Самый плавкий металл

Самый легкоплавкий металл

1. Общие сведения
2. Самый токсичный металл
3. Использование самого легкоплавкого металла в быту
4. Использование самого легкоплавкого металла в медицине

Каждый человек множество раз держал в руках самый легкоплавкий металл, причём без всяких последствий. Речь идет о ртути, грозном и загадочном элементе из подгруппы цинка, занимающем в периодической таблице атомный номер 80.

Общие сведения

Название переводится с греческого, как «серебряная вода». На латинском звучит как hydrargyrum, а в русском это толкование праславянского — «катиться». Первая цивилизация шумеров уже вовсю использовала ртуть. Металл добывали из киновари (сульфида ртути) просто обжигая руду, или же из пород, где его видно в виде небольших вкраплений.

Это редкий элемент — общая доля в земных недрах составляет всего 83 мг на одну тонну, причем чаще в рассеянной форме, чем в виде месторождений. Больше всего ее содержится в сульфидах и сланцах, а всего в мире имеется более 20 минералов со ртутью.

Самый легкоплавкий металл

Это единственный из металлов, который может находиться в жидком состоянии при обычной температуре. Такой же и бром, только он относится к галогенам. Твердеет ртуть (и плавится) при -39 °С.

Всего 7 металлов плавятся при минусовой температуре. Литр ртути очень тяжелый — 13,5 кг, а закипит она при +357°С.

Ртуть в природе

Интересно что доказательства ее принадлежности к металлам были опубликованы только в середине XVIII века Брауном и Ломоносовым. Они смогли заморозить ртуть и убедиться в ее металлических свойствах: ковкости, электропроводности, расширении при нагреве.

Самый токсичный металл

Ртути принадлежит высочайшая степень токсичности. Это самый ядовитый из всех нерадиоактивных элементов на планете, который начинает распространять свои пары при комнатной температуре. Если рядом присутствует человек, происходит поражение пищеварения, легких и нервной системы, причём первые признаки интоксикации наступают очень быстро, через 8 часов.

Симптомы отравления ртутью

И даже воздействие небольших доз, но длительный период, способно проявить себя в виде хронических заболеваний. Нервная система в первую очередь реагирует раздражением, недосыпанием, головными болями и быстрой усталостью. Выводится ртуть через почки. Начинаются частые позывы к мочеиспусканию, повышение температуры, рвота, слабость, тошнота, дрожь в теле.

Самая известная экологическая трагедия XX века, болезнь Минамата, вызвана отравлением метилртутью. Промышленное загрязнение бухты этого японского города в 1956 году привело к 3 тыс. жертв.

Люди всегда знали о токсических свойствах ртути. Например, при изготовлении фетровых шляп использовались ртутные соединения, но другого способа тогда не было. У мастеров часто развивались поражения нервной системы и слабоумие. Поэтому безумный Шляпник, описанный Льюисом Кэрроллом в «Алисе в стране чудес», совсем не выдуманный персонаж.

Безумный Шляпник из «Алисы в стране чудес»

В обычной жизни пищевые отравления грозят любителям морепродуктов. Ртуть содержится и растворяется в морской воде, накапливаясь в организмах его обитателей.

Симптомы хронического отравления часто встречаются в прибрежных районах по всему миру. Особенно страдают беременные и дети, у которых это основная пища. Умеренная олигофрения диагностируется там намного чаще, чем у тех групп, где морская рыба не является основным источником питания.

Хищники, поедая мелочь, сохраняют и приумножает отраву в своих организмах. У каждой четвертой выловленной рыбы содержание металла превышает допустимые пределы. Особенно много его в тунце и лобстере. Экологи бьют тревогу, а компании по производству рыбных продуктов открещиваются. И никакая тепловая обработка не делает мясо менее токсичным.

Использование самого легкоплавкого металла в быту

Несмотря на токсичность, человечество до сих пор не может отказаться от ртути.

Хорошая электропроводимость делает ее незаменимой в энергосберегающих лампах, паровых турбинах, вакуумных и диффузных насосах. Умение реагировать на малейшие колебания температуры и давления используется в барометрах и термометрах.

