Производство тугоплавких металлов

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:

  • Плотность металла колеблется в интервале от 6100 до 10000 кг/м 3 . По этому показателю выделяется только вольфрам. У него он равен 19000 кг/м 3 .
  • Температура плавления. Она превышает температуру плавления железа и колеблется от 1950 °С у ванадия до 3395 °С у вольфрама.
  • Удельная теплоёмкость у них незначительно отличается друг от друга и находится в пределах от 200 до 400 Дж/(кг-град).
  • Коэффициент теплопроводности сильно меняется от элемента к элементу. Если у ванадия он равен 31 Вт/(м-град), то у вольфрама он достигает величины в 188 Вт/(м-град).

Физические свойства тугоплавких металлов

Химические свойства также достаточно схожие:

  • Очень похожее строение атома.
  • Обладают высокой химической активностью. Это свойство определяет основные трудности при сохранении стабильности их соединений.
  • Прочность межатомных связей определяет высокую температуру плавления. Это обстоятельство объясняет высокую механическую прочность, твёрдость и электрические характеристики (в частности сопротивление).
  • Проявляют хорошую устойчивость при воздействии различных кислот.

К основным недостаткам тугоплавких металлов относятся:

  • Низкая коррозийная стойкость. Процесс окисления происходит достаточно быстро. Его разделяют на две последовательные стадии. Непосредственное взаимодействие металла с кислородом окружающего воздуха, что приводит к образованию оксидной плёнки. На второй стадии происходит процесс диффузии (проникновения) атомов кислорода через образовавшуюся оксидную плёнку.
  • Трудности со свариваемостью тугоплавких металлов. Это вызвано высокой химической активностью к окружающему воздуху при высоких температурах, хрупкостью при насыщении различными примесями. Кроме того, трудно определить точку перегрева и практически невозможно контролировать повышение предела текучести.
  • Трудности их получения использования в чистом виде без примесей.
  • Необходимость применения специальных покрытий от быстрого окисления. Для сплавов, основу которых составляет вольфрам и молибден, разработаны силицидные покрытия.
  • Трудности, связанные с механической обработкой. Для качественной обработки их сначала необходимо нагреть.

Производство тугоплавких металлов

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

  1. На начальном этапе получают порошок металла.
  2. Затем методами химического восстановления (обычно аммонийных солей или оксидов) выделяют требуемый металл. Такое выделение получается в результате воздействия на порошок водорода.
  3. На завершающем этапе получают химическое соединение, называемое гексафторидом соответствующего металла, и уже из него сам металл.

Применение тугоплавких металлов

Начиная со второй половины двадцатого века тугоплавкие металлы стали применяться во многих отраслях промышленного производства. Порошки тугоплавких металлов используются для производства первичной продукции. Тугоплавкие металлы вырабатывают в виде проволоки, слитков, арматуры, прокатного металла и фольги.

Отдельное место такие металлы занимают в технологии выращивания лейкосапфиров. Они относятся к классу монокристаллов и называются искусственными рубинами.

Изделия из тугоплавких металлов входят в состав бытовых и промышленных электрических приборов, огнеупорных конструкций, деталей для двигателей авиационной и космической техники. Особое место занимают тугоплавкие металлы при производстве деталей сложной конфигурации.

Вольфрам

Этот металл открыли в далёком 1781 г. Его температура плавления равна 3380 °С. Поэтому он на сегодняшний день является самым тугоплавким металлом. Получают вольфрам из специального порошка, подвергая его химической обработке. Этот процесс основан на прессовании с последующим спеканием при высоких температурах. Далее его подвергают ковке и волочению на станках. Это связано с его наибольшей тугоплавкостью. Так получают волокнистую структуру (проволоку). Она достаточно прочная и практически не ломается. На конечном этапе его раскатывают в виде тонких нитей или гибкой ленты. Для проведения механической обработки необходимо создать защитную среду из инертного газа. В этой среде температура должна превышать 400 °С. При температуре окружающей среды он приобретает свойства парамагнетика. Ему присущи следующие недостатки:

  • сложность в создании условий для механической обработки;
  • быстрое образование на поверхности оксидных плёнок. Если в контакте имеются серосодержащие вещества, образуются сульфидные плёнки;
  • создание хорошего электрического контакта между несколькими деталями возможно только при создании большого давление.

