500°С и зависит от многих факторов, главный из которых содержание примесей.

В расплавленном состоянии хром взаимодействует со всеми обычными огнеупорными материалами и активно поглощает азот, углерод и кислород. Плавку хрома ведут в индукционных и дуговых вакуумных печах с защитной атмосферой. Для плавки в индукционных печах применяют тигли, изготовленные из окиси тория глинозёма. Глинозёмные тигли совершенно непригодны для плавки сплавов, содержащих более 5% титана или циркония. При плавке в дуговых печах с нерасходуемым электродом (тарированный вольфрам) применяют медные водоохлаждаемые тигли. Особенность плавки хрома и его сплавов – операция раскисления, так как исходный металл всегда содержит некоторое количество окислов (до 2,6%). Применение защитной атмосферы при плавке ( гелий, аргон) предотвращает поглощение азота, а плавка в вакууме приводит к удалению почти всего азота, имевшегося в металле до расплавления. Что касается кислорода, то снизить его содержание в хроме вакуумной плавкой не удаётся. Для удаления кислорода расплав обрабатывают водородом или углеродом. В практике производства сплавов для раскисления чаще используют углерод. При раскислении водородом хром, расплавленный в вакууме, выдерживают в течение некоторого времени в токе очищенного водорода при давлении 10-15 мм рт. ст. и расходе газа около 0,1 м³/ч (при нормальном давлении). В результате реакции восстановления, проходящей на поверхности расплава, содержание кислорода в роме снижается. Однако для полного удаления кислорода этим способом требуется сравнительно продолжительное время. Длительная же выдержка расплавленного хрома в печи приводит к загрязнению его примесями в результате взаимодействия с футеровкой тигля и значительным потерям на испарение ввиду высокого давления его пара при этих температурах. Раскисление углеродом – менее продолжительный процесс. Углерод вводят в количестве, несколько превышающем стехиометрически необходимое для связывания всего кислорода, имеющегося в хроме. Плавку ведут в вакууме. В результате взаимодействия углерода с окислами из расплава выделяется окись углерода. Ход процесса контролируется изменением давления над поверхностью расплава. Быстрое падение давления над расплавом указывает на окончание выделения окиси углерода. При раскислении расплава углеродом особо важное значение имеет правильный выбор момента разливки. Преждевременная разливка вследствие неполного использования углерода приводит к получению сплавов с сеткой карбида хрома в микроструктуре. Слишком поздняя разливка может грозить повторным окислением расплава. Правильный выбор добавки углерода с учётом содержания кислорода в шихте и точное определение момента разливки позволяют снизить содержание кислорода и углерода до 0,02-0,5%. В настоящее время всё большее применение получает способ выплавки хрома в дуговых печах с инертной атмосферой, с предварительным рафинированием хрома в твёрдом состоянии чистым водородом. Применение дуговых печей позволяет совершенно исключить взаимодействие металла с футеровкой, так как плавку ведут в медном водоохлаждаемом тигле. В качестве электрода при плаке используют или тарированный вольфрам или спечённый хром. Слитки хрома, выплавленные в дуговой печи с вольфрамовым электродом, имеют следующий состав, %: 0,001 Fe, 0,05 Si, 0,003 O2, 0,002 N2,0,005 H2, 0,01 W, остальное хром. Перед началом работы из печи откачивают воздух, а затем заполняют её смесью очищенных гелия (80%) и аргона (20%). Избыточное давление газа принимают равным 10-15 мм рт. ст. сверх атмосферного. Для изготовления фасонных отливок используют сплавы, состав которых приведён в табл.1.

Плавка молибдена и его сплавов

Плавку молибдена и сплавов на его основе ведут в дуговых печах с расходуемым электродом в вакууме 1-5 • 10ˉ4 мм рт. ст. или в атмосфере аргона.

