Тугоплавкие металлы список

Тугоплавкие металлы — список и область применения

Тугоплавкие металлы

  • Тугоплавкий металл Тугоплавкие металлы имеют температуру плавления не менее 2200 ° С, то есть выше, чем температура плавления железа, никеля, кобальта и их сплавов. К тугоплавким металлам, применяемым в технологии, относятся металлы со следующими точками плавления: с: ниобий 2468, молибден 2610,Тантал 2996, вольфрам 3410. Все эти металлы имеют кристаллическую решетку ОЦК и не претерпевают фазовых превращений.

Несмотря на высокую температуру плавления, эта структура характеризуется относительно низким сопротивлением ползучести с меньшей плотностью по сравнению с решеткой ГЦК. Еще одним недостатком всех тугоплавких металлов является их низкая термостойкость и необходимость использования различных покрытий для защиты их от окисления при высоких температурах. Используйте молибденовый,

вольфрамовый сплав и силицидные термодиффузионные мембраны. Людмила Фирмаль

Кроме того, сплавы на основе молибдена и вольфрама недостаточно технологичны, плохо деформируются и свариваются. Сплавы тантала и ниобия не имеют этих недостатков. Использование танталовых сплавов сдерживается высокой стоимостью и редкостью металлов. В дальнейшем в качестве конструкционных материалов используются сплавы на основе ниобия, а также твердое упрочнение раствором вольфрама и дисперсионное упрочнение карбидом Mes

. Основными областями применения тугоплавкого металлического сплава являются конструкционные элементы высокотемпературных газоохладительных реакторов и термоядерных реакторов, где в дальнейшем конденсаторы хорошо известны как материалы ламп накаливания и тантала, как космические аппараты с ядерными источниками энергии, так и как прототермоэлектрический материал прото-вольфрама. Однако следует отметить, что возможности суперсплава приближаются к своим пределам.

  • Поэтому в будущем тугоплавкие металлы могут быть использованы в качестве турбин или огнеупоров при условии, что новые достижения в металлургических процессах и технологиях переработки смогут придать этим материалам необходимые эксплуатационные качества. Сплав ниобия и циркония (1 мас.%) характеризуется хорошей технологичностью и малым сечением захвата тепловых нейтронов. Он содержит жидкий металл и может использоваться при температуре 980-1200°C.

It широко применяется в ядерной системе, работающей при температуре окружающей среды… читать дальше Благодаря высокому электрическому сопротивлению сплав с 392% вольфрама 3% рения используется в лампах накаливания. Молибден, легированный с небольшими добавками титана (0,5%) и циркония (0,1%), иногда используется в качестве литейных стержней и вставок при литье под давлением стали, алюминия, цинка и меди. Инструментальный материал изотермически напрессованный большой турбинный диск В некоторых специальных конструкциях используются так называемые псевдосплавы, состоящие из взаимно нерастворимых компонентов с различными точками плавления.

Предварительно спеченный вольфрамовым порошком перфорированный каркас пропитывают при температуре 1200-1250 с жидким металлическим компонентом состава-медью или серебром. Людмила Фирмаль

Для повышения стойкости к окислению было проведено хромирование пористых литых сплавов. Свойства W-Cu и W-A G псевдосплава могут быть широко варьированы путем варьирования состава композиции(фиг. 17.10). Псевдосплавы имеют лучшую тепловую и электрическую проводимость, чем чистый вольфрам. Теплопроводность чистого вольфрама при температуре 1000 ° C составляет 120 Вт/(м/К), а псевдосплава W-20%(об.) Си-135 Вт/(К М). Испарение меди при температурах выше 2000 ″ с практически не изменяет разницы между эксплуатационными характеристиками чистого вольфрама и псевдосплавов.

Тепловые затраты на испарение меди и пограничный слой, обогащенный парами меди, значительно снижают тепловой поток и коррозионное воздействие продуктов сгорания топлива из материала. В ракетной технике и электротехнике используются псевдосплавы W-Cu и w-Ag. Он используется для изготовления сопловых вкладышей ракетных двигателей, работающих на твердом топливе, многие другие компоненты работают под воздействием мощных тепловых потоков.

Плавление и испарение меди с относительно низкой температурой плавления сопровождается значительным поглощением тепла, что предотвращает перегрев тугоплавкого вольфрамового каркаса. Пока поры содержат жидкий металл, температура псевдосплава, независимо от величины теплового потока, действующего на материал, не может подняться выше его температуры кипения. Рис 17.10. Зависимость механических свойств от концентрации меди псевдосплава W-si (данные В. С. Зуева) 393w-Cu и w-N i-Cu псевдосплавы-электрод контактного сварочного аппарата для контактной, тугоплавкой и цветной сварки металлов для выключателей высокого давления, работающих в неокислительной среде или масле, сопло для сварки плазмотрона из вольфрамовой меди с соотношением пустот 50%, пористый, 10% (обмотка).)