Для улучшения свойств вольфрама (тугоплавкости, устойчивости к коррозии, износостойкости) в него добавляют легирующие металлы. Например, рений и торий.

Металл используется для производства нитей накаливания для осветительных и сушильных ламп. Его добавляют в сварочные электроды, элементы электронных ламп и рентгеновских трубок. Также применяется при производстве элементов ракет, в реактивных двигателях, артиллерийских снарядах.

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:

  • Даже при нормальной температуре обладает почти идеальным антиферромагнитным упорядочением. Это придаёт ему отличные магнитные свойства.
  • По-разному реагирует на воздействие водорода и азота. В первом случае сохраняет свою прочность. Во втором, становится хрупким и полностью теряет все свои пластические свойства.
  • Обладает высокой устойчивостью против коррозии. Это происходит благодаря тому, что при взаимодействии с кислородом на поверхности образуется тонкая защитная плёнка. Она служит для защиты от дальнейшей коррозии.

Он используется в металлургической, химической, строительной индустриях. Хром, как легирующая добавка, обязательно используется для производства различных марок нержавеющей стали. Особое место занимает при изготовлении такого материала как нихром. Этот материал способен выдерживать очень высокие температуры. Поэтому его используют в различных нагревательных элементах. Хромом активно покрывают поверхности различных деталей (металла, дерева, кожи). Это процесс осуществляется с помощью гальваники.

Читайте также  Как заточить ступенчатое сверло по металлу

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.

Что такое тугоплавкие металлы — список, области применения и свойства

Название тугоплавких металлов напрямую говорит об их особенностях. Многие из них стали известны еще в конце 19 века, но не сразу нашли свое применение. Редкое исключение составили некоторые соединения, которые были востребованы в электротехнике. Ситуация резко изменилась в средине прошлого века по причине активного развития ракетостроения и сверхзвуковой авиации. Именно в этих отраслях промышленности наиболее востребованы тугоплавкие металлы, способные выдержать высокие нагрузки при температуре рабочей среды выше 1000 градусов по шкале Цельсия.

Характеристики и перечень тугоплавких металлов

Тугоплавкость определяется показателем температуры, до достижения которой металл не плавится. Для группы тугоплавких металлов температура плавления не может быть ниже 1875 градусов.

Список тугоплавких металлов включает:

  • ванадий;
  • хром;
  • родий;
  • гафний;
  • рутений;
  • вольфрам;
  • иридий;
  • тантал;
  • молибден;
  • осмий;
  • рений;
  • ниобий.

Иридий, рутений, родий и осмий встречаются очень редко, в год их производят не более 1,6 тонны. Потребностям современного производства в полной мере отвечает только добыча хрома, молибдена, ванадия и вольфрама.

Наряду с высокой температурой плавления необходимо отметить и характерные недостатки данных материалов. Жаропрочный металл не отличается высокой стойкостью к окислению. Этим объясняется необходимость нанесения защитных гальванических покрытий на изделия, предназначенные для использования в рабочей среде с температурой выше 1000 градусов. В плане стойкости к окислению выделяется хром, но он при этом обладает самой низкой температурой плавления.

Кроме того, хром, вольфрам и молибден отличаются повышенной хладноломкостью, что заметно усложняет их обработку методом давления.

Наиболее перспективны для промышленности молибден и ниобий. Они часто встречаются в естественных условиях, что существенно снижает конечную стоимость продукции. Молибден ценится как жаростойкий металл с высокой удельной прочностью. Ниобий обладает низкой степенью плотности, высокой тугоплавкостью и технологичностью.

Вольфрам представляет собой самый тугоплавкий металл и материал, востребованный в качестве легирующего компонента. В чистом виде он применяется редко из-за недостатков, перечисленных выше, и повышенной плотности.

Физические и механические свойства

Тугоплавкие металлы входят в группу переходных элементов. Таблица Менделеева различает две их разновидности:

  • ниобий, тантал, ванадий входят в подгруппу 5А;
  • хром, вольфрам и молибден – в подгруппу 6А.

Самая небольшая плотность у ванадия (6100 кг/м3), а максимальная у вольфрама (19300 кг/м3). Остальные металлы по показателю удельной плотности находятся в пределах этих рамок. Все они обладают низким коэффициентом линейного расширения, малой теплопроводностью и упругостью. Элементы плохо проводят электроток, но отличаются сверхпроводимостью. В зависимости от вида элемента температура сверхпроводимости колеблется в пределах от 0,05 до 9 К.