Расплавление расходуемого электрода осуществляют в медном водоохлаждаемом кристлаллезаторе; для фасонного литья используют гарниссажные печи с медным или графитовом тиглем. Расходуемые электроды изготовляют методом порошковой металлургии – из порошка молибдена прессуют штабики квадратного сечения, спекают их в водороде, а затем сваривают, рихтуют и шлифуют бесцентровой шлифовкой. Для получения поверхности слитка лучшего качества плавку необходимо вести на постоянном токе; расходуемый электрод должен присоединяться к отрицательному полюсу. Особенность плавки молибдена – необходимость его раскисления. Технический молибден содержит до 0,01% кислорода. Раскисление молибдена может быть осуществлено углеродом, водородом или алюминием. Наиболее перспективно раскисление алюминием. При этом плавку надо вести в атмосфере аргона. При плавке в вакууме раскисление молибдена осуществляют введением 0,01% углерода. Применение углерода в качестве раскислителя при плавке в аргоне недопустимо из-за образования пористости в слитке. С учётом изменения пластичности содержание большинства легирующих элементов в деформируемых молибденовых сплавах не превышает обычно 1%. Состав некоторых молибденовых сплавов приведён в табл.2.

Химический состав некоторых молибденовых сплавов табл.2.

При изготовлении сплавов легирующие присадки вводят путём подачи их в ванну расплавленного металла в виде гранул и порошка.

Плавка ниобия и его сплавов

Ниобий так же, как и другие тугоплавкие металлы в расплавленном состоянии, активно взаимодействует с печными газами и большинством огнеупорных материалов.

В связи с этим выплавку ниобия производят в вакууме или защитной атмосфере. В зависимости от требований к сложности конфигурации отливок плавку ниобия ведут в дуговых, индукционных и электроннолучевых печах с применением медных кристаллизаторов и тиглей с гарниссажем (графитовых и медных). При плавке в вакууме остаточное давление не должно превышать 2 • 10ˉ² мм рт. ст.; плавку в атмосфере аргона или гелия ведут при давлении 300-400 мм рт. ст. Получение расплавов с малым содержанием газов обеспечивается раскислением вследствие диссоциации химический соединений в вакууме и введением раскислителей. При плавке в вакууме наиболее эффективные раскислители ниобия – углерод, церий и иттрий. Исходным материалом для выплавки слитков ниобия являются штабики размером 16*18*500 мм, полученные методом порошковой металлургии. Методом стыковой сварки под флюсом из шабиков изготовляют расходуемый электрод длинной 1,5-2,5 м. Сваренные электроды зачищают наждаком и собирают в пакеты по 4-12 штук в зависимости от мощности плавильной печи. Наиболее перспективный метод получения ниобиевых сплавов – плавка легированных штабиков, состав которых отвечает составу сплава. Такие штабики получают путём совместного восстановления окислов ниобия и окислов легирующих компонентов углеродом. Плавку ведут в электроннолучевых печах. Ниобиевые сплавы можно готовить в дуговых вакуумных печах с расходуемым электродом. В этом случае легирующие компоненты в виде полос или кусков присоединяют к расходуемому электроду. Химический состав некоторых ниобиевых сплавов приведён в табл.3

Плавка вольфрама и тантала

Технология плавки вольфрама и тантала аналогична плавке молибдена. Как правило, для плавки используют дуговые и электроннолучевые печи. Расходуемый электрод изготовляют методами порошковой металлургии. Плавку тантала можно вести и с использованием нерасходуемого электрода.

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.

При какой температуре плавится

Металлические элементы, какими бы они ни были — плавятся почти один в один. Этот процесс происходит при нагреве. Оно может быть, как внешнее, так и внутреннее. Первое проходит в печи, а для второго используют резистивный нагрев, пропуская электричество либо индукционный нагрев. Воздействие выходит практически схожее. При нагреве, увеличивается амплитуда колебаний молекул. Образуются структурные дефекты решётки, которые сопровождаются обрывом межатомных связей. Под процессом разрушения решётки и скоплением подобных дефектов и подразумевается плавление.