Батарейки, энергосберегающие лампы, аккумуляторы, контакты выключателей — везде содержится этот высокоионизированный металл. В градуснике находится от 1 до 2 гр этого металла (в стандартных российских 1 гр). Но и эти несколько граммов полностью испарятся из помещения только в течение 20 лет. При концентрации менее 0,25 мгм3 ртуть оседает в легких. При более высоких дозах организм начинает впитывать яд через кожу. Мужчины менее чувствительны к парам, чем дети и женщины.

Вы можете найти ртуть в холодильнике, стиральной машине и кондиционере. Сельское хозяйство чаще всего использует соли ртути в составе пестицидов. Взрывчатка содержит фульминат ртути, антисептики — сульфат.

Фульминат ртути (взрывчатое вещество)

Не могут отказаться от ртути при окрашивании бортов корабля. Морские микроорганизмы всегда селятся там и существенно разрушают обшивку. Только краска на основе «серебряной воды» помогает сохранить судно.

Человечество с самых древних времен использовало ртуть для добычи из руды драгоценных металлов. Ртуть создает сплавы со всеми металлами (амальгамация) и только благодаря ей добыча серебра и золота в Мексике конкистадорами, начиная XVI века, достигла таких впечатляющих размеров и изменила весь мир.

Добыча золота ртутью

Никогда ртуть не транспортируют в самолетах, причем дело не в токсичности. Ртуть хорошо вступает в контакт со всеми металлами, делая их ломкими. Особенно это касается алюминиевых сплавов — случайная авария может повредить самолет.

Использование самого легкоплавкого металла в медицине

Ядовитый металл чаще всего встречался в эликсирах бессмертия и лекарствах для продления жизни. Алхимики пробовали добывать золото прямо из ртути, только сначала ее надо было нагреть. Ртуть называли праматерью металлов, она входила в теорию трех начал (с серой и солью) и была основным элементом философского камня.

Даже магические действия шаманов не могли обойтись без ртути. Распыляемым порошком киновари отпугивали нечистых духов. Несмотря на токсичность, «серебряную воду» активно использовали древние врачи практически во всех сферах своей деятельности.

Древнеегипетские жрецы клали немного ртути в сосуд и помещали в горло фараона, чтобы обезопасить его в загробной жизни.

В Индии йоги пили ртутно-серный напиток и утверждали, что таким образом можно продлить жизнь. Одним из самых вопиющих случаев в древности было лечение заворота кишок с помощью данного химического элемента.

Врачи были уверены, что жидкое серебро должно замечательно проходить сквозь человеческие кишки, распрямляя их. Но данный способ почему-то не прижился, так как у пациентов от большого объема высокоплотного «лекарства» происходил разрыв желудка.

Утверждают, что Иван Грозный стал жертвой именно ртути. Предположительно, ему или лечили сифилис, или давали лекарства, содержащие ртуть. То, что русский царь умер в результате ртутной интоксикации и имел деформации костей, свойственные глубоким старикам, уже доказано несколькими учеными.

Историки отмечали, что перед смертью царь очень изменился. Постоянная свирепость, искаженные черты лица, на теле не осталось ни единого волоса. Постоянные эпилептические припадки служили очередным доказательством отравления.

Интересно, что мгновенно покончить с жизнью с помощью ртути ни у кого не получалось. Когда самоубийцы выпивали металл — все они выживали. Самыми опасными являются пары и раствор, а сама ртуть никогда не растворится в желудке и выйдет из организма.

В 70-х годах в продаже можно было встретить множество препаратов с ртутью: мочегонные, слабительные, в мазях для отбеливания лица и антисептиках.

Амальгама серебра не так давно была распространенным пломбировочным стоматологическим материалом в России и до сих пор используется в дешевых пломбах за рубежом.

Самый легкоплавкий металл на планете необходим человечеству по-прежнему. А вот смогут ли люди дружить с ним, не отравляя жизнь вокруг — очень спорный вопрос…

Присоединяйся к нам Вконтакте и будешь в курсе всего новго в интернете!

Самый тугоплавкий металл

С древних времен человек научился обрабатывать и использовать в своей жизни металлы. Какие-то из них подходят для изготовления посуды и других товаров народного потребления, из других, например нержавеющая сталь, делают оружие и медицинские инструменты. А некоторые металлы и сплавы используются для строительства сложных технических механизмов, например космический корабль или самолет. Одной из характеристик, на которую обращают внимание при выборе того или иного материала, является его тугоплавкость.