Примечательно, что при комнатной температуре тугоплавким металлам присуща высокая пластичность. Кроме того, молибдену и вольфраму свойственна повышенная жаропрочность на фоне остальных элементов. Не все элементы обладают высокой степенью жаростойкости. Большая часть тугоплавких металлов устойчивы к агрессивному воздействию щелочи или кислоты в обычной среде. Но при нагреве до 400 градусов их активность резко увеличивается. По этой причине материалы нуждаются в создании особых условий эксплуатации. В высокотемпературной рабочей среде их нередко помещают в особую атмосферу инертных газов или разреженный до состояния вакуума воздух.

Общим для всех элементов показателем является высокая степень химической активности. Именно эта особенность заметно усложняет получение чистых элементов, вызывая необходимость построения многоэтапной технологической цепочки.

Кроме того, определенные сложности с применением жаропрочных металлов в промышленном производстве объясняются их повышенной склонностью к хладноломкости. Иными словами, при снижении температуры рабочей среды до определенной отметки материал становится хрупким. Ванадий проходит эту отметку на -195 градусах, ниобий на -120, а вольфрам на +330 градусах по шкале Цельсия. Эта особенность объясняется присутствием некоторых примесей в составе металлов.

Производство тугоплавких металлов

По причине высокой химической активности основной технологией выработки жаропрочных металлов служит порошковая металлургия.

Существует несколько методов получения металлов данной категории в виде порошка.

  • Реакция восстановления с участием триоксида водорода включает в себя несколько этапов, и применяется для выработки молибдена и вольфрама. Процесс осуществляется в многотрубных печах при 750-950 градусах.
  • Схема восстановления при помощи водорода перрината предназначена для получения металлического рения. Средняя температура составляет 500 градусов, а на последнем этапе происходит отделение порошка от щелочи при помощи процедуры вымывания с последовательным использованием воды и раствора соляной кислоты.
  • Для получения молибдена применяют соли разных металлов. Чаще всего в качестве исходного сырья выступает аммонийная соль и металлический порошок металла, который добавляют в смесь в пропорции от 5 до 15% от общего объема. Технология предполагает обработку сырья при температуре от 500 до 800 градусов в потоке инертного газа. Реакция восстановления осуществляется в водородной среде с температурным режимом от 800 до 1000 градусов.

Полученный в виде порошка металл прессуют или запекают.

Сфера применения

Жаропрочные металлы в чистом виде востребованы в:

  • сверхзвуковой авиации;
  • ракетостроении и создании космических кораблей;
  • производстве ракет и снарядов с радиоуправлением;
  • вакуумной технике и электронике.

К примеру, ниобий без примесей необходим при изготовлении трубок, сеток, электронных деталей для электровакуумных радиоламп, а также электродов-анодов для электровакуумных устройств. Подобное назначение у молибдена и вольфрама. Их используют для электродов радиоламп, подвесок и крючков электровакуумных установок. Вольфрамовые монокристаллы необходимы для производства катодов, предохранителей, электрических контактов. Кроме того, металл с самой высокой температурой плавления давно востребован для нитей накаливания в привычных всем электрических лампах.

Ниобий и ванадий в чистом виде предназначены в первую очередь для атомной энергетики. Именно из них делают оболочки тепловыделяющих элементов и трубы ядерных реакторов. Чистый тантал необходим для химической отрасли в силу повышенной устойчивости к коррозии. Из него изготавливают технологические емкости, детали аппаратов и установок, различную посуду.

Тугоплавкие сплавы и металлы применяют в разных промышленных отраслях. Назначение соединений обусловлено их специфическими свойствами, в первую очередь жаропрочностью.

Производство проката включает:

  • трубы и листы;
  • проволоку и пруток;
  • фольгу и полосы (обычного типа или для глубокой вытяжки).

В отдельную позицию выделяют тугоплавкий припой. Это обусловлено отсутствием в его составе элементов с высокой температурой плавления. В роли компонентов применяют никель, медь, магний или серебро.

