Тугоплавкие металлы
Полезное
Смотреть что такое «Тугоплавкие металлы» в других словарях:
Тугоплавкие металлы — металлы, обладающие высокой (выше, чем у железа) температурой плавления. Табл. Тугоплавкие металлы* * По технической классификации. Основная часть Т. м. используется для легирования стали, никелевых, титановых и др. сплавов, значительно повышая… … Энциклопедия техники
ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ — условно выделенные металлы V и VI групп Периодической системы элементов Д. И. Менделеева (см.), а также платиновые металлы, обладающие высокой температурой плавления (выше температуры плавления железа 1539 °С), напр. вольфрам (3410°С), тантал… … Большая политехническая энциклопедия
ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ — ТУГОПЛАВКИЕ металлы, имеют температуру плавления выше температуры плавления железа (1539шC). К тугоплавким металлам относят титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден, вольфрам, рений, а также платиновые металлы (рутений,… … Современная энциклопедия
ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ — металлы, плавящиеся при очень высокой температуре. К таким металлам принадлежат, напр., платина (температура плавления 1770°), ниобий (1950°), рубидий (2000°), молибден (2570°), осмий (2700°), вольфрам (3400°) и др. Самойлов К. И. Морской словарь … Морской словарь
тугоплавкие металлы — Металлы, у к рых t > t* = 1539 °С (напр., Сг, V, W, Mo, Nb и др.); применяют как легир. добавки в стали, а тж. в кач ве основы соответст. спец. сплавов. [http://metaltrade.ru/abc/a.htm] Тематики металлургия в целом EN refractory metals … Справочник технического переводчика
Тугоплавкие металлы — ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ, имеют температуру плавления выше температуры плавления железа (1539°C). К тугоплавким металлам относят титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден, вольфрам, рений, а также платиновые металлы (рутений,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Тугоплавкие металлы — H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb … Википедия
тугоплавкие металлы — имеют температуру плавления выше температуры плавления железа (1535°C): Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W, Re. Тугоплавки также платиновые металлы, но они по технической классификации относятся к благородным металлам. * * * ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ… … Энциклопедический словарь
тугоплавкие металлы — тугоплавкие металлы металлы, обладающие высокой (выше, чем у железа) температурой плавления (см. табл.).Основная часть Т. м. используется для легирования стали, никелевых, титановых и других сплавов, значительно повышая их механические и… … Энциклопедия «Авиация»
Тугоплавкие металлы
Тугоплавкие металлы были выделены в отдельный класс благодаря объединяющему их свойству — высокой температуре плавления. Она выше, чем у железа, которая равна 1539 °C. Поэтому металлы данной группы и получили такое название. Они принадлежат к числу так называемых редкоземельных элементов. Так, например, по распространённости в земной коре ниобий и тантал составляют 3%, а цирконий только 2%.
По температурному показателю плавления кроме перечисленных, к ним относятся металлы, так называемой платиновой группы. Ещё их называют благородными или драгоценными.
Определённая схожесть строения атома обусловила схожесть их свойств. На основании этого можно обобщить некоторые черты проявления таких металлов в земной коре и определиться с технологией их добычи, производства и переработки.
Свойства тугоплавких металлов
За счёт того, что они расположены в соседних группах периодической таблицы, физические свойства у тугоплавких металлов достаточно близкие:
Физические свойства тугоплавких металлов
Химические свойства также достаточно схожие:
К основным недостаткам тугоплавких металлов относятся:
Производство тугоплавких металлов
Все способы производства тугоплавких металлов основаны на методиках так называемой порошковой металлургии. Сам процесс происходит в несколько этапов:
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.
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:
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.
Молибден
По внешнему виду и характеристикам очень похож на вольфрам. Главным отличием является то, что его удельный вес почти в два раза меньше. Его получают аналогичным образом. Он широко применяется в радиоэлектронной промышленности, для изготовления различных испарителей в вакуумной технике, разрывных электрических контактов. Как и вольфрам, он является парамагнетиком. Для изготовления электродов стекловаренных (стеклоплавильных) печей он просто незаменим.
Ниобий
Температура плавления ниобия составляет 2741 °С. По своим химическим, физическим и механическим свойствам очень напоминает тантал. Он достаточно пластичен. Обладает хорошей свариваемостью и высокой теплопроводностью даже без дополнительного нагрева. Как и все остальные металлы его получают из порошка. Конечные заготовки из ниобия – проволока, лента, труба.