Si, 200 работают в течение 10 минут с током почти не теряют веса, но масса сопла из пористого вольфрама уменьшается на 2,2%. Повышение стойкости пористого ложного сплава железа связано с образованием на рабочей поверхности пленки оксида меди, которая защищает вольфрам. Псевдосплав W-a g используется для изготовления электрических контактов сварочных аппаратов, оптических выключателей, авиационного оборудования, стартеров, вибраторов, преобразователей тока. Для вакуумной работы можно использовать самосмазывающиеся подшипники, которые спечены из вольфрамового порошка и пропитаны серебром, золотом, оловом, древесным сплавом.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Свойства и применение тугоплавких металлов

В таблице химических элементов Менделеева можно выделить ряд химических элементов (в основном металлов), которые обладают такими общими свойствами, как очень высокая температура плавления, высокая механическая прочность и высокая износостойкость. Это – тугоплавкие металлы. Понятие обычно рассматривается в двух аспектах, узком и широком. В первом случае говорят о металлах, имеющих температуру плавления более 2000°C (ниобий, хром, молибден, тантал, вольфрам и рений).

  • Технологии производства
  • Виды и области применения

В более широком смысле к тугоплавким металлам относят такие, температура плавления которых превышает 1850°C: ванадий, гафний, титан, цирконий, рутений, осмий, родий и иридий. Характерно, что эти химические элементы имеют объёмно-центрированную кубическую кристаллическую решётку.

Свойства тугоплавких металлов

Главной характеристикой тугоплавких металлов является их жаропрочность. Они прочны при экстремально высоких температурах и твёрдые по своей природе. Также эти металлы обладают высокой устойчивостью к таким факторам, как термический шок. Это означает, что они не будут растрескиваться, расширяться или испытывать механические напряжения при многократном охлаждении и нагревании.

Все элементы этой группы обладают высокий плотностью, а также хорошими тепловыми и электрическими свойствами. Они также устойчивы к ползучести, поэтому очень медленно деформируются при воздействии внешней напряженной среды. Минимальная ползучесть объясняется способностью образовывать защитный противокоррозионный слой, который сохраняет целостность даже при высоких температурах.

Конкретные температурные характеристики этих металлов довольно сильно различаются, потому что они происходят из разных групп периодической таблицы.

Например, самый тугоплавкий металл – это рений, температура плавления которого составляет 3186°C, при температуре точки кипения 5596°C. Сопротивление ползучести обычно варьируется в пределах 500…1000 0 С.

Химические свойства тугоплавких металлов также разнообразны. Как правило, эти металлы легко окисляются, но реакцией окисления можно управлять, создавая стабильные слои оксида поверх основного металла. Тем не менее, все тугоплавкие металлы устойчивы к воздействию кислот.

Рассматриваемые химические элементы обладают не только высокими температурами плавления, но и высоким уровнем твёрдости при комнатной температуре.

Технологии производства

Высокие температуры плавления предопределяют порошковую металлургию основным способом получения конечной продукции.

Обычно вопрос о том, какие металлы – тугоплавкие, решается тем, к какой из трёх категорий они относятся:

  • Твёрдые сплавы;
  • Оксидные или карбидные дисперсно-упрочненные материалы;
  • Материалы с легированными свойствами.

Так, все продукты на основе вольфрама и большая часть молибденовых продуктов перерабатываются с помощью порошковой металлургии, поскольку из-за высокой температуры плавления, они не могут быть произведены методом распыления. Таким образом, процессы химического восстановления и электролиз — единственные практические методы.

Порошки, полученные электролитическим способом из водных электролитов или в расплавленном состоянии, имеют высокую чистоту и активны во время спекания. Однако у них есть следующие недостатки:

  • Для удаления из электролита остаточных примесей необходима очистка;
  • Процесс часто является дорогостоящим, потребляя много электроэнергии из-за низкого КПД по току;
  • Процесс ограничен производством чистых металлических порошков, так как этим методом невозможно производить порошки сплавов.

Восстановителями, используемыми в большинстве процессов, являются углерод и водород — в их элементарной форме, либо в виде газообразных соединений или смесей (углеводородов, крекинг-аммиака или монооксида углерода).