Производство тугоплавких металлов

  • ГЛАВНАЯ
  • ПРОДУКЦИЯ
    • Титановый прокат
    • Прецизионные сплавы и спецстали
    • Тугоплавкие сплавы
    • Нержавеющий прокат
    • Никелевые сплавы
  • ПРОВЕРКА СЕРТИФИКАТА
  • О КОМПАНИИ
  • КОНТАКТЫ
  • ГЛАВНАЯ
  • ПРОДУКЦИЯ
    • Титановый прокат
    • Прецизионные сплавы и спецстали
    • Тугоплавкие сплавы
    • Нержавеющий прокат
    • Никелевые сплавы
  • ПРОВЕРКА СЕРТИФИКАТА
  • О КОМПАНИИ
  • КОНТАКТЫ
  • Главная —
  • Продукция —
  • Тугоплавкие металлы

Тугоплавкие металлы — класс химических элементов (металлов), имеющих очень высокую температуру плавления и стойкость к изнашиванию. Выражение тугоплавкие металлы чаще всего используется в таких дисциплинах как материаловедение, металлургия и в технических науках.

Определение тугоплавких металлов относится к каждому элементу группы по разному. Основными представителями данного класса элементов являются элементы пятого периода — ниобий и молибден; шестого периода — тантал, вольфрам и рений.

Все они имеют температуру плавления выше 2000 °C, химически относительно инертны и обладают повышенным показателем плотности. Благодаря порошковой металлургии из них можно получать детали для разных областей промышленности.

Тугоплавкие металлы — металлы, которые не существуют в природе в чистом виде. Температура их плавления гораздо выше, чем температура плавки кобальта или железа. Такие металлы применяют в металлургии, корабле- и авиастроении, космической и ядерной промышленности, а также в конденсаторах или реактивных технологиях.

Прочность металлов и их сплавов делают тугоплавкие детали и конструкции применимыми даже для химической и электронной промышленности. При этом упругость металлов универсальна. Это позволяет даже при высоких температурах обеспечить жаропрочность конструкции независимо от сферы ее применения.

Механические свойства металлов и сплавов разнообразны в зависимости от их процентного соотношения в изделиях или деталях. Однако среди них можно выделить основные, которые присущи всем тугоплавким металлам и сплавам без исключения.

Читайте также  Как затачивать сверла по металлу

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.

Твердость

Т, °С Твердость, МН/м2 (кГ/мм2)
W Mo Nb
1560 525 (53,5) 172 (17,6) 102 (10,4)
1750 410 (41,8) 126(12,9) 50 (5,1)
2000 167 (17) 65,7 (6,7) 10,8 (1,1)
2500 71,6 (7,3) 22,5 (2,3)
3000 46,1 (4,7)

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.

Название металла Удельная прочность, кГ/мм2, Г/см3
Молибден 8,9
Ниобий 7,0
Тантал 2,3
Вольфрам 5,17

Температура перехода металлов в сверхпроводящее состояние

Металл °К
Титан 0,53
Ванадий 5,1
Цирконий 0,7
Ниобий 9,17
Молибден 0,9-0,98
Гафний 0,35
Тантал 4,40
Рений 1,7
Вольфрам 0,05

Таблица перевода чисел твердости

Твердость по Роквеллу Твердость по Виккерсу (HV) Твердость по Бринелю (HB)
По шкале С (HRC) По шкале А (HRA)
70 86,5 1076
69 86,0 1004
68 85,5 942
67 85,0 894
66 84,5 854
65 84,0 820
64 83,5 769
63 83,0 763
62 82,5 739
61 81,5 715
60 81,0 695
50 76,0 513
49 75,5 498
48 74,5 485
47 74,0 471 448
46 73,5 458 437
45 73,0 446 425
44 72,5 435 415
42 71,5 413 393
40 70,5 393 372
30 301 283
28 285 270
26 271 260
24 257 250
22 246 240
20 236 230

Упругие свойства тугоплавких металлов

Металл Коэффициент сжимаемости,
Х106 см2/кГ
Модуль нормальной упругости,
кГ/мм2
Модуль сдвига,
кГ/мм2
Коэффициент Пуассона
Титан 9000-10000
Цирконий 1,097 8960 3330 0,35
Гафний 9800-14060
Ванадий 13500
Ниобий 9080 8820 0,39
Тантал 0,52 18830 7000 0,35
Хром 25000
Молибден 0,347 33630 12200 0,31
Вольфрам 0,293 41500 15140 0,30
Рений 47000
Рутений 42000
Родий 28640
Осмий 57000
Иридий 53830

