Тугоплавкие металлы список

Тугоплавкие металлы

По технической классификации — металлы, плавящиеся при температуре выше 1650—1700 °С; в число Т. м. (таблица) входят Титан Ti, Цирконий Zr, Гафний Hf (IV группа периодической системы), Ванадий V, Ниобий Nb, Тантал Ta (V группа), Хром Cr, Молибден Mo, Вольфрам W (VI группа), Рений Re (VII группа). Все эти элементы (кроме Cr) относятся к редким металлам (См. Редкие металлы), a Re — к рассеянным редким металлам. (Высокой температурой плавления характеризуются также металлы платиновой группы и торий, но они по технической классификации не относятся к Т. м.)

Т. м. имеют близкое электронное строение атомов и являются переходными элементами (См. Переходные элементы) с достраивающимися d-oболочками (см. табл.). В межатомных связях Т. м. участвуют не только наружные s-электроны, но и d-электроны, что определяет большую прочность межатомных связей и, как следствие, высокую температуру плавления, повышенные механические прочность, твёрдость, электрическое сопротивление. Т. м. имеют близкие химические свойства. Переменная валентность Т. м. обусловливает многообразие их химических соединений; они образуют металлоподобные тугоплавкие твёрдые соединения.

В природе Т. м. в свободном виде не встречаются, в минералах часто изоморфно замещают друг друга: Hf изоморфно ассоциирован с Zr, Ta с Nb, W с Mo; разделение этих пар — одна из весьма трудных задач химической технологии, решаемая обычно методами экстракции (См. Экстракция)или сорбции (См. Сорбция) из растворов либо ректификации (См. Ректификация) хлоридов.

Физические и химические свойства. Кристаллические решётки Т. м. IV группы и Re гексагональные, остальных, а также Ti выше 882 °C, Zr выше 862 °C и Hf выше 1310°C — объёмно-центрированные кубические. Ti, V и Zr — относительно лёгкие металлы, а самые тугоплавкие из всех металлов — Re и W — по плотности уступают лишь Os, lr и Pt. Чистые отожжённые Т. м. — пластичные металлы, поддаются как горячей, так и холодной обработке давлением, особенно хорошо — Т. м. IV и V групп. Для применения Т. м. важно, что благоприятные механические свойства их и сплавов на их основе сохраняются до весьма высоких температур; это позволяет рассматривать их, в частности, как жаропрочные конструкционные материалы. Однако механические свойства Т. м. в значительной мере зависят от их чистоты, степени деформации и условий термообработки. Так, Cr и его сплавы даже при малом содержании некоторых примесей становятся непластичными, a Re, имеющий высокий модуль упругости, подвержен сильному наклёпу, вследствие чего даже при небольшой степени деформации его необходимо отжигать. Особенно сильно на свойства Т. м. влияют примеси углерода (исключая Re), водорода (для металлов IV и V групп), азота, кислорода, присутствие которых делает Т. м. хрупкими. Характерные свойства всех Т. м.— устойчивость к действию воздуха и многих агрессивных сред при комнатной температуре и небольшом нагревании и высокая реакционная способность при больших температурах, при которых их следует нагревать в вакууме или в атмосфере инертных к ним газов. Особенно активны при нагревании Т. м. IV и V групп, на которые действует также водород, причём при 400—900 °C он поглощается с получением хрупких гидридов, а при нагревании в вакууме при 700—1000 °C вновь выделяется; этим пользуются для превращения компактных металлов в порошки путём гидрирования (и охрупчивания) металлов, измельчения и дегидрирования. Т. м. VI группы и Re химически менее активны (их активность падает от Cr к W), они не взаимодействуют с водородом, a Re — и с азотом; взаимодействие Mo с азотом начинается лишь выше 1500 °C, а W — выше 2000 °C. Т. м. способны образовывать сплавы со многими металлами.