У разных веществ разные температуры плавления. Теоретически, металлы делят на:

1. Легкоплавкие – достаточно температуры до 600 градусов Цельсия, для получения жидкого вещества.
2. Среднеплавкие – необходима температура от 600 до 1600 ⁰С.
3. Тугоплавкие – это металлы, для плавления которых требуется температура выше 1600 ⁰С.

Плавление железа

Температура плавления железа достаточно высока. Для технически чистого элемента требуется температура +1539 °C. В этом веществе имеется примесь — сера, а извлечь ее допустимо лишь в жидком виде.

Без примесей чистый материал можно получить при электролизе солей металла.

Плавление чугуна

Чугун – это лучший металл для плавки. Высокий показатель жидкотекучести и низкий показатель усадки дают возможность эффективнее пользоваться им при литье. Далее рассмотрим показатели температуры кипения чугуна в градусах Цельсия:

• Серый — температурный режим может достигать отметки 1260 градусов. При заливке в формы температура может подниматься до 1400.
• Белый — температура достигает отметки 1350 градусов. В формы заливается при показателе 1450.

Важно! Показатели плавления такого металла, как чугун – на 400 градусов ниже, по сравнению со сталью. Это значительно снижает затраты энергии при обработке.

Плавление стали

Плавления стали при температуре 1400 °C

Сталь — это сплав железа с примесью углерода. Её главная польза — прочность, поскольку это вещество способно на протяжении длительного времени сохранять свой объем и форму. Связано это с тем, что частицы находятся в положении равновесия. Таким образом силы притяжения и отталкивания между частицами равны.

Справка! Сталь плавится при 1400 °C.

Плавление алюминия и меди

Температура плавления алюминия равна 660 градусам, это означает то, что расплавить его можно в домашних условиях.

Чистой меди – 1083 градусов, а для медных сплавов составляет от 930 до 1140 градусов.

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.

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:

1. алюминий — 660 °C;
2. температура плавления меди — 1083 °C;
3. температура плавления золота — 1063 °C;
4. серебро — 960 °C;
5. олово — 232 °C. Олово часто используют при пайке, так как температура работающего паяльника составляет как раз 250–400 градусов;
6. свинец — 327 °C;
7. температура плавления железо — 1539 °C;
8. температура плавления стали (сплав железа и углерода) — от 1300 °C до 1500 °C. Она колеблется в зависимости от насыщенности стали компонентами;
9. температура плавления чугуна (также сплав железа и углерода) — от 1100 °C до 1300 °C;
10. 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: Как подсоединить автоматы после счетчика

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.

Какой самый тугоплавкий металл: название и свойства

Если верить википедии, к тугоплавким относятся металлы, которые имеют температуру плавления от 2200 °C. Под это утверждение подпадают ниобий, рений, молибден, тантал и вольфрам.

Название	Температура плавления
Ниобий	2477°C
Молибден	2623 °C
Тантал	3017 °C
Вольфрам	3422 °C
Рений	3186 °C

Тугоплавкие металлы широко применяются во многих отраслях промышленности и в повседневной жизни. Их применяют при изготовлении лампочек накаливания, мобильных телефонов, компьютеров или, например, ядерных реакторов.В более широком понятии и практическом применении к тугоплавким металлам еще относят ванадий, гафний, рутений, хром, цирконий и осмий. Их также используют в качестве легирующих элементов в сплавах с металлами из первой группы для улучшения комплекса эксплуатационных или технологических свойств.

Сами по себе чистые металлы конечно применяются в производстве, например чистые молибден и вольфрам применяют в радиоэлектронной промышленности, химическом машиностроении или при производстве печей для термообработки. Но большинство из них склонны к хрупкому разрушению при высоких температурах, также они обладают относительно низкой жаропрочностью. Гораздо интереснее, с точки зрения повышения эксплуатационных свойств, представляется использование сплавов этих металлов.