Коэффициент теплопроводности тугоплавких металлов

Элемент T °C Коэффициент теплопроводности k Вт/м∙К
Ванадий 20 33,2
Вольфрам 27 130
Молибден 27 162
Ниобий 27 53
Тантал 27 63
Хром 27 67
Цирконий 50 20,96

Термодинамические свойства тугоплавких металлов

Элемент Удельная теплоемкость,
Дж/К∙моль
Теплота плавления,
кДж/моль
Теплота испарения,
кДж/моль
Ванадий 0,485 17,5 460
Вольфрам 24,8 35 824
Молибден 0,251 28 590
Ниобий 0,268 26,8 680
Тантал 0,140 24,7 758
Хром 0,488 21 342
Цирконий 0,281 19,2 567

Обозначение символов:

  • σв — предел прочности;
  • σт— предел текучести;
  • σ0,2 — предел текучести при котором остаточные деформации составляют 0,2 % от длины испытываемого образца;
  • δ — относительное удлинение;
  • ψ — относительное сужение;
  • k — коэффициент теплопроводности;
  • HB — твердость по Бринеллю;
  • HV — твердость по Виккерсу;
  • HR — твердость по Роквеллу.

Тугоплавкие металлы – описание, изделия из тугоплавких Металлов

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.

Разногласия в критическом параметре

Одни источники устанавливают пороговую величину как 4000 F. В переводе на привычную шкалу это дает 2204 0 С. Согласно этому критерию, к жаропрочным относятся только пять элементов: вольфрам, ниобий, рений, тантал и молибден. Например, температура плавления вольфрама составляет 3422 0 С.

Видео – плавка вольфрама водородной горелкой

Другое утверждение позволяет расширить класс температуростойких материалов, поскольку принимает за точку отсчета температуру плавления железа – 1539 0 С. Это позволяет увеличить список еще на девять элементов, включив в него титан, ванадий, хром, иридий, цирконий, гафний, родий, рутений и осмий.

Существует еще несколько пороговых величин температуры, однако они не получили широкого распространения.

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 0 С. 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 0 С, 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

Общие свойства жаропрочных материалов

Относительная схожесть физико-химических характеристик данных элементов, обусловлена общностью атомного строения и тем, что они оказываются переходными металлами. Напротив, различия в свойствах, связаны с их принадлежностью к широкому спектру групп Периодической таблицы: IV – VII.

Базовая общая характеристика тугоплавких материалов – прочные межатомные связи. Для их разрыва требуется высокая энергия, которая и обуславливает температуру плавления в тысячи градусов по Цельсию. Дополнительно, данное свойство сказывается на высоких значениях таких параметров тугоплавких металлов, как: твердость, механическая прочность, электрическое сопротивление.

Следующая характеристика, объединяющая данные элементы, – высокая химическая активность. Она связана с общей тенденцией тугоплавких металлов образовывать химические связи посредством свободной p- и частично заполненной d-орбитали, отдавая электроны с наружных уровней s и d. Это свойство затрудняет получение чистых тугоплавких металлов, разбивая технологическое производство на несколько этапов.

Строение жаропрочных элементов также идентично, все они характеризуются объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой. Для этой структуры характерно “охрупчивание”. Исключение составляет рений, обладающий гексагональной ячейкой. Переход в хрупкое состояние для каждого металла происходит при определенной температуре, регулирование которой достигается при помощи легирования.

Каждый тугоплавкий металл, по определению жаропрочный, однако не любой из них жаростойкий. Большинство тугоплавких металлов устойчивы к окислению и действию агрессивных сред: кислоты, щелочи; в обычных условиях. Однако, с повышением температуры до 400 0 С их активность аномально возрастает. Это требует создания определенных условий эксплуатации. Поэтому, изделия из тугоплавких металлов, при повышенных температурах использования, часто помещают в атмосферу инертных газов или добиваются степени разреженности воздуха до условий вакуума.

Получение тугоплавких материалов

Как отмечалось ранее, основной препятствующий фактор производству жаропрочных металлов их высокая химическая активность, препятствующая выделению элементов в чистом виде.