Сам металл и его сплавы демонстрируют эффект сверхпроводимости. Его широко применяют для изготовления анодов, экранных и антидинатронных сеток в электровакуумных приборах. Благодаря хорошей пористости, его успешно применяют в качестве газопоглотителей. В микроэлектронике он идёт на изготовление резисторов в микросхемах.
Ниобий хорошо себя проявил в качестве легирующей добавки. Используется при создании различных жаростойких конструкций, агрегатов работающих в агрессивных и радиоактивных средах. Из сплава стали и ниобия изготавливают некоторые элементы реактивных двигателей. Благодаря его свойству не взаимодействовать с радиоактивными веществами при высоких температурах, например, с ураном, применяется при изготовлении оболочек для урановых элементов, отводящих тепло в реакторах.
Тантал
Внешне имеет светло-серый цвет с небольшим голубоватым оттенком. Температура плавления близка к 3000 °С. Хорошо поддается основным видам обработки. Его можно ковать, прокатывать, производить волочение для изготовления проволоки. Эти операции не требуют значительного нагрева. Для удобства дальнейшего использования тантал изготавливают в форме фольги и тонких листов. Повышение температуры вызывает активное взаимодействие со всеми газами, кроме инертных – с ними никаких реакций не наблюдается.
Из тантала производят внутренние элементы генераторных ламп (магнетронов и клистронов). Он активно используется при производстве пластин в электролитических конденсаторах. Очень удобен для изготовления пленочных резисторов. Активно применяется для изготовления так называемых лодочек в испарителях, в которых осуществляется термическое напыление различных материалов на тонкие пленки.
Ввиду ряда своих уникальных качеств, считается незаменимым в ядерной, аэрокосмической и радиоэлектронной промышленности.
Рений
Был открыт позже всех из перечисленных ранее металлов. Он полностью оправдывает свое название «редкоземельный металл», потому что находится в небольших количествах в составе руды других металлов, таких как платина или медь. В основном его используют как легирующую добавку. Полученные сплавы приобретают хорошие характеристики прочности и ковкости. Это один из самых дорогих металлов, поэтому его применение приводит к резкому увеличению цены всего оборудования. Те не менее, его применяют в качестве катализатора.
Хром — 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:
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.
Тугоплавкие металлы – список и их полезные свойства
Чтобы расплавить металлы этой группы, требуются сверхтемпературы. Самый известный – вольфрам, из которого сделана нить накаливания в лампочках. Другие члены «семейства» тоже востребованы.
Что считать тугоплавким металлом
О признаке, по которому металл причисляют к группе, говорит название.
Тугоплавкие металлы – это химические элементы с температурой плавления выше большинства остальных:
Таким образом, список тугоплавких элементов включает 14 позиций.
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:
Учитывая такие характеристики, с элементами работают в вакууме. Самый распространенный пример – вольфрамовая нить накаливания внутри бытовой лампочки.
Технология получения
Исходник большинства тугоплавов – руда.
Технология плавления специфична, поэтому таким сырьем занимаются специальные предприятия. В СССР их было всего два.
Обработка тугоплавких металлов возможна только методами порошковой металлургии.
Сферы применения
Применение тугоплавких металлов не ограничивается бытовыми лампочками.
Их свойства обеспечивают использование всеми отраслями промышленного комплекса, ВПК, в быту:
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.
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+.
| 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:
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:
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).
Рений
Самый редкий и дорогой из тугоплавких металлов:
Оксид рения – самый неустойчивый, плотный поток кислорода способен сорвать оксидный слой.
Сплавы с рением служат катализаторами, начинкой электронного оборудования, гироскопов, реакторов атомных объектов.
Дополнительная группа
Данный сегмент тугоплавких металлов включает девять позиций. Их общий признак – порог плавления от 1850°C.
Сюда зачислены девять элементов из трех групп (четвертый – шестой периоды) таблицы Менделеева.
У каждого своя «изюминка»:
Тонким слоем хрома и благородного родия покрывают поверхность изделий класса люкс, включая ювелирные. Процессы называются хромированием и родированием.
Свойства и применение тугоплавких металлов
В таблице химических элементов Менделеева можно выделить ряд химических элементов (в основном металлов), которые обладают такими общими свойствами, как очень высокая температура плавления, высокая механическая прочность и высокая износостойкость. Это – тугоплавкие металлы. Понятие обычно рассматривается в двух аспектах, узком и широком. В первом случае говорят о металлах, имеющих температуру плавления более 2000°C (ниобий, хром, молибден, тантал, вольфрам и рений).