Физические свойства металлов

Все металлы обладают следующими общими свойствами:

1. Цвет – серебристо-серый с характерным блеском. Исключение составляют: медь и золото. Они соответственно выделяются красноватым и желтым оттенком.
2. Агрегатное состояние – твердое тело, кроме ртути, которая является жидкостью.
3. Тепло- и электропроводность – для каждого вида металлов выражается по-разному.
4. Пластичность и ковкость – изменяющийся параметр в зависимости от конкретного металла.
5. Температура плавления и кипения – устанавливает тугоплавкость и легкоплавкость, обладает разными значениями для всех материалов.

Все физические свойства металлов зависят от строения кристаллической решетки, ее формы, прочности и пространственного расположения.

Тугоплавкость металлов

Этот параметр становится важным, когда возникает вопрос о практическом применении металлов. Для таких важных отраслей народного хозяйства, как авиастроение, кораблестроение, машиностроение, основой являются тугоплавкие металлы и их сплавы. Кроме этого, их используют для изготовления высокопрочного рабочего инструмента. Литьем и выплавкой получают многие важные детали и изделия. По прочности все металлы делятся на хрупкие и твердые, а по тугоплавкости их подразделяют на две группы.

Тугоплавкие и легкоплавкие металлы

1. Тугоплавкие – их температура плавления превышает точку плавления железа (1539 °C). К ним можно отнести платину, цирконий, вольфрам, тантал. Таких металлов всего несколько видов. На практике их применяется еще меньше. Некоторые не используются, так как они имеют высокую радиоактивность, другие – слишком хрупкие и не обладают нужной мягкостью, третьи – подвержены коррозии, а есть такие, что экономически невыгодные. Какой металл самый тугоплавкий? Как раз об этом пойдет речь в данной статье.
2. Легкоплавкие – это металлы, которые при температуре меньше или равной температуре плавления олова 231,9 °C могут изменить свое агрегатное состояние. Например, натрий, марганец, олово, свинец. Металлы применяются в радио- и электротехнике. Их часто используют для антикоррозийных покрытий и в качестве проводников.

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.

Вольфрам – самый тугоплавкий металл

Это твердый и тяжелый материал с металлическим блеском, светло-серого цвета, обладающий высокой тугоплавкостью. Механической обработке поддается трудно. При комнатной температуре он является хрупким металлом и легко ломается. Вызвано это загрязнением его примесями кислорода и углерода. Технически чистый вольфрам при температуре более 400 градусов Цельсия становится пластичным. Проявляет химическую инертность, плохо вступает в реакции с другими элементами. В природе вольфрам встречается в виде сложных минералов, таких как:

• шеелит;
• вольфрамит;
• ферберит;
• гюбнерит.

Вольфрам получают из руды, применяя сложные химические переработки, в виде порошка. Используя методы прессования и спекания, изготовляют детали простой формы и бруски. Вольфрам — очень стойкий элемент к температурным воздействиям. Поэтому размягчить металл не могли в течение ста лет. Не имелось таких печей, которые могли бы разогреваться до нескольких тысяч градусов. Ученые доказали, что самым тугоплавким металлом является вольфрам. Хотя существует мнение, что сиборгий, по теоретическим данным, обладает большей тугоплавкостью, но утверждать твердо этого нельзя, так как он радиоактивный элемент и имеет маленький срок существования.

Олово (231°C)

Особенности редких металлов и сплавов

Химический элемент, занимающий в периодической таблице юбилейное, пятидесятое место известен человечеству с древнейших времён. Первые капли олова (латинское наименование Stannum) первобытные люди заметили в своих кострах ещё за 4 тысячи лет до нашей эры. Немудрено — ведь олово плавится при температуре всего при 231°C. При этом дерево ещё только-только начинает обугливаться и робко гореть.