Тугоплавкость металлов

Внимание этой характеристике уделяют все инженеры и конструкторы, работающие в машиностроении. В зависимости от величины этой характеристики, человек может рассчитать и определить в какую конструкцию можно применить те или иные тугоплавкие материалы.

Материалы, температура плавления который выше температуры плавления железа, равной 1539 °С, называются тугоплавкими. Самые тугоплавкие материалы:

Полный список содержит больше химических элементов, но не все из них получили распространенное применение в производстве и некоторые обладают меньшими температурами плавления или радиоактивны.

Вольфрам – самый тугоплавкий металл. На вид он светло-серого цвета, твердость и вес достаточно велики. Однако, он становится хрупким при низких температурах и его легко сломать (хладноломкость). Если нагреть вольфрам больше 400 °С, он станет пластичным. С другими веществами вольфрам плохо соединяется. Добывают его из сложных и редких минералов руд, таких как:

Переработка руды очень сложный и дорогостоящий процесс. Извлеченный материал формируют в бруски или готовые детали.

Вольфрам был открыт в XVIII веке, но долгое время не существовало печей, способных нагреваться до температуры плавления этого тугоплавкого металла. Ученые провели множество исследований и подтвердили, что вольфрам самый тугоплавкий металл. Стоит отметить, что по одной из теорий, сиборгий имеет большую температуру плавления, но не удается провести достаточное количество исследований, т.к. он радиоактивен и нестабилен.

Добавление вольфрама в сталь увеличивает ее твердость, поэтому его стали применять в изготовлении режущего инструмента, что увеличило скорость резания и тем самым привело к росту производства.

Высокая стоимость и трудность обработки этого тугоплавкого металла сказываются на сферах его применения. Он используется в тех случаях, когда нет возможности применить другой. Его достоинства:

• устойчив к высоким температурам;
• повышенная твердость;
• прочный или упругий при определенных температурах;

Переработка металлической руды

Все эти характеристики помогают вольфраму найти широкое применение в различных сферах, таких как:

• металлургия, для легированных сталей;
• электротехника, для нитей накаливания, электродов и др.;
• машиностроение, в изготовлении узлов зубчатых передач и валов, редукторов и многом другом;
• авиационное производство, в изготовлении двигателей;
• космическая отрасль, применяется в соплах ракет и реактивных двигателях;
• военно-промышленный комплекс, для бронебойных снарядов и патронов, брони военной техники, в устройстве торпед и гранат;
• химическая промышленность, вольфрам обладает хорошей коррозийной стойкостью к действию кислот, поэтому из него делают сетки для фильтров. Кроме того соединения с вольфрамом используют в качестве красителей тканей, в производстве одежды для пожарных и многом другом.

Такой перечень отраслей, где используется этот тугоплавкий металл говорит о том, что его значение для человечества очень велико. Ежегодно по всему миру изготавливают десятки тысяч тон чистого вольфрама и с каждым годом потребность в нем растет.

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.

Применение тугоплавких материалов

Сферы, в которых применяются тугоплавкие металлы и сплавы:

• авиация;
• ракетостроение;
• электроника;
• космический и военный комплекс.

Объединяет все эти сферы использование новейших технологий и процессов. В основном используются в электрических приборах, лампах, электродах, катодах, предохранителях и многом другом.

Нашли они свое применение и в ядерной энергетике. Тугоплавкие металлы применяют для производства труб ядерных реакторов, оболочек и других элементов АЭС.

В химической промышленности нашли свое применение вольфрам, для окраски тканей, и тантал, антикоррозионные свойства которого применяются при изготовлении посуды и аппаратуры.

Использование тугоплавких металлов в составе прокатных сталей усиливает определенные свойства тех. Это способствует увеличению прочности, температуре плавления и многим другим свойствам.

Ежегодно выпускается миллионы тонн тугоплавких металлов по всему миру. Они используются в составе различных сплавов и сталей. Без них невозможно изготовить качественный инструмент и материал. Развитие военно-промышленного комплекса, самолетостроения, кораблестроения, создание космических кораблей, безопасность в атомной промышленности невозможна без их применения.

Самый тугоплавкий металл в мире — свойства, получение, применение

Определение «тугоплавкие металлы» не требует дополнительных пояснений в силу исчерпывающей информативности самого термина. Единственным нюансом остается пороговая температура плавления, после которой вещество можно считать тугоплавким.