Ещё недавно для производства молибдена и его сплавы применялось вакуумное литьё, однако в современных производствах и здесь используется порошковая металлургия. Эффективность восстановления металлического порошка зависит от:

  • Требуемой энергии активации;
  • Химического состава и степени дисперсности металлопорошка;
  • Скорости потока восстанавливающего газа – водорода.

Порошковая металлургия — единственный путь производства сплавов, компонентами которых являются тугоплавкие металлы, в том числе, и на уровне нанопорошков. Среди различных методов, исследуемых для производства тугоплавких наносплавов — традиционный путь реакции газ-твердое тело, реализация которого позволяет производить наноструктурированные порошки в значительных количествах и с широкими возможностями обеспечения качества.

Важно подчеркнуть, что высокотемпературные технологии порошковой металлургии позволяют изготавливать материалы по индивидуальному заказу. Правильно подобрав исходный материал, можно соответствующим образом контролировать состав конечного продукта.

Третий способ – использование 3D-печати. Это активно развивающаяся технология, которая идеально подходит для производства легких, высокостабильных компонентов из вольфрама, молибдена, ниобия, тантала и их сплавов со сложной геометрической структурой.

Нанопорошки тугоплавких металлов получают следующими способами:

  1. Селективным лазерным спеканием.
  2. Селективным лазерным плавлением.
  3. Электронно-лучевым плавлением.
  4. Прямым осаждением.
  5. Быстрым прототипированием.

Ключевыми преимуществами металлических порошков, распыленных газом, являются идеально сферическая форма, отличная воспроизводимость, низкое содержание оксидов.

Виды и области применения

Благодаря своим уникальным качествам тугоплавкие металлы очень полезны для различных областей применения и отраслей. Их основные преимущества:

  • Сверхвысокая точка плавления. В частности, к тугоплавким металлам относятся вольфрам, молибден и тантал, которые применяются при производстве стекла;
  • Прочность при сверхвысоких температурах. Например, конусы ракет, сделанные из вольфрама, имеют вдвое большую прочность на разрыв, чем железо при нормальных температурах;
  • Превосходная стойкость к истиранию и износу, что позволяет продлить срок службы седел клапанов, уплотнений, форсунок и других участков, подверженных сильному износу;
  • Отличная коррозионная стойкость, поэтому особо ответственные трубопроводы на химических предприятиях обычно изготавливаются из тугоплавких металлов;
  • Устойчивость к тепловому удару. В частности, вольфрамовые изделия могут противостоять нагрузкам, вызванным быстрым расширением из-за резких перепадов температуры;
  • Тепловая и электрическая проводимость, вследствие чего из вольфрама и молибдена изготавливают детали радиаторов;
  • Чрезвычайная твердость, поэтому высокостойкий режущий штамповый и бурильный инструмент производят из карбида вольфрама;
  • Высокая плотность тугоплавких металлов – причина их применения при изготовлении головок клюшек для гольфа и авиационных гироскопов.
Читайте также  Фрезеровальный станок по металлу

Кроме того, эти материалы используются в качестве катализаторов химических реакций, при процессах ядерного синтеза и т.д.

К тугоплавким металлам относятся получившие особое распространение вольфрам, молибден, ниобий, тантал, рений и хром. Об особенностях их применения – далее.

Вольфрам

Вольфрам — самый распространенный среди тугоплавких металлов. Он имеет самую высокую температуру плавления и одну из самых высоких плотностей. Обладает также высокой устойчивостью к коррозии. Широко используется в проволочных волокнах, например, в большинстве ламп накаливания, используемых в домах, а также в промышленных дуговых лампах и прочей технике для освещения.

Молибден

Молибден — наиболее используемый тугоплавкий металл из всех, потому что он дешевле, чем большинство других, и, когда он превращен в сплав, может быть очень устойчивым к ползучести и высоким температурам. Он также не образует амальгам, что делает его устойчивым к коррозии.

Молибден используется для упрочнения стальных сплавов, особенно в конструкционных трубопроводах и насосно-компрессорных трубах. Этот металл также обладает отличными антифрикционными качествами, что делает его идеальным компонентом масел и смазок, используемых в автомобилях.

Ниобий

Обладает оптимальным сочетанием пластичности и прочности. Его можно использовать при изготовлении электролитических конденсаторов, сверхпроводников, ядерных реакторов и электронных ламп.

Тантал

Более других устойчив к коррозии, поэтому находит применение в медицине (особенно – хирургии), а также в средах с повышенной кислотностью. Тантал также является основным компонентом компьютерных, телефонных и конденсаторных цепей.