Основной технологией получения остается порошковая металлургия. Данная методика позволяет получать порошки тугоплавких металлов различными способами:

  1. Восстановление триоксидом водорода. Процесс производится в несколько этапов, внутри многотрубных печей при 750 – 950 °С. Технология применима под порошки тугоплавких металлов: вольфрам и молибден.
  2. Восстановлением водородом перрената. Схема реализуется в производстве металлического рения. Рабочие температуры составляют около 500 °С. Заключительная стадия предусматривает отмывание порошка от щелочи. Для этого последовательно используется горячая вода и раствор соляной кислоты.
  3. Использование солей металлов. Технология развита для выделения молибдена. Основным сырьем выступает аммонийная соль металла и его металлический порошок, вводимый в смесь на уровне 5 – 15% от массы. Состав проходит термическую обработку 500 – 850 °С в проточном инертном газе. Восстановление металла проходит в атмосфере водорода при температурах 800 – 1000 °С.

Производство тугоплавких металлов – порошковая металлургия

Экскурсия на производство

Способы получения жаропрочных металлов продолжают совершенствоваться, как и химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, что связано с развитием ядерной энергетики, авиастроения, появлением новых моделей ракетных двигателей.

Одно из крупнейших предприятий по производству вольфрама на территории РФ – унечский завод тугоплавких металлов. Этот предприятие относительно молодое, строительство его началось в 2007 году на территории населенного пункта Унеча. Производственный акцент завода направлен на порошки тугоплавких металлов, точнее вольфрама и его карбидов.

Читайте также  Металлопрокат полоса размеры

В дальнейшем, для получения слитков рассыпчатую массу спекают или сдавливают прессом. Подобным образом порошки тугоплавких металлов обрабатываются для производства жаропрочных изделий.

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:

  • листы;
  • полосы обычные и для глубокой вытяжки;
  • фольгу;
  • трубы;
  • проволоку и прутки.

Термоэлектродная проволока вольфрам-рениевая

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

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.

  1. Что считать тугоплавким металлом
  2. Физико-химические характеристики
  3. Технология получения
  4. Сферы применения
  5. Классификация
  6. Основная группа
  7. Дополнительная группа

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:

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

Таким образом, список тугоплавких элементов включает 14 позиций.

Физико-химические характеристики

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

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

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

Больше схожести в химических свойствах:

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

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

Технология получения

Исходник большинства тугоплавов – руда.

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

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

Обработка тугоплавких металлов возможна только методами порошковой металлургии.

Сферы применения

Применение тугоплавких металлов не ограничивается бытовыми лампочками.

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

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

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

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

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

Классификация

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

Основная группа

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

Свойства четвёртой группы элементов

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

Молибден

Самый востребованный из тугоплавких элементов.

Сфера использования номер один – металлургия:

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

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

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

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

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

Вольфрам

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

Тугоплавкий прочный металл, светло-серого цвета – вольфрам

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

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

Вольфрам в слитках

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

Тантал

Самый стойкий к кислотам, коррозии из сегмента тугоплавких металлов.

Тяжёлый твёрдый металл серого цвета – тантал

Поэтому используется в конденсаторах смартфонов, планшетов, других гаджетов.

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

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

Ниобий

Металл с небанальными характеристиками:

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

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

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

Рений

Самый редкий и дорогой из тугоплавких металлов:

  • В сплавах выступает легирующим, никогда – основным компонентом.
  • Как лигатура, повышает утилитарные кондиции сплава: прочность, ковкость (например, с медью и платиной).
  • Обнаружен последним в тугоплавком сегменте.

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»:

  • Осмий – самое плотное вещество планеты, самый тяжелый тугоплав.
  • Иридий встречается чаще в метеоритах, чем на Земле.
  • Метаморфозы теплоемкости гафния необъяснимы наукой до сих пор.
  • Рутений назван в честь России.
  • Из чистого ванадия вытачивают жетоны и медали для коллекционеров.
  • Титан – единственный тугоплавкий цветной металл. Материал зубных и костных протезов.
  • Без циркония невозможны салюты и фейерверки. Медицинский «дублер» титана.

Тонким слоем хрома и благородного родия покрывают поверхность изделий класса люкс, включая ювелирные. Процессы называются хромированием и родированием.