Исторические сведения

Прежде чем изучать характеристики самых тугоплавких металлов в мире следует ознакомиться с их историей открытия. Металлообработка известна человеку несколько тысяч лет. Однако активное получение тугоплавких металлов началось только со второй половины 19 века.

Изначально они использовались только в электротехнике. С появлением новых технологий в строении самолётов, машин, поездов и ракет детали с высоким показателем плавления начали использоваться активнее. Пик популярности заготовок, выдерживающих температуры более 1000 градусов, пришёлся на середину 20 века.

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.

Определение

Большинство определений термина тугоплавкие металлы определяют их как металлы имеющие высокие температуры плавления. По этому определению, необходимо, чтобы металлы имели температуру плавления выше 4,000 °F (2,200 °C). Это необходимо для их определения как тугоплавких металлов. Пять элементов — ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений входят в этот список как основные, в то время как более широкое определение этих металлов позволяет включить в этот список ещё и элементы имеющие температуру плавления 2123 K (1850 °C) — титан, ванадий, хром, цирконий, гафний, рутений и осмий. Трансурановые элементы (которые находятся за ураном, все изотопы которых нестабильны и на земле их найти очень трудно) никогда не будут относиться к тугоплавким металлам.

Сравнительная таблица степени тугоплавкости чистых металлов

Следует отметить, что тугоплавкие материалы не ограничиваются исключительно металлами. К этой категории относится ряд соединений – сплавы и легированные металлы, разработанных, чтобы улучшить определенные характеристики исходного материала. Относительно чистых элементов, можно привести наглядную таблицу степени их температурной устойчивости. Возглавляет ее самый тугоплавкий металл, известный на сегодня, – вольфрам с температурой плавления 3422 0С. Такая осторожная формулировка связана с попытками выделить металлы, обладающие порогом расплава, превосходящим вольфрам. Поэтому вопрос, какой металл самый тугоплавкий, может в будущем получить совсем иное определение.

Пороговые величины остальных соединений приведены ниже:

• рений 3186;
• осмий 3027;
• тантал 3014;
• молибден 2623;
• ниобий 2477;
• иридий 2446;
• рутений 2334;
• гафний 2233;
• родий 1964;
• ванадий 1910;
• хром 1907;
• цирконий 1855;
• титан 1668.

Остается добавить еще один интересный факт, касающийся физических свойств жапропрочных элементов. Температура плавления некоторых из них чувствительная к чистоте материала. Ярким примером этому выступает хром, температура плавления которого может варьироваться от 1513 до 1920 0С, в зависимости от химического состава примесей. Поэтому, данные интернет пространства часто разнятся точными цифрами, однако качественная составляющая от этого не страдает.

Хром в чистом виде

Свойства самых тугоплавких металлов

Так самый тугоплавкий металл в мире (вольфрам) обычно легируется рением, торием, никелем при участии меди и/или железа. Первый делает сплав более коррозионстойким, второй — более надежным, а третий — придает небывалую плотность. Следует обратить внимание, что во всех сплавах вольфрама содержится не более 4/5. Из-за того, что вольфрам одновременно и твердый, и тугоплавкий его обычно применяют в электроснабжении, строении приборов, изготовлении оружия, снарядов, боеголовок и ракет. Более плотные сплавы (на базе никеля) применяют для производства клюшек для игры в гольф. Вольфрам образует и так называемые псевдосплавы. Дело в том, что в них металл не легируется, а наполняется жидким серебром или медью. За счет разницы в температурах расплава получаются лучшие тепло и электропроводные свойства.

Молибден в отличие от вольфрама можно легировать лишь не некоторые сотые долей и получать при этом отличные свойства. Основными легирующими элементами молибдена являются: титан+цирконий и вольфрам. С последним сплав получается чрезвычайно инертным, с большим сопротивлением. Это дает возможность использовать его для изготовления форм для литья цинковых деталей. Особое направления использования молибдена — в качестве легирующего элемента в стальных сплавах. Сплавы сталь+молибден обладают хорошей износостойкостью и невысокими показателями трения. Сталь+молибден применяют в для изготовления труб, трубных конструкций, автомобиле и машиностроении.