После застывания «слёзы», которыми плакал в огне красивый тяжёлый камень кассидерит, сохраняли форму, в которой им довелось застыть. Так появились первые металлические предметы кухонного быта.

Когда же удалось вытопить из зелёного малахита рыжую медь, оказалось, что смесь меди с оловом гораздо прочнее любого из металлов по отдельности. Тут-то цивилизация и начала бурно развиваться. Оружие, доспехи, посуда, инструменты — всё делали из прочной и красивой бронзы.

Исторические сведения

Знаменитый шведский химик Карл Шееле, имеющий профессию аптекаря, в небольшой лаборатории, проводя многочисленные опыты, открыл марганец, барий, хлор и кислород. А незадолго до смерти в 1781 году выявил, что минерал тунгстен является солью неизвестной тогда кислоты. После двух лет работы его ученики, два брата д’Элуяр (испанские химики), выделили из минерала новый химический элемент и назвали его вольфрамом. Только через столетие вольфрам – самый тугоплавкий металл — произвел настоящий переворот в промышленности.

Режущие свойства вольфрама

В 1864 году английский ученый Роберт Мюшет использовал вольфрам как легирующую добавку к стали, которая выдерживала красное каление и еще больше увеличивала твердость. Резцы, которые изготовляли из полученной стали, увеличили скорость резания металла в 1,5 раза, и она стала составлять 7,5 метра в минуту.

Работая в этом направлении, ученые получали все новые технологии, увеличивая скорость обработки металла с использованием вольфрама. В 1907 году появилось новое соединение вольфрама с кобальтом и хромом, которое стало основоположником твердых сплавов, способных увеличивать скорость резания. В настоящее время она возросла до 2000 метров в минуту, и все это благодаря вольфраму – самому тугоплавкому металлу.

Применение вольфрама

Этот металл обладает сравнительно высокой ценой и тяжело обрабатывается механическим способом, поэтому применяют его там, где невозможно заменить другими, сходными по свойствам материалами. Вольфрам прекрасно выдерживает высокие температуры, имеет значительную прочность, наделен твердостью, упругостью и тугоплавкостью, поэтому находит широкое использование во многих областях промышленности:

• Металлургической. Она является основным потребителем вольфрама, который идет на производство высокого качества легированных сталей.
• Электротехнической. Температура плавления самого тугоплавкого металла составляет почти 3400 °C. Тугоплавкость металла позволяет применять его для производства нитей накаливания, крючков в осветительных и электронных лампах, электродов, рентгеновских трубок, электрических контактов.

• Машиностроительной. Благодаря повышенной прочности сталей, содержащих вольфрам, изготавливают цельнокованые роторы, зубчатые колеса, коленчатые валы, шатуны.
• Авиационной. Какой самый тугоплавкий металл используют для получения твердых и жаропрочных сплавов, из которых делают детали авиационных двигателей, электровакуумных приборов, нити накаливания? Ответ прост – это вольфрам.
• Космической. Из стали, содержащей вольфрам, производят реактивные сопла, отдельные элементы для реактивных двигателей.
• Военной. Высокая плотность металла позволяет изготавливать бронебойные снаряды, пули, броневую защиту торпед, снарядов и танков, гранаты.
• Химической. Стойкая вольфрамовая проволока против кислот и щелочей используется для сеток к фильтрам. С помощью вольфрама меняют скорость химических реакций.
• Текстильной. Вольфрамовая кислота используется как краситель для тканей, а вольфрамит натрия применяют для производства кожи, шелка, водоустойчивых и огнестойких тканей.

Приведенный перечень использования вольфрама в разных областях индустрии указывает на высокую ценность этого металла.

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.

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.