В более широком смысле к тугоплавким металлам относят такие, температура плавления которых превышает 1850°C: ванадий, гафний, титан, цирконий, рутений, осмий, родий и иридий. Характерно, что эти химические элементы имеют объёмно-центрированную кубическую кристаллическую решётку.
Свойства тугоплавких металлов
Главной характеристикой тугоплавких металлов является их жаропрочность. Они прочны при экстремально высоких температурах и твёрдые по своей природе. Также эти металлы обладают высокой устойчивостью к таким факторам, как термический шок. Это означает, что они не будут растрескиваться, расширяться или испытывать механические напряжения при многократном охлаждении и нагревании.
Все элементы этой группы обладают высокий плотностью, а также хорошими тепловыми и электрическими свойствами. Они также устойчивы к ползучести, поэтому очень медленно деформируются при воздействии внешней напряженной среды. Минимальная ползучесть объясняется способностью образовывать защитный противокоррозионный слой, который сохраняет целостность даже при высоких температурах.
Конкретные температурные характеристики этих металлов довольно сильно различаются, потому что они происходят из разных групп периодической таблицы.
Например, самый тугоплавкий металл – это рений, температура плавления которого составляет 3186°C, при температуре точки кипения 5596°C. Сопротивление ползучести обычно варьируется в пределах 500…1000 0 С.
Химические свойства тугоплавких металлов также разнообразны. Как правило, эти металлы легко окисляются, но реакцией окисления можно управлять, создавая стабильные слои оксида поверх основного металла. Тем не менее, все тугоплавкие металлы устойчивы к воздействию кислот.
Рассматриваемые химические элементы обладают не только высокими температурами плавления, но и высоким уровнем твёрдости при комнатной температуре.
Технологии производства
Высокие температуры плавления предопределяют порошковую металлургию основным способом получения конечной продукции.
Обычно вопрос о том, какие металлы – тугоплавкие, решается тем, к какой из трёх категорий они относятся:
Порошки, полученные электролитическим способом из водных электролитов или в расплавленном состоянии, имеют высокую чистоту и активны во время спекания. Однако у них есть следующие недостатки:
Ещё недавно для производства молибдена и его сплавы применялось вакуумное литьё, однако в современных производствах и здесь используется порошковая металлургия. Эффективность восстановления металлического порошка зависит от:
Важно подчеркнуть, что высокотемпературные технологии порошковой металлургии позволяют изготавливать материалы по индивидуальному заказу. Правильно подобрав исходный материал, можно соответствующим образом контролировать состав конечного продукта.
Третий способ – использование 3D-печати. Это активно развивающаяся технология, которая идеально подходит для производства легких, высокостабильных компонентов из вольфрама, молибдена, ниобия, тантала и их сплавов со сложной геометрической структурой.
Нанопорошки тугоплавких металлов получают следующими способами:
Ключевыми преимуществами металлических порошков, распыленных газом, являются идеально сферическая форма, отличная воспроизводимость, низкое содержание оксидов.
Виды и области применения
Благодаря своим уникальным качествам тугоплавкие металлы очень полезны для различных областей применения и отраслей. Их основные преимущества:
Кроме того, эти материалы используются в качестве катализаторов химических реакций, при процессах ядерного синтеза и т.д.
К тугоплавким металлам относятся получившие особое распространение вольфрам, молибден, ниобий, тантал, рений и хром. Об особенностях их применения – далее.
Вольфрам
Молибден
Молибден используется для упрочнения стальных сплавов, особенно в конструкционных трубопроводах и насосно-компрессорных трубах. Этот металл также обладает отличными антифрикционными качествами, что делает его идеальным компонентом масел и смазок, используемых в автомобилях.
Ниобий
Обладает оптимальным сочетанием пластичности и прочности. Его можно использовать при изготовлении электролитических конденсаторов, сверхпроводников, ядерных реакторов и электронных ламп.
Тантал
Более других устойчив к коррозии, поэтому находит применение в медицине (особенно – хирургии), а также в средах с повышенной кислотностью. Тантал также является основным компонентом компьютерных, телефонных и конденсаторных цепей.
Рений
Известен своей высокой прочностью на разрыв и пластичностью. Он широко используется в ядерных реакторах, гироскопах и других электрических компонентах. Из-за своей редкости рений очень дорог. Понятие коррозионной стойкости особенно актуально именно для рения, потому что он очень летуч. Может терять устойчивость к воздействию кислорода при высоких температурах, поскольку оксидный слой активно испаряется.