Ниобий и тантал как братья, всегда находятся рядом. И тот и другой применяют в изготовлении электролитических конденсаторов .Ниобий иногда также легируют гафнием и титаном, чтобы он не вступал в реакцию с кислородов во время нагрева. Отжиг ниобия позволяет получать металл с разными коэффициентами упругости и твердости. Ниобий можно встретить в электроснабжении, ракето- и судостроении, ядерной промышленности и пр. Тантал же благодаря своей инертности к кислотам используется в медицине и производстве высокоточной электроники.

Самый редкий и самый дорогой металл из представленных — рений. Его сложно добывать, поэтому в сплавах он выступает не в качестве основного элемента, а в качестве легирующего. Нередким является его применение с медью и платиной. Рений упрочняет такие образования и улучшает их способность к ковке. Используется в ядерной, химической (катализатор) и электронной промышленностях.

Использование полезных свойств тугоплавких металлов и сплавов рассматривается учеными всего мира, как весьма перспективное направление научных изысканий.

Виды

Виды металлов и сплавов, обладающие устойчивостью к повышенным температурам:

1. Вольфрам. Впервые о нем узнали в 1781 году. Чтобы расплавить, его потребовалось разогреть до 3380 градусов. Вольфрам считается самым тугоплавким. Изготавливается он из порошка, который обрабатывается химическим способом. Сначала смесь разогревается, а затем подвергается давлению. На выходе получаются спрессованные заготовки.
2. Ниобий. Плавится при 2500 градусах. Обладает высокой теплопроводностью, обрабатывается не так сложно, как вольфрам. Изготавливается из порошка, который запекают и обрабатывают с помощью высокого давления. Из ниобия делают проволоку, трубы и ленту.
3. Молибден. Визуально его можно спутать с вольфрамом. Изготавливается он из порошка при запекании и воздействии давлением. Как и вольфрам обладает парамагнетическими свойствами. Используется в радиоэлектронике, изготовлении промышленного оборудования, печей и электродов.
4. Тантал. Плавится при 3000 градусах. Чтобы сделать проволоку из тантала или закалить материал, его не нужно нагревать до критических температур. Используется для изготовления элементов в радиоэлектронике (конденсаторы, пленочные резисторы). Популярен в ядерной промышленности.
5. Рений. Материал, который ученые открыли позже остальных. Найти его можно в медной и платиновой руде. Используется на промышленном производстве, как легирующая добавка.

К материалам с высокими температурами плавления относится и хром. Благодаря своим уникальным характеристикам он применяется в различных сферах промышленности. Обладает повышенной устойчивостью к критическим температурам и коррозийным процессам. Однако стоит учитывать его хрупкость.

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.

Применение тугоплавких материалов

Применение чистых жаропрочных металлов имеет приоритеты по ряду направлений:

• сверхзвуковая авиация;

• производство космических кораблей;

• изготовление управляемых снарядов, ракет;

• электронная и вакуумная техника.

Последний пункт затрагивает электроды электровакуумных радиоламп. Например, высокочистый ниобий используется для производства сеток, трубок электронных деталей. Также из него изготавливаются электроды – аноды электровакуумных приборов.

Аналогичное применение свойственно молибдену, вольфраму. Эти металлы в чистом виде используются не только как нити накаливания, но и под электроды радиоламп, крючки, подвески электровакуумного оборудования. Монокристаллы вольфрама, напротив, эксплуатируются как подогреватели электродов, в частности катодов, а также при изготовлении электрических контактов, предохранителей.

Чистые ванадий и ниобий используются в ядерной энергетике, где их них изготовлены трубы атомных реакторов, оболочки тепловыделяющих элементов. Область применения высокочистого тантала – химия (посуда и аппаратура), поскольку металл обладает высокой стойкостью к коррозии.

Отдельно следует рассматривать тугоплавкий припой, поскольку он не включает металлов, имеющих высокие температуры плавления. Например, тугоплавкое олово не содержит порошки тугоплавких металлов. В качестве добавок тут используются медь, серебро, никель или магний.

Тугоплавкие металлы и сплавы востребованы как прокат, так и в других сферах. В частности, применение сплавов обусловлено способностью, модифицировать определенные свойства металла: понизить температуру охрупчивания, улучшить жаропорочные характеристики.