Получение. Примерно 80—85% V, Nb, Mo (США, 1973) и значительные количества других Т. м., кроме Hf, Ta и Re, получают из рудных концентратов или технических окислов алюмино- или силикотермическими способами в виде ферросплавов (См. Ферросплавы) для введения в стали с целью легирования (См. Легирование); молибденовые концентраты при этом предварительно обжигают. Чистые Т. м. получают из рудных концентратов по сложной технологии в 3 стадии: вскрытие концентрата, выделение и очистка химических соединений, восстановление и рафинирование металла. Основой производства компактных Nb, Ta, Mo и W и их сплавов является Порошковая металлургия, которая частично используется в производстве и др. Т. м. В металлургии всех Т. м. всё шире применяют дуговую, электроннолучевую и плазменную плавки. Т. м. и сплавы особо высокой чистоты производят в виде монокристаллов бестигельной электроннолучевой или плазменной зонной плавкой. Полуфабрикаты из Т. м. — листы, фольгу, проволоку, трубы и т.д. изготовляют обычными методами обработки металлов давлением с промежуточной термообработкой.

Применение. Огромное значение Т. м., сплавов и соединений связано с их исключительно благоприятными свойствами и сочетаниями свойств, характерными для отдельных Т. м. Важнейшая область применения большинства Т. м. — использование их в виде сплавов в качестве жаропрочных материалов, прежде всего в самолётостроении, ракетной и космической технике, атомной энергетике, высокотемпературной технике. Детали из сплавов Т. м. при этом обычно предохраняют жаростойкими покрытиями.

Т. м. и их сплавы используются в качестве конструкционных материалов также в машиностроении, морском судостроении, электронной, электротехнической, химической, атомной промышленности и в др. отраслях техники. Широкое применение находят окислы и многие др. химические соединения Т. м. Более подробно о свойствах, способах получения и практического использовании Т. м. см. в статьях об отдельных элементах и их сплавах.

Лит.: Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справочник, М., 1967; Основы металлургии, т. 4, М., 1967; Савицкий Е. М., Бурханов Г. С., Металловедение сплавов тугоплавких и редких металлов, 2 изд., М., 1971; Крупин А. В., Соловьев В. Я., Пластическая деформация тугоплавких металлов, М., 1971; 3еликман А. Н., Меерсон Г. А., Металлургия редких металлов, М., 1973; Савицкий Е. М., Клячко В. С., Металлы космической эры, М., 1972; Химия и технология редких и рассеянных элементов, т. 1—2, М., 1965—69; «Engineering and Mining Journal», 1974, v. 175, March.

Тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, ниобий, тантал

Вольфрам входит в 4-ю группу периодической системы Менделеева. Его атомный номер 74, атомная масса 183,85. Природный вольфрам состоит из смеси пяти изотопов

Массовые числа изотопов: 180 182 183 184 186

Содержание природной смеси 0,13 26,31 14,28 30,64 28,64

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.

Тугоплавкие сплавы на основе вольфрама

Представителем таких сплавов является сплав вольфрама и ниобия ВВ2 с температурой жаропрочности до 1200°C. Для повышения коррозионной стойкости и тугоплавкости вольфрамовые сплавы легируют рением. А для повышения износостойкости торием.

Характеристика механических свойств металлов

• твердость;
• высокая температура плавления;
• прочность;
• деформация ползучести;
• теплопроводность металлов.

Таблица прочности металлов поможет определить предел прочности тугоплавкого металла при растяжении, а также показатель прочности каждого вида.

Сплавы на основе молибдена

Молибден и его сплавы являются наверное самыми частоиспользуемыми из всех тугоплавких. В промышленности часто используются сплавы легированные цирконием, бором, титаном, ниобием: сплавы ЦМ3, ЦМ6, ЦМ2А, ВМ3

Применение

Тугоплавкие металлы используются в качестве источников света, деталей, смазочных материалов, в ядерной промышленности в качестве АРК, в качестве катализатора. Из-за того, что они имеют высокие температуры плавления, они никогда не используются в качестве материала для выплавки на открытом месте. В порошкообразном виде материал уплотняют с помощью плавильных печей. Тугоплавкие металлы можно переработать в проволоку, слиток, арматуру, жесть или фольгу.

Сплавы ниобия

Тёмная часть сопла Apollo CSM сделана из сплава титан-ниобий.