Получение сплавов с вольфрамом

Вольфрам, самый тугоплавкий металл в мире, часто используют для получения сплавов с другими элементами для улучшения свойств материалов. Сплавы, которые содержат вольфрам, как правило, получают по технологии порошковой металлургии, так как при общепринятом способе все металлы превращаются в летучие жидкости или газы при его температуре плавления. Процесс сплавления проходит в вакууме или в атмосфере аргона, чтобы избежать окисления. Смесь, состоящую из металлических порошков, прессуют, спекают и подвергают плавке. В некоторых случаях только вольфрамовый порошок подвергают прессовке и спеканию, а затем пористую заготовку насыщают расплавом другого металла. Сплавы вольфрама с серебром и медью получают именно таким способом. Даже небольшие добавки самого тугоплавкого металла увеличивают жаростойкость, твердость и стойкость к окислению в сплавах с молибденом, танталом, хромом и ниобием. Пропорции в этом случае могут быть совершенно любыми в зависимости от потребностей промышленности. Более сложные сплавы, зависящие от соотношения компонентов с железом, кобальтом и никелем, имеют следующие свойства:

• не тускнеют на воздухе;
• обладают хорошей химической стойкостью;
• имеют отличные механические свойства: твердость и износоустойчивость.

Довольно сложные соединения образует вольфрам с бериллием, титаном и алюминием. Они выделяются устойчивостью при высокой температуре к окислению, а также жаропрочностью.

Технология производства

Поскольку «чистый» вольфрам встретить в природе нельзя (он является составной частью горных пород), то необходима процедура по выделению данного металла. Причем ученые оценивают содержание его в коре Земли так – на 1000 кг породы всего 1,3 грамма вольфрама. Можно отметить, что самый тугоплавкий металл, является довольно редким элементом, если сравнить его с известными видами металлов.

Когда из недр Земли добывается руда, то количество вольфрама в ней составляет только лишь до двух процентов. По этой причине добываемое сырье идет на обогатительные заводы, где специальными способами массовую долю металла приводят к шестидесяти процентам. При получении «чистого» вольфрама процесс делится на несколько технологических этапов. Первый заключается в выделении чистого триоксида из добытого сырья. Для данной цели используется термическое разложение, когда самая высокая температура плавления металла составляет от 500 до 800 градусов. При данном температурном режиме лишние элементы поддаются плавлению, а из расплавленной массы собирается оксид вольфрама.

Далее получившееся соединение проходит этап тщательного измельчения, а затем осуществляется восстановительная реакция. Для этого добавляется водород и используется температура в 700 градусов. В результате получается чистый металл, который имеет порошкообразный вид. Затем идет процесс спрессовывания порошка, для чего применяют высокое давление, и спекания в среде из водорода, где температурный режим составляет 1200-1300 градусов.

Получившуюся массу отправляют в специальную печь для плавления, где масса нагревается электрическим током до отметки более 3000 градусов. То есть вольфрам получается жидким после плавления. Затем масса очищается от примесей и создается монокристаллическая ее решетка. Для этого используют способ зонной плавки – его суть состоит в том, что расплавленной на некотором промежутке времени является лишь часть металла. Этот метод позволяет осуществлять процесс перераспределения примесей, который скапливаются на одном участке, откуда их легко убрать из общей структуры сплава. Необходимый вольфрам имеет вид слитков, которые и применяются для производства необходимых видов продукции в разных отраслях деятельности.

Свойства сплавов

В практической деятельности вольфрам часто соединяют с группой иных металлов. Соединения вольфрама с хромом, кобальтом и никелем, обладающие повышенной стойкостью к кислотам, используют для изготовления хирургических инструментов. А особые жаропрочные сплавы, кроме вольфрама – самого тугоплавкого металла, содержат в своем составе хром, никель, алюминий, никель. Вольфрам, кобальт и железо входит в состав лучших марок магнитной стали.

Вольфрамсодержащие стали устойчивы к истиранию, не трескаются, неизменно сохраняют твердость. Режущие инструменты не только увеличивают скорость обработки металла, но и имеют длительный срок службы.