Рений

Известен своей высокой прочностью на разрыв и пластичностью. Он широко используется в ядерных реакторах, гироскопах и других электрических компонентах. Из-за своей редкости рений очень дорог. Понятие коррозионной стойкости особенно актуально именно для рения, потому что он очень летуч. Может терять устойчивость к воздействию кислорода при высоких температурах, поскольку оксидный слой активно испаряется.

Хром обладает высокой коррозионной стойкостью. После полировки он приобретает очень блестящую поверхность, которая используется для покрытия других свлавовов, чтобы сформировать защитную и – одновременно — привлекательную отделку. Используется в производстве металлокерамики, красок/красителей, нержавеющих сплавов, форм для обжига кирпича, в качестве катализатора при крашении и дублении кожи, а также в металлургии специальных сталей.

2.2.4. Тугоплавкие металлы

К тугоплавким относятся металлы с температурой плавления выше 1700 ° С: вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром, цирконий, рений. Чаще всего их получают методами порошковой металлургии с использованием электровакуумных технологий выплавки и очистки.

Применение тугоплавких металлов:

• изделия электровакуумной техники;

• испарители в установках термического осаждения для получения тонких высокопроводящих и резистивных пленок;

• термопары для измерения высоких температур.

Все тугоплавкие металлы при нагревании на воздухе до температур выше 600 ° С интенсивно окисляются с образованием летучих оксидов. Поэтому в качестве нагревательных элементов они работают в вакууме или в защитной инертной среде, например в аргоне. Тугоплавкие металлы имеют ничтожно малое давление насыщенных паров — важное качество для материала испарителя при получении тонких пленок.

Вольфрам (W) — наиболее тугоплавкий из всех металлов (Т пл = 3400 ° С), имеет высокую твердость, хорошую проводимость

Вольфрам — один из важнейших материалов электровакуумной техники. Благодаря волокнистой структуре, приобретаемой в результате обработки ковкой и волочением, тонкая вольфрамовая проволока диаметром до 0,01мм обладает высокой гибкостью. Вольфрам — основной материал для изготовления нитей ламп накаливания. Однако проволока и спирали из чистого вольфрама при высоких температурах становятся хрупкими вследствие процессов рекристаллизации, сопровождающихся интенсивным ростом зерна до размеров поперечного сечения проволоки. Для улучшения свойств чистого вольфрама в него вводят различные присадки. Оксид тория Th 2 O 3 замедляет процесс рекристаллизации и препятствует росту зерна, добавки оксидов кремния SiO 2 и алюминия Al 2 O 3 улучшают формоустойчивость вольфрамовой проволоки. В элек-

тровакуумном производстве применяют вольфрам марок ВА (с кремне-алюминиевой присадкой) и ВТ (с присадкой оксида тория).

Из вольфрама изготовляют катоды высокого напряжения мощных генераторных ламп, рентгеновских трубок с рабочей температурой 2200…2800 К. Вольфрамовые катоды обладают стабильной эмиссией электронов и способностью работать в высоком вакууме. Катоды из торированного вольфрама ВТ имеют более высокие эмиссионные свойства.

Вольфрам обладает наименьшим температурным коэффициентом линейного расширения среди всех чистых металлов (α l =

= 4,4 10 -6 К -1 ). Это свойство используется для изготовления термически стойких спаев вольфрама с тугоплавкими стеклами.

Вольфрам и его сплавы с молибденом, иридием, рением используют также для нагревательных элементов, работающих при температурах выше 1200 ° С, и для высокотемпературных термопар. Благодаря высокой твердости, дугостойкости, электроэрозионной стойкости и низкой свариваемости вольфрам широко используется в высоконагруженных разрывных контактах.

Молибден (Mo) — аналог вольфрама, но несколько менее тугоплавкий ( Т пл = 2620 ° С) и менее твердый. Отожженный молибден с мелкозернистой структурой значительно пластичнее вольфрама, он широко используется для различных деталей сложной конфигурации. Среди всех тугоплавких металлов молибден обладает наименьшим удельным сопротивлением ( ρ = 0,05 мкОм·м).

Молибден используется для нагревательных элементов в высокотемпературных (до 1700 ° С) электрических печах, работающих в защитной атмосфере. Из молибдена изготовляют сетки и электроды электронных ламп и другие вспомогательные детали электровакуумных приборов (крючки, нити, подвески), работающие в напряженном тепловом режиме.

Большое практическое значение имеют сплавы вольфрама с молибденом , которые образуют структуру твердого раствора во всем диапазоне концентраций. Сплавы, содержащие 45%Мо, обладают максимальным удельным сопротивлением и твердостью, высокой эрозионной стойкостью. Их применяют для высоконагруженных контактов в защитной среде. W-Mo-сплавы используют также

для нитей накаливания электроламп и катодов подогрева, так как они имеют более высокие механические свойства, чем чистый вольфрам, хотя и более низкие допустимые рабочие температуры.