Ниобий почти всегда находится вместе с танталом; ниобий был назван в честь Ниобы, дочери Тантала в греческой мифологии. Ниобий находит множество путей для применения, некоторые он разделяет с тугоплавкими металлами. Его уникальность заключается в том, что он может быть разработан путём отжига для того, чтобы достичь широкого спектра показателей твёрдости и упругости; его показатель плотности самый малый по сравнению с остальными металлами данной группы. Он может применяться в электролитических конденсаторах и является самым частым металлом в суперпроводниковых сплавах. Ниобий может применяться в газовых турбинах воздушного судна, в электронных лампах и ядерных реакторах.

Сплав ниобия C103, который состоит из 89 % ниобия, 10 % гафния и 1 % титана, находит своё применение при создании сопел в жидкостных ракетных двигателях, например таких как Apollo CSM (англ.). Применявшийся сплав не позволяет ниобию окисляться, так как реакция происходит при температуре от 400 °C.

Тантал является самым стойким к коррозии металлом из всех тугоплавких металлов.

Важное свойство тантала было выявлено благодаря его применению в медицине — он способен выдерживать кислую среду (организма). Иногда он используется в электролитических конденсаторах. Применяется в конденсаторах сотовых телефонов и компьютера.

Сплавы рения

Рений является самым последним открытым тугоплавким элементом из всей группы. Он находится в низких концентрациях в рудах других металлов данной группы — платины или меди. Может применяться в качестве легирующего компонента с другими металлами и придает сплавам хорошие характеристики — ковкость и увеличивает предел прочности. Сплавы с рением могут применяться в компонентах электронных приборов, гироскопах и ядерных реакторах. Самое главное применение находит в качестве катализатора. Может применяться при алкилировании, деалкилировании, гидрогенизации и окислении. Его столь редкое присутствие в природе делает его самым дорогим из всех тугоплавких металлов.

Удельная прочность тугоплавких металлов

В таблице представлена удельная прочность металлов, рассчитанная при комнатной температуре. В общих случаях она зависима от чистоты и способа получения металла. По результатам сравнительного анализа видны преимущества таких металлов как Nb и Mo. Они значительно выигрывают по сравнению с Ta и W. Выделенное объективно до температуры в 1370 °С.

Общие свойства тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы и их сплавы привлекают внимание исследователей из-за их необычных свойств и будущих перспектив в применении.

Физические свойства тугоплавких металлов, таких как молибден, тантал и вольфрам, их показатели твёрдости и стабильность при высоких температурах делает их используемым материалом для горячей металлообработки материалов как в вакууме, так и без него. Многие детали основаны на их уникальных свойствах: например, вольфрамовые нити накаливания способны выдерживать температуры вплоть до 3073 K.

Однако, их сопротивляемость к окислению вплоть до 500 °C делает их одним из главных недостатков этой группы. Контакт с воздухом может существенно повлиять на их высокотемпературные характеристики. Именно поэтому их используют в материалах, в которых они изолированы от кислорода (например лампочка).

Сплавы тугоплавких металлов — молибдена, тантала и вольфрама — применяются в деталях космических ядерных технологий. Эти компоненты были специально созданы в качестве материала способного выдержать высокие температуры (от 1350 K до 1900 K). Как было указано выше, они не должны контактировать с кислородом.

Тугоплавкие металлы — Refractory metals

Тугоплавкие металлы представляют собой класс металлов , которые являются чрезвычайно устойчивы к жаре и износу . Выражение в основном используется в контексте материаловедения , металлургии и машиностроения . Определение , какие элементы принадлежат к этой группе отличается. Наиболее распространенное определение включает в себя пять элементов: два из пятого периода ( ниобий и молибден ) и три из шестого периода ( тантал , вольфрам и рений ). Все они имеют некоторые свойства, в том числе температуры плавления выше 2000 ° С и высокой твердостью при комнатной температуре. Они являются химически инертными и имеют относительно высокую плотность. Их высокие точки плавления делают порошковую металлургию метода выбора для изготовления компонентов из этих металлов. Некоторые из их приложений включают инструменты для работы металлов при высоких температурах, проволочных нитей, литейных форм и химических реакционных сосудов в агрессивных средах. Отчасти из — за высокой температуры плавления, тугоплавкие металлы устойчивы к деформации ползучести до очень высоких температур.