Прокат из тугоплавких металлов достаточно широк по ассортименту и включает:

Термоэлектродная проволока вольфрам-рениевая

Наиболее крупным отечественным производителем данного типа продукции выступает опытный завод тугоплавких металлов и твердых сплавов.

Видео — тугоплавкие металлы

Тугоплавкие металлы — характеристики, свойства и применение

Еще с конца 19 века были известны тугоплавкие металлы. Тогда им не нашлось применения. Единственная отрасль, где их использовали, была электротехника и то в очень ограниченных количествах. Но все резко поменялось с развитием сверхзвуковой авиации и ракетной техники в 50-е года прошлого столетия. Производству потребовались новые материалы, способные выдерживать значительные нагрузки в условиях температур свыше 1000 ºC.

Список и характеристики тугоплавких металлов

Тугоплавкость характеризуется повышенным значением температуры перехода из твердого состояния в жидкую фазу. Металлы, плавление которых осуществляется при 1875 ºC и выше, относят к группе тугоплавких металлов. По порядку возрастания температуры плавки сюда входят следующие их виды:

Современное производство по количеству месторождений и уровню добычи удовлетворяют только вольфрам, молибден, ванадий и хром. Рутений, иридий, родий и осмий встречаются в естественных условиях довольно редко. Их годовое производство не превышает 1,6 тонны.

Жаропрочные металлы обладают следующими основными недостатками:

• Повышенная хладноломкость. Особенно она выражена у вольфрама, молибдена и хрома. Температура перехода у металла от вязкого состояния к хрупкому чуть выше 100 ºC, что создает неудобства при их обработке давлением.
• Неустойчивость к окислению. Из-за этого при температуре свыше 1000 ºC тугоплавкие металлы применяются только с предварительным нанесением на их поверхность гальванических покрытий. Хром наиболее устойчив к процессам окисления, но как тугоплавкий металл он имеет самую низкую температуру плавления.

К наиболее перспективным тугоплавким металлам относят ниобий и молибден. Это связано с их распространённостью в природе, а, следовательно, и низкой стоимостью в сравнении с другими элементами данной группы.

Помимо этого, ниобий зарекомендовал себя как металл с относительно низкой плотностью, повышенной технологичностью и довольно высокой тугоплавкостью. Молибден ценен, в первую очередь, своей удельной прочностью и жаростойкостью.

Самый тугоплавкий металл встречаемый в природе — вольфрам. Его механические характеристики не падают при температуре окружающей среды свыше 1800 ºC. Но перечисленные выше недостатки плюс повышенная плотность ограничивают его область использования в производстве. Как чистый металл он применяется все реже и реже. Зато увеличивается ценность вольфрама как легирующего компонента.

Физико-механические свойства

Металлы с высокой температурой плавления (тугоплавкие) являются переходными элементами. Согласно таблице Менделеева выделяют 2 их разновидности:

• Подгруппа 5A – тантал, ванадий и ниобий.
• Подгруппа 6A – вольфрам, хром и молибден.

Наименьшей плотностью обладает ванадий – 6100 кгм3, наибольшей вольфрам – 19300 кгм3. Удельный вес остальных металлов находится в рамках этих значений. Эти металлы отличаются малым коэффициентом линейного расширения, пониженной упругостью и теплопроводностью.

Данные металлы плохо проводят электрический ток, но обладает таким качеством как сверхпроводимость. Температура сверхпроводящего режима составляет 0,05-9 К исходя из вида металла.

Абсолютно все тугоплавкие металлы отличаются повышенной пластичностью в комнатных условиях. Вольфрам и молибден помимо этого выделяются на фоне остальных металлов более высокой жаропрочностью.

Коррозионная стойкость

Жаропрочным металлам свойственна высокая стойкость к большинству видов агрессивных сред. Сопротивление коррозии элементов 5A подгрупп увеличивается от ванадия к танталу. Как пример, при 25 ºC ванадий растворяется в царской водке, между тем как ниобий полностью инертен по отношению к данной кислоте.

Тантал, ванадий и ниобий отличаются устойчивостью к воздействию расплавленных щелочных металлов. При условии отсутствия в их составе кислорода, которые значительно усиливает интенсивность протекания химической реакции.