Рений (Re) — редкий и тяжелый металл с температурой плавления, близкой к температуре плавления вольфрама ( Т пл = 3180 ° С). Рений твердый и прочный, как вольфрам, и пластичный, как молибден, имеет высокое удельное сопротивление ( ρ = 0,214 мкОм·м), стоек к дуге постоянного тока. Рений часто применяют в сплавах для высоконагруженных разрывных контактов, например, сплавы W+15. 20%Re отличаются повышенной износостойкостью.

Рений и его сплавы с вольфрамом применяют в производстве электровакуумных приборов взамен вольфрама, так как он меньше испаряется в атмосфере водорода, отличается более длительным сроком службы. Re- и W-Re-сплавы используются для термопар до 2500…2800 ° С в защитной среде.

В радиоэлектронике рений применяют для защиты от коррозии

и износа деталей из меди, вольфрама и молибдена. Тонкие пленки рения используются для прецизионных резисторов в интегральных схемах.

Тантал (Та) по тугоплавкости несколько уступает вольфраму ( Т пл = 3000 ° С), но значительно превосходит его по пластичности, что позволяет изготовлять фасонные детали, проволоку и фольгу толщиной до 10 мкм. Тантал образует на поверхности плотную оксидную пленку Та 2 О 5 , устойчивую до температуры 1500 ° С. Это свойство используется при производстве электролитических и тонкопленочных конденсаторов высокой удельной емкости, получаемых путем анодного оксидирования.

Тантал широко используется в электровакуумной технике для ответственных деталей: анодов и сеток генераторных ламп, катодов накаливания. Благодаря своей способности поглощать газы в диапазоне температур 600…1200 ° С, тантал применяют в вакуумной аппаратуре в качестве стабилизатора высокого вакуума (геттера). Тантал используется также в тонкопленочных технологиях при производстве резисторов. На воздухе происходит активное растворение азота в танталовой пленке с образованием нитридной пленки Та 2 N, обладающей высокой стабильностью свойств.

Ниобий (Nb) — металл, близкий по свойствам к танталу, но более легкоплавкий ( Т пл = 2500 ° С), обладает высокой газопоглощающей способностью в температурном интервале 400…900 ° С. Поэтому в электровакуумных приборах детали из ниобия одновременно выполняют функции геттера. У ниобия среди всех тугоплавких металлов наименьшая работа выхода электронов, его применяют в качестве катодов накаливания в мощных генераторных лампах. Среди всех химических элементов ниобий обладает самой высокой критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние ( Т св = = 9,2 К). Поэтому ниобий, как и тантал ( Т св = 4,5 К), применяют в криогенной технике.

Хром (Cr) обладает сравнительно невысокой температурой плавления ( Т пл = 1900 ° С) по сравнению с другими тугоплавкими металлами, но в противоположность остальным металлам этой группы является весьма распространенным в земной коре. Его отличительная особенность — высокая стойкость к окислению, поэтому хром используется для защитных покрытий изделий (хромирование), в том числе эксплуатируемых при повышенных температурах.

Хром обладает хорошей адгезионной способностью к стеклу, керамике, ситаллам и хорошо совместим с другими проводящими материалами. Поэтому технология осаждения тонких пленок хрома на подложку широко используется в микроэлектронике при изготовлении резисторов, адгезионных подслоев для контактных площадок

и токопроводящих соединений.

2.2.5. Сверхпроводящие металлы и сплавы

Сверхпроводимость — это состояние вещества, характеризуемое отсутствием электрического сопротивления. Сверхпроводимость наблюдается у ряда металлов и сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю. Температура перехода в сверхпрово-

дящее состояние называется критической температурой сверхпроводимости — Т св .

При температуре ниже Т св электрический ток, наведенный в сверхпроводящем контуре, будет циркулировать бесконечно долго, не убывая, при условии поддержания низкой температуры. Удель-

ное сопротивление материала в сверхпроводящем состоянии составляет порядка 10 -25 Ом·м, что в 10 17 раз меньше, чем у меди.

Физическая природа сверхпроводимости. Впервые явление сверхпроводимости было обнаружено у ртути ( Т св = 4,2 К) голландским физиком Камерлинком-Онессом в 1911 г. Современная теория сверхпроводимости, основанная на квантовых представлениях, была предложена в 1957 г. американскими учеными Бардиным, Купером и Шриффером. Значительный вклад в развитие теории сверхпроводимости внесли работы советского академика Н.Н.Боголюбова.