содержание

Определение

Большинство определений термина список «тугоплавкие металлы» чрезвычайно высокая температура плавления в качестве ключевого требования для включения. По одному из определений, температура плавления выше 4000 ° F (2200 ° C) , необходимо , чтобы определить. Пяти элементов ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений, включены во всех определениях, в то время как более широкое определение, включая все элементы с температурой плавления выше 2123 К (1850 ° С), включают в себя различное число девяти дополнительных элементов: титан , ванадия , хром , цирконий , гафний , рутений , родий , осмий и иридий . Эти искусственные элементы , будучи радиоактивным, никогда не рассматривается как часть тугоплавких металлов, хотя технеций имеет температуру плавления 2430 К или 2157 ° С и резерфордия предсказана , чтобы иметь температуру плавления 2400 K или 2100 ° C.

физический

Температура плавления тугоплавких металлов являются самыми высокими для всех элементов , кроме углерода , осмия и иридия. Эта высокая точка плавления определяет большую часть их применения. Все металлы с объемно-центрированной кубической кроме рения , который является гексагональной плотной упаковкой . Большинство физических свойств элементов в этой группе значительно различаются , потому что они являются членами различных групп .

Сопротивление ползучести является ключевым свойством тугоплавких металлов. В металлах, начальная ползучести коррелирует с точкой плавления материала; ползучести в алюминиевых сплавах начинается при 200 ° С, в то время как при температурах тугоплавких металлов выше 1500 ° C являются необходимыми. Это сопротивление к деформации при высоких температурах делает тугоплавкие металлы пригодны против сильных сил при высокой температуре, например , в реактивных двигателях и инструментах , используемых в процессе ковки .

Тугоплавкие металлы показывают широкий спектр химических свойств , так как они являются членами трех различных групп в периодической таблице . Они легко окисляются, но эта реакция замедляется в объеме металла с образованием стабильных слоев оксида на поверхности. Особенно оксид рения является более летучим , чем металл, и , следовательно , при высокой температуре стабилизации от нападения кислорода теряется, поскольку оксидный слой испаряется. Все они относительно устойчивы к кислотам.

Приложения

Тугоплавкие металлы используются в осветительных , инструментов, смазочных материалов , ядерных реакций регулирующих стержней , в качестве катализаторов , а также для их химических или электрических свойств. Из — за их высокой температуры плавления , тугоплавкие металлические компоненты никогда не изготавливают путем литья . Процесс порошковой металлургии используется. Порошки чистого металла уплотнены, нагревают с помощью электрического тока, и дополнительно изготавливают путем холодной обработки с этапами отжига. Тугоплавкие металлы могут быть разработаны в проволоке , слитки , арматурные прутки , листы или фольгу .

Молибден сплавы

Сплавы на основе молибдена широко используются, поскольку они дешевле , чем превосходящие сплавы вольфрама. Наиболее широко используемый сплав молибдена с T Itanium — Z irconium — M olybdenum сплав ПЗМ, состоящую из 0,5% титана и 0,08% циркония (с молибденом быть остальным). Сплав имеет более высокое сопротивление ползучести и прочность при высоких температурах, что делает температуру сервисной выше 1060 ° С для возможного материала. С высоким удельным сопротивлением Мо-30W, сплав 70% молибдена и 30% вольфрама, от нападения расплавленного цинка , делает его идеальным материалом для литья цинка. Он также используется , чтобы построить клапаны для расплавленного цинка.

Молибден используется в ртутных смачивается реле тростника , так как молибден не образует амальгамы и, следовательно , устойчив к коррозии жидкой ртути .

Молибден является наиболее широко используемым из тугоплавких металлов. Наиболее важное использование в качестве упрочняющего сплава из стали . Структурные трубы и трубопроводы часто содержат молибден, как и многие из нержавеющей стали . Его прочность при высоких температурах, устойчивость к износу и низкий коэффициент трения все свойства , которые делают его бесценным в качестве легирующего вещества. Его превосходные анти- фрикционные свойства приводят к его инкорпорации в консистентных смазок и масел , где надежность и производительность имеют решающее значение. Автомобильные соединения постоянной скорости используют смазку , содержащий молибден. Соединение легко прилипает к металлу и образует очень жесткое, трение покрытия. Большая часть мировой молибденовой руды можно найти в Китае, США , Чили и Канаде .