Самые легкоплавкие и тугоплавкие металлы

К легкоплавким относятся все металлы, температура плавления которых меньше, чем у олова (231,9 °C). Элементы этой группы находят применение в качестве антикоррозийных покрытий, в электро- и радиотехнике, входят в состав антифрикционных сплавов. Ртуть, точка плавления которой -38,89 °C, при комнатной температуре является жидкостью и находит широкое применение в научных приборах, ртутных лампах, выпрямителях, переключателях, в хлорном производстве. У ртути самая низкая температура плавления по сравнению с другими металлами, входящими в группу легкоплавких. К тугоплавким металлам принадлежат все, температура плавления которых больше, чем у железа (1539 °C). Чаще всего их используют в качестве добавок при изготовлении легированных сталей, а также они могут служить и основой для некоторых специальных сплавов. Вольфрам, имеющий максимальную температуру плавления 3420 °C, в чистом виде используют в основном для нитей накала в электролампах.

Довольно часто в кроссвордах задают вопросы, какой из металлов самый легкоплавкий или самый тугоплавкий? Теперь, не задумываясь, можно ответить: самый легкоплавкий – ртуть, а самый тугоплавкий – вольфрам.

Получение тугоплавких материалов

Основная трудность, встречающаяся при получении тугоплавких металлов и сплавов, это их высокая химическая активность, которая мешает быть элементу в чистом виде.

Установка для получения тугоплавких металлов

Наиболее распространенной технологией получения считается порошковая металлургия. Существует несколько способов получить порошок тугоплавкого металла.

1. Восстановление с помощью триоксида водорода. Такой метод включает в себя несколько этапов, оборудование для обработки — это многотрубные печи, с диапазоном температур от 750 до 950 °С. Данный способ применяется для получения молибдена и вольфрама.
2. Восстановление водородом из перрената аммония. При температуре около 500 °С, на заключительном этапе, полученный порошок, отделяют от щелочей с помощью кислот и воды. Применяется для получения рения.
3. Соли различных металлов также применяются для получения порошка молибдена. Например, используют соль аммония металла и его порошок не более 15% от общей массы. Смесь нагревается до 500-850 °С при помощи инертного газа, а затем технология производства предусматривает провести восстановление водородом при температуре 850 — 1000 °С.

Производство тугоплавких металлов

Полученный этими способами порошок в дальнейшем подвергают к спеканию в специальные формы, для дальнейшей транспортировки и хранения.

На сегодняшний день, эти способы получения чистых тугоплавких металлов продолжают дорабатываться и применяются новые техники извлечения материала из горных пород. С развитием ядерной энергетики, космической отрасли, металлургии, мы в скором времени сможем наблюдать появление новых методов, возможно более дешевых и простых.

Температура плавления железа

Железо обладает пластичностью, хорошо поддается ковке и плохо обрабатывается литьем. Этот прочный металл легко обрабатывается механическим способом, используется для изготовления магнитоприводов. Хорошая ковкость позволяет его применять для декоративных украшений. Является ли железо самым тугоплавким металлом? Следует отметить, что его температура плавления равна 1539 °C. А по определению, к тугоплавким относятся металлы, температура плавления которых больше, чем у железа.

Однозначно можно сказать, что железо — не самый тугоплавкий металл, и даже не принадлежит к этой группе элементов. Он относится к среднеплавким материалам. Назовите самый тугоплавкий металл? Такой вопрос не застанет теперь вас врасплох. Можно смело отвечать – это вольфрам.

Рекорды для неорганических веществ

Самым сильным стабильным окислителем

, является комплекс дифторида криптона и пентафторида сурьмы. Из-за сильного окисляющего действия (окисляет все элементы в высшие степени окисления, в том числе кислород и азот воздуха) для него очень трудно измерить электродный потенциал. Единственный растворитель, который реагирует с ним достаточно медленно — безводный фтористый водород.