Читайте также  Можно ли сверлом по бетону сверлить металл

В металле свободные электроны, движущиеся в среде положительно заряженных ионов, взаимодействуют с тепловыми колебаниями решетки, обмениваясь с ней квантами тепловой энергии — фононами, при этом электроны могут поглощать или отдавать энергию, т.е. изменять свой импульс. Обмен фононами между электронами при участии решетки происходит непрерывно. В результате обменного фононного взаимодействия пара электронов с разными импульсами и антипараллельными спинами испытывают взаимное притяжение и образуют так называемую куперовскую пару .

Рассмотрим упрощенную схему (рис. 9). Электрон 1, движущийся между ионами, притягивает ближайшие ионы, создавая по траектории движения локальную зону повышенной плотности положительного заряда. Электрон 2, движущийся вслед за первым, притягивается этой зоной. В результате, косвенным образом, через решетку, между электронами возникают силы притяжения. Силы притяжения невелики, парные образования слабо локализованы в пространстве, они постоянно распадаются и создаются, образуя электронный конденсат.

При низких температурах ( Т св ) энергия тепловых колебаний решетки чрезвычайно мала и спаренные электроны не рассеиваются на дефектах структуры. Особенность куперовских пар — их импульсная упорядоченность. Электронные волны, описывающие движение пар, имеют одинаковую длину и фазу. Фактически движение всех электронных пар можно рассматривать как распространение одной электронной волны, которая не рассеивается решеткой, «обтекает» дефекты структуры.

Рис. 9. Схема образования электронных пар в сверхпроводнике

При температуре абсолютного нуля все электроны, расположенные вблизи уровня Ферми, связаны в пары. При повышении температуры часть электронных пар распадается. Неспаренные электроны переходят с основных уровней на возбужденные, и их движение затрудняется рассеянием на дефектах структуры. При температуре Т св происходит полный разрыв всех куперовских пар, и состояние сверхпроводимости исчезает.

Сверхпроводники обладают специфическими магнитными свойствами. Поскольку электроны с противоположно направленными спинами связаны в пары, результирующий спиновый момент пары равен нулю, и сверхпроводник становится идеальным диамагнетиком. Как всякие диамагнетики, сверхпроводники выталкиваются из магнитного поля. Внешнее магнитное поле совершенно не проникает в толщину образца, затухая в тончайшем поверхностном слое (10 -7 …10 -8 м). Эффект выталкивания выражен столь сильно, что с помощью магнитного поля можно удерживать постоянный магнит над кольцом из сверхпроводящего материала. Однако состояние сверхпроводимости может быть разрушено, если напряженность магнитного поля превысит некоторое критическое значение Н св .

В настоящее время известно более 30 металлов, обладающих сверхпроводимостью при криогенных температурах, и более 1000

сверхпроводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. Параметры некоторых сверхпроводниковых материалов представлены в табл. 5.

Какова температура плавления металлов — таблицы

Металлы и сплавы — это незаменимая основа для литейного и ювелирного производства, ковки и многих других сфер. Что бы ни делал человек из металла (какой бы это ни был процесс), для правильной работы ему нужно знать, при какой температуре плавится тот или иной металл. Мы подробно рассмотрим процесс плавления, его отличие от кипения, а также сравним температуры в таблицах.

  1. Таблица температур плавления
  2. Что такое температура плавления
  3. При какой температуре плавится
  4. Плавление железа
  5. Плавление чугуна
  6. Плавление стали
  7. Плавление алюминия и меди
  8. От чего зависит температура плавления
  9. У какого металла самая высокая температура плавления

Таблица температур плавления

Узнать какая нужна температура для плавления металлов, поможет таблица по возрастанию температурных показателей.

Элемент или соединение Необходимый температурный режим
Литий +18°С
Калий +63,6°С
Индий +156,6°С
Олово +232°С
Таллий +304°С
Кадмий +321°С
Свинец +327°С
Цинк +420°С

Таблица плавления среднеплавких металлов и сплавов.

Элемент либо сплав Температурный режим
Магний +650°С
Алюминий +660°С
Барий +727°С
Серебро +960°С
Золото +1063°С
Марганец +1246°С
Медь +1083°С
Никель +1455°С
Кобальт +1495°С
Железо +1539°С
Дюрали +650°С
Латуни +950…1050°С
Чугун +1100…1300°С
Углеродистые стали +1300…1500°С
Нихром +1400°С

Таблица плавления тугоплавких металлов и сплавов.