Вольфрам и его сплавы

Вольфрам был обнаружен в 1781 году шведским химиком Шееле . Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления всех металлов, при 3,410 ° C (6170 ° F ).

До 22% рений легированный вольфрама , чтобы улучшить свою высокую прочность температуры и устойчивость к коррозии. Торий в качестве легирующего соединения используется , когда электрические дуги должны быть установлены. Зажигания легче и дуга горит более устойчиво , чем без добавления тория. Для применений порошковой металлургии, связующие вещества должны быть использованы для процесса спекания. Для производства вольфрамового сплава тяжелого, связующие смеси никеля и железа или никеля и меди широко используются. Содержание вольфрама в сплаве , как правило , выше 90%. Диффузия связующих элементов в зернах вольфрама является низким даже при спекании температурах и , следовательно , внутренняя часть зерен чистого вольфрама.

Вольфрам и его сплавы часто используются в приложениях , где высокие температуры присутствуют , но еще высокая прочность необходима и высокая плотность не беспокойство. Вольфрам проволочных нити обеспечивают подавляющее большинство бытовых ламп накаливания , но также распространены в промышленном освещении в качестве электродов в дуговых лампах. Лампы получить более эффективными в преобразовании электрической энергии на свет с более высокими температурами и , следовательно, высокая точка плавления имеет важное значение для применения в качестве нити в свете ламп накаливания. Газ вольфрам дуговая сварка (аргонодуговой, также известная как вольфрам инертного газа (TIG) сварка) оборудование использует постоянный, без плавления электрода . Высокая температура плавления и износостойкость по отношению к электрической дуге делают вольфрам подходящего материала для электрода.

Высокая плотность и прочность Вольфрамовая является также ключевым свойством для его использования в оружейных снарядах , например , в качестве альтернативы обедненного урана для танковых пушек. Его высокое точка плавления делает вольфрам хороший материала для таких приложений , как сопла ракетных двигателей , например , в UGM-27 Polaris . Некоторые из применений вольфрама не связаны с его огнеупорными свойствами , а просто его плотности. Например, он используется в балансовых весов для самолетов и вертолетов , или для руководителей гольф — клубов . В этом приложениях также могут быть использованы аналогичные плотные материалы , такие как более дорогой осмий.

Наиболее общее использование вольфрама в качестве соединения карбида вольфрама в сверлах , механической обработке и режущих инструментах. Наибольшие запасы вольфрама в Китае , с депозитами в Корее , Боливии , Австралии и других странах.

Кроме того , оказывается , выступающий в качестве смазки , антиоксиданта , в соплах и втулках, в качестве защитного покрытия и многих других способов. Вольфрам можно найти в печатных красках, рентгеновские экранах, фотохимикатах , при переработке нефти продуктов и пламени расстойки текстиля .

Ниобий сплавы

Ниобий почти всегда встречаются вместе с тантал, и был назван в честь Ниоба , дочь мифического греческого царя Тантала , для которых тантал был назван. Ниобий имеет множество применений, некоторые из которых он разделяет с другими тугоплавкими металлами. Он уникален тем , что он может быть проработан отжигом , чтобы достичь широкого диапазона прочности и эластичности , и является наименее плотным из тугоплавких металлов. Она также может быть найдена в электролитических конденсаторах и в большинстве практических сверхпроводящих сплавов. Ниобий могут быть найдены в авиационных газовых турбин , вакуумных трубок и ядерных реакторов .

Сплав , используемый для жидкостных ракетных двигателя малой тяги сопел, например, в основном двигателем Lunar модулей Apollo , является С103, который состоит из 89% ниобия, 10% гафния и 1% титана. Другой сплав ниобия был использован для сопла модуля Apollo Service . Как ниобий окисляются при температурах выше 400 ° C, защитное покрытие является необходимым для этих приложений , чтобы предотвратить сплав стать хрупкими.

Тантал и его сплавы

Тантал является одним из наиболее коррозионно устойчивых веществ , имеющихся.