Молибден, хром и вольфрам имеют большую сопротивляемость к коррозии. Так азотная кислота, которая активно растворяет ванадий, значительно менее воздействует на молибден. При температуре 20 ºC данная реакция вообще полностью останавливается.

Все тугоплавкие металлы охотно вступают в химическую связь с газами. Поглощение водорода из окружающей среды ниобием осуществляется при 250 ºC. Тантал при 500 ºC. Единственный способ остановить эти процессы – проведение вакуумного отжига при 1000 ºC. Стоит заметить, что вольфрам, хром и молибден куда менее склонны к взаимодействию с газами.

Как уже было сказано ранее, лишь хром отличается сопротивляемостью к окислению. Данное свойство обусловлено его способностью образовывать твердую пленку оксида хрома на своей поверхности. Растворение кислорода хромом происходит только при 700 С. У остальных тугоплавких металлов процессы окисления начинаются ориентировочно при 550 ºC.

Хладноломкость

Распространению использования жаропрочных металлов в производстве мешает обладание ими повышенной склонности к хладноломкости. Это означает, что при падении температуры ниже определенного уровня происходит резкое возрастание хрупкости металла. Для ванадия такой температурой служит отметка в -195 ºC, для ниобия -120 ºC, а вольфрама +330 ºC.

Наличие хладноломкости жаропрочными металлами обусловлено содержанием примесями в их составе. Молибден особой чистоты (99,995%) сохраняет повышенные пластические свойства вплоть до температуры жидкого азота. Но внедрение всего 0,1% кислорода сдвигает точку хладноломкости к -20 С.

Области применения

До середины 40-х годов тугоплавкие металлы использовались только как легирующие элементы для улучшения механических характеристик стальных цветных сплавов на основе меди и никеля в электропромышленности. Соединения молибдена и вольфрама применялись также в производстве твердых сплавов.

Техническая революция, связанная с активным развитием авиации, ядерной промышленности и ракетостроения, нашла новые способы использования тугоплавких металлов. Вот неполный перечень новых сфер применения:

• Производство тепловых экранов головного узла и каркасов ракет.
• Конструкционный материал для сверхзвуковых самолётов.
• Ниобий служит материалом сотовой панели космических кораблей. А в ракетостроении его используют в качестве теплообменников.
• Узлы термореактивного и ракетного двигателя: сопла, хвостовые юбки, лопатки турбин, заслонки форсунок.
• Ванадий является основой для изготовления тонкостенных трубок тепловыделяющих элементов термоядерного реактора в ядерной промышленности.
• Вольфрам применяется как нить накаливания электроламп.
• Молибден все шире и шире используется в производстве электродов, применяемых для плавки стекла. Помимо этого, молибден — металл, используемый для производства форм литья под давлением.
• Производство инструмента для горячей обработки деталей.

Оцените статью:

Таблица температур плавления металлов

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.

Как происходит процесс

Элементы, какими бы они ни были: золото, железо, чугун, сталь или любой другой — плавятся примерно одинаково. Это происходит при внешнем или внутреннем нагревании. Внешнее нагревание осуществляется в термической печи. Для внутреннего применяют резистивный нагрев, пропуская электрический ток или индукционный нагрев в электромагнитном поле высокой частоты. Воздействие при этом примерно одинаковое.

Когда происходит нагревание, усиливается амплитуда тепловых колебаний молекул. Появляются структурные дефекты решётки, сопровождаемые разрывом межатомных связей. Период разрушения решётки и скопления дефектов и называется плавлением.

В зависимости от градуса, при котором плавятся металлы, они разделяются на:

1. легкоплавкие — до 600 °C: свинец, цинк, олово;
2. среднеплавкие — от 600 °C до 1600 °C: золото, медь, алюминий, чугун, железо и большая часть всех элементов и соединений;
3. тугоплавкие — от 1600 °C: хром, вольфрам, молибден, титан.

В зависимости от того, каков максимальный градус, подбирается и плавильный аппарат. Он должен быть тем прочнее, чем сильнее будет нагревание.

Вторая важная величина — градус кипения. Это параметр, при достижении которого начинается кипение жидкостей. Как правило, она в два раза выше градуса плавления. Эти величины прямо пропорциональны между собой и обычно их приводят при нормальном давлении.

Если давление увеличивается, величина плавления тоже увеличивается. Если давление уменьшается, то и она уменьшается.

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.

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.