Наименование элемента Температурный режим
Титан +1680°С
Платина +1769,3°С
Хром +1907°С
Цирконий +1855°С
Ванадий +1910°С
Иридий +2447°С
Молибден +2623°С
Тантал +3017°С
Вольфрам +3420°С

Что такое температура плавления

Каждый металл имеет неповторимые свойства, и в этот список входит температура плавления. При плавке металл уходит из одного состояния в другое, а именно из твёрдого превращается в жидкое. Чтобы сплавить металл, нужно приблизить к нему тепло и нагреть до необходимой температуры – этот процесс и называется температурой плавления. В момент, когда температура доходит до нужной отметки, он ещё может пребывать в твёрдом состоянии. Если продолжать воздействие – металл или сплав начнет плавиться.

Плавление и кипение – это не одно и то же. Точкой перехода вещества из твердого состояния в жидкое, зачастую называют температуру плавления металла. В расплавленном состоянии у молекул нет определенного расположения, но притяжение сдерживает их рядом, в жидком виде кристаллическое тело оставляет объем, но форма теряется.

При кипении объем теряется, молекулы между собой очень слабо взаимодействуют, движутся хаотично в разных направлениях, совершают отрыв от поверхности. Температура кипения – это процесс, при котором давление металлического пара приравнивается к давлению внешней среды.

Для того, чтобы упростить разницу между критическими точками нагрева мы подготовили для вас простую таблицу:

Свойство Температура плавки Температура кипения
Физическое состояние Сплав переходит в расплав, разрушается кристаллическая структура, проходит зернистость Переходит в состояние газа, некоторые молекулы могут улетать за пределы расплава
Фазовый переход Равновесие между твердым состоянием и жидким Равновесие давления между парами металла и воздухом
Влияние внешнего давления Нет изменений Изменения есть, температура уменьшается при разряжении

При какой температуре плавится

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

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

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

Плавление железа

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

Без примесей чистый материал можно получить при электролизе солей металла.

Плавление чугуна

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

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

Плавление стали

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

Плавление алюминия и меди

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

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

От чего зависит температура плавления

Для разных веществ температура, при которой полностью перестраивается структура до жидкого состояния – разная. Если взять во внимание металлы и сплавы, то стоит подметить такие моменты:

  1. В чистом виде не часто можно встретить металлы. Температура напрямую зависит от его состава. В качестве примера укажем олово, к которому могут добавлять другие вещества (например, серебро). Примеси позволяют делать материал более либо менее устойчивым к нагреву.
  2. Бывают сплавы, которые благодаря своему химическому составу могут переходить в жидкое состояние при температуре свыше ста пятидесяти градусов. Также бывают сплавы, которые могут «держаться» при нагреве до трех тысяч градусов и выше. С учетом того, что при изменении кристаллической решетки меняются физические и механические качества, а условия эксплуатации могут определяться температурой нагрева. Стоит отметить, что точка плавления металла — важное свойство вещества. Пример этому – авиационное оборудование.

Термообработка, в большинстве случаев, почти не изменяет устойчивость к нагреву. Единственно верным способом увеличения устойчивости к нагреванию можно назвать внесение изменений в химический состав, для этого и проводят легирование стали.

У какого металла самая высокая температура плавления

Твердый, тугоплавкий, достаточно тяжелый материал светло-серого цвета, который имеет металлический блеск. Механической обработке поддается с трудом. При комнатной температуре достаточно хрупок и ломается. Ломкость металла связана с загрязнением примесями углерода и кислорода.

Примечание! Технически, чистый металл при температуре выше четырехсот градусов по Цельсию становится очень пластичным. Демонстрирует химическую инертность, неохотно вступает в реакции с другими элементами. В природе встречается в виде таких сложных минералов, как: гюбнерит, шеелит, ферберит и вольфрамит.

Вольфрам можно получить из руды, благодаря сложным химическим переработкам, в качестве порошка. Используя прессование и спекание, из него создают детали обычной формы и бруски.

Вольфрам — крайне стойкий элемент к любым температурным воздействиям. По этой причине размягчить вольфрам не могли более сотни лет. Не существовало такой печи, которая смогла бы нагреться до нескольких тысяч градусов по Цельсию. Ученым удалось доказать, что это самый тугоплавкий металл. Хотя бытует мнение, что сиборгий, по некоторым теоретическим данным, имеет большую тугоплавкость, но это лишь предположение, поскольку он является радиоактивным элементом и у него небольшой срок существования.

Применение тугоплавких металлов в металлургии и промышленности

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

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

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

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

Физические свойства металлов

Характеристика металлов по физическим свойствам может быть выражена в виде четырех основных пунктов.