Многие важные применения были найдены тантал благодаря этому свойству, особенно в медицинских и хирургических областях, а также в сложных кислых средах. Он также используется , чтобы сделать превосходные электролитические конденсаторы. Танталовые пленки обеспечивают вторую большую емкость на единицу объема любого вещества после аэрогеля , и позволяют миниатюризации из электронных компонентов и схем . Многие сотовые телефоны и компьютеры содержат танталовые конденсаторы.

рений сплавы

Рений является наиболее недавно обнаруженным тугоплавким металлом. Он находится в низких концентрациях со многими другими металлами, в рудах других тугоплавких металлов, платины или медных руд. Это полезно в качестве сплава с другими тугоплавкими металлами, где она добавляет пластичность и прочность на разрыв . Рений сплавы используются в электронных компонентах, гироскопах и ядерных реакторах . Рений находит свое наиболее важное применение в качестве катализатора. Он используется в качестве катализатора в реакциях , таких как алкилирование , деалкилирование , гидрогенизации и окислению . Однако его редкость делает его самым дорогим из тугоплавких металлов.

Преимущества и недостатки

Тугоплавкие металлы и сплавы привлекают внимание исследователей из-за их замечательные свойства и перспективном практической полезности.

Физические свойства тугоплавких металлов, таких как молибден, тантал и вольфрам, их прочность и стабильность при высокой температуре делают их подходящим материалом для горячей обработки металлов приложений и для вакуумной печи технологии. Многие специальные приложения используют эти свойства: например, вольфрамовые нити накала ламп работают при температурах до 3073 К и молибдена печи Обмотки выдерживают до 2273 К.

Тем не менее, плохая низкотемпературная технологичность и экстремальная окисляемость при высоких температурах недостатков большинства тугоплавких металлов. Взаимодействие с окружающей средой может существенно влиять на их высокотемпературное сопротивление ползучести. Применение этих металлов требует защитной атмосферы или покрытия.

Тугоплавкие металлические сплавы молибдена, ниобия, тантала и вольфрама были применены к космической ядерно — энергетических систем. Эти системы были разработаны , чтобы работать при температурах от 1350 К до приблизительно 1900 К. среды , не должен взаимодействовать с материалом , о котором идет речь. Жидкие щелочные металлы в качестве теплоносителей используются, а также сверхвысокий вакуум .

Высокотемпературная ползучесть деформация сплавов должна быть ограничена , чтобы они были использованы. Деформация ползучести не должна превышать 1-2%. Дополнительные сложности при изучении поведения ползучести тугоплавких металлов являются взаимодействие с окружающей средой, которые могут существенно влиять на поведение ползучести.

Свойства тугоплавких металлов и сплавов

Металлы, которые плохо поддаются расплавке, называются тугоплавкими. Технически в эту группу входят пять основных и 9 дополнительных элементов периодической системы. Основными тугоплавкими металлами признаются те, что имеют температуру расплава больше 2-х тысяч градусов по Цельсию. Это ниобий, рений, тантал, молибден и вольфрам. К дополнительным тугоплавким металлоэлементам принято относить те из них, чья температура плавления составляет порядка 1700-1850 градусов по Цельсию. Это три элемента четвертого периода (титан, ванадий, хром), три элемента пятого периода (цирконий, рутений, родий) и три элемента шестого периода (гафний, осмий, иридий).

Столь высокая тугоплавкость металлов достигается благодаря строению их атомов. В них находятся электроны двух видов: обычные s-электроны и особые d-электроны. Последние, благодаря своему близкому расположению, делают связи между атомами очень прочными. Прочными настолько, что металл требуется нагреть на пару тысяч градусов, чтобы разорвать эти связи.

С химической точки зрения такие металлы похожи. Они легко образуют естественные хим. соединения, потому найти их в чистом виде не возможно. На открытом воздухе вступают в реакцию с кислородом, однако при нормальных температурах реакция идет вяло, а на поверхности металла образует защитная пленка. Зато если неплавкий металл нагреть, реакция ускорится во много раз, а материал будет подвержен коррозии, станет хрупким и потеряет часть своих природный свойств. Похожим образом на некоторые неплавкие металлы действуют углерод, водород и азот. Именно поэтому тугоплавкие материалы предпочитают использовать в вакууме, оградив от влияния «опасных» веществ.