Самым плотным веществом

, является осмий. Его плотность составляет 22,5 г/см 3 .

Самый легкий металл

— это литий. Его плотность составляет 0,543 г/см 3 .

Самый дорогой металл

— это калифорний. Его стоимость в настоящее время составляет 6 500 000 долларов за 1 грамм.

Самый распространенный элемент в земной коре

— это кислород. Его содержание составляет 49% от массы земной коры.

Самый редкий элемент в земной коре

— это астат. Его содержание во всей земной коре, по оценкам специалистов составляет всего 0,16 грамм.

Самым горючим веществом

, является, по-видимому, мелкий порошок циркония. Для того чтоб он не мог гореть, необходимо поместить его в атмосферу инертного газа на пластину из материала, не содержащего неметаллов.

Веществом с наименьшей температурой кипения

, является гелий. Его температура кипения равна -269 градусов по Цельсию. Гелий — единственное вещество, не имеющее температуры плавления при обычном давлении. Даже при абсолютном нуле он остается жидким. Жидкий гелий широко используется в криогенной технике.

Самый тугоплавкий металл

— это вольфрам. Его температура плавления составляет +3420 градусов по Цельсию. Из него изготовляют нити накаливания для электрических лампочек.

Самый тугоплавкий материал

— это сплав карбидов гафния и тантала (1:1). Он имеет температуру плавления +4215 С.

Самым легкоплавким металлом

, является ртуть. Ее температура плавления равна -38,87 градусов по Цельсию. Она же являетсясамой тяжелой жидкостью

, ее плотность составляет 13,54 г/см 3 .

Самую высокую растворимость в воде среди твердых веществ

имеет трихлорид сурьмы. Его растворимость при +25 С составляет 9880 грамм на литр.

Самым легким газом

, является водород. Масса 1 литра составляет всего 0,08988 грамм.

Самым тяжелым газом при комнатной температуре

, является гексафторид вольфрама (т. кип. +17 С). Его масса составляет 12,9 г/л, т.е. в нем могут плавать некоторые виды пенопласта.

Самым стойким к кислотам металлом

, является иридий. До сих пор не известно ни одной кислоты или их смеси, в которых он бы растворялся.

Самый широкий диапазон концентрационных пределов взрываемости

имеет сероуглерод. Взрываться могут все смеси паров сероуглерода с воздухом содержащие от 1 до 50 объемных процентов сероуглерода.

Самой сильной стабильной кислотой

является раствор пентафторида сурьмы во фтористом водороде. В зависимости от концентрации пентафторида сурьмы эта кислота может иметь показатель Гаммета до -40.

Самым необычным анионом в соли

является электрон. Он входит в состав электрида 18-краун-6 комплекса натрия.

Рекорды для органических веществ

Самым горьким веществом

, является денатония сахаринат. Его получили случайно, во время исследования денатония бензоата. Сочетание последнего с натриевой солью сахарина дало вещество в 5 раз более горькое, чем предыдущий рекордсмен (денатония бензоат). В настоящее время оба этих вещества используются для денатурации спирта и других непищевых продуктов.

Самым сильным ядом

, является ботулинический токсин типа А. Его летальная доза для мышей (ЛД50, внутрибрюшинно) составляет 0,000026 мкг/кг веса. Это белок с молекулярной массой 150 000, продуцируемый бактерией Clostridium botulinum.

Самым нетоксичным органическим веществом

, является метан. При увеличении его концентрации интоксикация возникает из-за недостатка кислорода, а не в результате отравления.

Источник https://ecotoplivo-msk.ru/vidy-othodov/tugoplavkie-metally-primery.html

Источник https://generator98.ru/metally/kakie-otnosyatsya-k-tugoplavkim.html

Источник https://titan-spec.ru/instrumenty-metally/samyj-tugoplavkij-splav.html