  1. Металлический блеск – все имеют примерно одинаковый серебристо-белый красивый характерный блеск, кроме меди и золота. Они имеют красноватый и желтый отлив соответственно. Кальций – серебристо-голубой.
  2. Агрегатное состояние – все твердые при обычных условиях, кроме ртути, которая находится в виде жидкости.
  3. Электро- и теплопроводность – характерна для всех металлов, однако выражена в разной степени.
  4. Ковкость и пластичность – также общий для всех металлов параметр, который способен варьироваться в зависимости от конкретного представителя.
  5. Температура плавления и кипения – определяет, какой металл тугоплавкий, а какой легкоплавкий. Этот параметр разный для всех элементов.

Все физические свойства объясняются особым строением металлической кристаллической решетки. Ее пространственным расположением, формой и прочностью.

Молибден

Если выяснять, какой металл самый тугоплавкий, то, помимо обозначенного вольфрама, можно назвать и молибден. Его температура плавления составляет 2623 о С. При этом он достаточно твердый, пластичный и поддающийся обработке.

Используется он в основном не в чистом виде, а как составной компонент сплавов. Они, благодаря присутствию молибдена, значительно укрепляются в износостойкости, жаропрочности и антикоррозийности.

Некоторые соединения молибдена используют как технические смазки. Также этот металл является легирующим материалом, одновременно влияющим и на прочность, и на антикоррозийность, что встречается очень редко.

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 кон, 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 , 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.

Рений и сплавы на его основе

Какой металл самый тугоплавкий после вольфрама? Это рений. Его показатель плавкости составляет 3186 о С. По прочности превосходит и вольфрам, и молибден. Пластичность его не слишком высока. Спрос на рений очень велик, а вот добыча составляет сложности. Вследствие этого он является самым дорогим металлом из существующих на сегодняшний день.

Применяется для изготовления:

  • реактивных двигателей;
  • термопар;
  • нитей накаливания для спектрометров и прочих устройств;
  • как катализатор при нефтепереработке.

Все области применения дорогостоящие, поэтому он используется только в случае крайней необходимости, когда заменить чем-либо другим возможности нет.

Тантал

Металл, в свободном виде и при обычных условиях покрытый оксидной пленкой. Обладает набором физических свойств, которые позволяют ему быть широко распространенным и очень важным для человека. Его основные характеристики следующие:

  1. При температуре свыше 1000 о С становится сверхпроводником.
  2. Это наиболее тугоплавкий металл после вольфрама и рения. Температура плавления составляет 3017 о С.
  3. Прекрасно поглощает газы.
  4. С ним легко работать, так как он прокатывается в пласты, фольгу и проволоку без особого труда.
  5. Обладает хорошей твердостью и не хрупкий, сохраняет пластичность.
  6. Очень устойчив к воздействию химических агентов (не растворяется даже в царской водке).

Благодаря таким характеристикам сумел завоевать популярность как основа для многих жаропрочных и кислотоустойчивых, антикоррозионных сплавов. Его многочисленные соединения находят применение в ядерной физике, электронике, приборах вычислительного плана. Используются как сверхпроводники. Раньше тантал использовался как элемент в лампах накаливания. Сейчас его место занял вольфрам.

Хром и его сплавы

Один из самых твердых металлов, в естественном виде голубовато-белой окраски. Его температура плавления ниже, чем у рассмотренных до сих пор элементов, и составляет 1907 о С. Однако он все равно используется в технике и промышленности повсеместно, так как хорошо поддается механическим воздействиям, обрабатывается и формуется.

Особенно ценен хром в качестве напылителя. Его наносят на изделия для придания им красивого блеска, защиты от коррозии и повышения износостойкости. Процесс называется хромированием.

Сплавы хрома очень популярны. Ведь даже небольшое количество этого металла в сплаве значительно увеличивает твердость и устойчивость последнего к воздействиям.

Цирконий

Один из самых дорогих металлов, поэтому применение его в технических целях затруднено. Однако физические характеристики делают его просто незаменимым во многих других отраслях.

При обычных условиях это красивый серебристо-белый металл. Обладает достаточно высокой температурой плавления – 1855 о С. Имеет хорошую твердость, устойчивость к коррозии, так как химически не активен. Также отличается великолепной биологической совместимостью с кожей человека и всего организма в целом. Это делает его ценным металлом для использования в медицине (инструменты, протезы и так далее).

Основные области применения циркония и его соединений, в том числе сплавов, следующие:

Из циркония и сплавов на его основе изготавливаются даже украшения, способные влиять на улучшение состояния здоровья человека.