Такие похожие химически, физические свойства тугоплавких металлов весьма различны, что обусловлено разностью форм их кристаллических решеток. У одних она гексагональная, а у других — кубическая, объемно центрированная. Отсюда и отличия в плотности, твердости и сопротивляемости сжатию.

Тугоплавкие металлы и сплавы

Однако исследования не стоят на месте, а потому сейчас большинство свойств тугоплавких элементов можно скорректировать путем их легирования, то есть получения сплавов. Сплавы на основе неплавких металлов сохраняют свою непревзойденную устойчивость к воздействия высоких температур и сопротивление к деформированию. При этом они еще и приобретают такие полезные свойства, как большая или меньшая пластичность, коррозионостойкость, жаропрочность, упругость и пр.

Две трети всех неплавких металлов получают из руды, а точнее их так называемых рудных концентратов. Это значит, что помимо основного элемента в руде находится множество вспомогательных. Прежде чем получится хоть грамм тугоплавкого элемента необходимо концентрат «распилить», химически очистить от всего ненужного, а затем восстановить или, как еще говорят, рафинировать. В зависимости от того, насколько чистый металл нужен, используют дугообразную, электронно-лучевую или плазменную плавку. В последней получаются металлы самого лучшего вида. Готовые тугоплавкие металлоэлементы представляют собой порошок или гранулы, правда иногда их сразу подвергают обработке и получают тугоплавкие заготовки — листы, пленку, трубы, нити и пр. Получением как заготовок, так и чистых металлов занимаются заводы тугоплавких металлов и сплавов. Один из старейших в России — ОАО «Опытный завод тугоплавких металлов и твёрдых сплавов» — работает в данной сфере с 48-го года XX века. Еще один советский, а ныне Узбекский завод — ОАО «УзКТЖМ», существует с 1956 года.

Применение тугоплавких металлов основано на максимально эффективном использовании их природных свойств. Среди отраслей народного хозяйства, прибегающих к помощи тугоплавких металлоэлементов, можно выделить строительство машин, судов, космических аппаратов и их деталей, атомную энергетику, ядерную промышленность и химическую промышленность, электроснабжение и металлургию. При этом практически нигде тугоплавкие металлоэлементы не используются «в живую», обычно для этих целей берут их различные сплавы.

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.

Тугоплавкие металлы;

К тугоплавким относят металлы с температурой плавления бо­лее 1700°С. Эти металлы, как правило, химически устойчивы при низких температурах, но при повышенных температурах активно взаимодействуют с атмосферой. Поэтому изделия из них эксплуа­тируют в вакууме или среде инертных газов (аргон Аr, азот N₂ и др.). Механическая обработка тугоплавких металлов затруднена из-за их повышенной твердости и хрупкости.

Тугоплавкие металлы (вольфрам W, рений Re, молибден Мо, тантал Та, титан Ti, ниобий Nb, цирконий Zr) применяют в электровакуумной технике, полупроводниковом производстве и микроэлектронике, для подвижных контактов и в качестве материала для сверхпроводников. Основные свойства некоторых тугоплавких металлов приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 – Основные свойства тугоплавких металлов

Вольфрам W. Вольфрам – светло-серый металл, который обла­дает следующими свойствами:

— наиболее высокая температура плавления;

— очень большая плотность;

— наименьшее значение температурного коэффициента линейно­го расширения ТКl изо всех чистых металлов, применяемых в ваку­умной технике;

— сравнительно дорог, с трудом обрабатывается и поэто­му применяется только там, где его нельзя заменить.

Сравнительно толстые вольфрамовые изделия с мелкокристал­лической структурой очень хрупкие вследствие высокой прочнос­ти отдельно взятых кристаллов при очень слабом их сцеплении меж­ду собой.

Волокнистая структура металла, создаваемая ковкой и волоче­нием, обеспечивает высокую механическую прочность и гибкость тонких вольфрамовых нитей, диаметр которых может быть менее 10 мкм. Применение вольфрама для изготовления нитей ламп на­каливания было впервые предложено русским изобретателем А.Н.Лодыгиным в 1890 г.

Это свойство используют при изготовле­нии термически согласованных спаев вольфрама с тугоплавкими стеклами. Основная область применения вольфрама — изготовле­ние нитей накала осветительных ламп, катодов прямого и косвен­ного накала мощных генераторных ламп, рентгеновских трубок, размыкающих контактов реле, испарителей для нанесения в вакуу­ме тонких пленок различных материалов. Для контактов с больши­ми значениями разрываемой мощности используют металлокерамические материалы на основе порошка вольфрама.

Рений Re. Рений – серовато-белый редкоземельный металл. В при­роде рений встречается в виде примеси в сульфидных минералах. Он обладает следующими свойствами:

— коррозионная стойкость (до температуры 1000°С не окисля­ется);

— малая испаряемость при высоких температурах в среде техни­ческого вакуума.

Рений применяется для покрытия вольфрамовых нитей с целью повышения срока службы. Покрытие наносят разложением лету­чих соединений рения в атмосфере водорода над вольфрамовой нитью, нагретой до температуры 2000°С.

Молибден Мо. Молибден – близкий по своим свойствам к воль­фраму металл, но почти в 2 раза легче последнего. Он обладает сле­дующими свойствами:

— самое низкое удельное электрическое сопротивление ρ из всех тугоплавких металлов;

— допустимая рабочая температура ниже, чем у вольфрама;

— окисление начинается с температуры 500°С.

Структура кованого и тянутого молибдена сходна со структу­рой образца вольфрама. Однако отожженный мелкозернистый мо­либден обладает хорошей пластичностью и его механическая обра­ботка не вызывает особых затруднений.

Молибден применяют для изготовления анодов и сеток генера­торных ламп, крючков для поддерживания вольфрамовых нитей, теплоотводов в корпусах мощных ВЧ и СВЧ полупроводниковых приборов, в качестве разрывных электрических контактов, в паре с вольфрамом для изготовления термопар, рассчитанных на измере­ния температур до 2000°С в инертных средах и вакууме.

Тантал Та. Тантал – серовато-белый ме­талл, который обладает следующими свойствами:

— высокая пластичность даже при комнатной температуре;

— в отличие от вольфрама и молибдена допускает холодную меха­ническую обработку и сварку;

— в качестве электровакуумного конструкционного материала выдерживает температуру до 1200°С;

— способен поглощать газы в электровакуумном приборе.

Прокатываниием получают танталовую фольгу для электролитических конденса­торов толщиной в несколько микрон.

Применяют также в качестве различных нагревателей и испари­телей, используемых в технологии вакуумного нанесения тонких пленок. Ввиду высокой стоимости тантал используют для изготовления ответственных изделий сложной формы, работающих в вакууме в напряженном тепловом режиме.

Титан Ti. Титан обладает следующими свойствами:

— сравнительно высокая механическая прочность;

— высокая газопоглощающая способность, особенно при нагрева­нии до температуры 500°С.

Он получается термической диссоциацией йодистых соединений.

Титан применяется для порошкообразных покрытий молибде­новых и вольфрамовых электродов электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.

Титановые сплавы образуются в результате легирования титана алюминием, железом, хромом, марганцем, оловом и другими и обладают следующими свойствами: низкая плотность, высокая коррозионная стойкость, прочность, жароупорность, низкие литейные свойства, удовлетворительно обрабатываются резанием твердо-сплавным инструментом, свариваются аргонодуговой и контактной сваркой. Некоторые титановые сплавы упрочняют термичес­кой обработкой.

Ниобий Nb. Ниобий — металл серовато-белого цвета, который обладает следующими свойствами:

— хорошо поддается механической обработке;

— в слитках при комнатной температуре не корродирует, но его порошок заметно окисляется на воздухе.

Ниобий применяется для изготовления катодов генераторных ламп, анодов, управляющих сеток.

Цирконий Zr. Цирконий – металл, который в слитках похож на сталь, хорошо куется. Высокая концентрация циркониевой пыли в воздухе пожароопасна, так как порошкообразный цирконий при температуре свыше 75°С легко воспламеняется.

Тугоплавкие соединения циркония (карбиды, нитриды), обладающие сравнительно высокой электропроводностью, применяют для изготовления анодов и сеток электронных приборов, пленок для печатного монтажа.