Тугоплавкие металлы

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
H   He
Li Be   B C N O F Ne
Na Mg   Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc   Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y   Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba La * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra Ac ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg
  * Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
  ** Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Тугоплавкие металлы Расширенная группа тугоплавких металлов[1]

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 периодатантал, 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.

Определение[править | править вики-текст]

Большинство определений термина тугоплавкие металлы определяют их как металлы имеющие высокие температуры плавления. По этому определению, необходимо, что бы металлы имели температуру плавления выше 4,000 °F (2,200 °C). Это необходимо для их определения как тугоплавких металлов[2]. Пять элементов — ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений входят в этот список как основные[3], 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[4].

Свойства[править | править вики-текст]

Физические свойства[править | править вики-текст]

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

Температура плавления этих элементов самая высокая, исключая углерод и осмий. Данное свойство зависит не только от их свойств, но и от свойств их сплавов. Металлы имеют кубическую сингонию, исключая рений, у которого она принимает вид гексагональной плотнейшей упаковки. Большинство физических свойств элементов в этой группе существенно различается, потому что они являются членами различных групп[5][6].

Сопротивление к деформации ползучести (англ.) является определяющим свойством тугоплавких металлов. У обычных металлов деформация начинается с температуры плавления металла, а отсюда деформация ползучести в алюминиевых сплавах начинается от 200 °C, в то время как у тугоплавких металлов она начинается от 1500 °C. Это сопротивление к деформации и высокая температура плавления позволяет тугоплавким металлам быть использованными, например, в качестве деталей реактивных двигателей или при ковке различных материалов[7][8].

Химические свойства[править | править вики-текст]

На открытом воздухе подвергаются окислению. Эта реакция замедляется в связи с формированием пассивированного слоя. Оксид рения является очень неустойчивым, потому что при пропускании плотного потока кислорода его оксидная плёнка испаряется. Все они относительно устойчивы к воздействию кислот.[5]

Применение[править | править вики-текст]

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.

Вольфрам и его сплавы[править | править вики-текст]

Вольфрам был найден в 1781 г. Шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов — 3422 °C (6170 °F)

Вольфрам.

Рений используется в сплавах с вольфрамом в концентрации до 22 %, что позволяет повысить тугоплавкость и устойчивость к коррозии. Торий применяется в качестве легирующего компонента вольфрама. Благодаря этому повышается износостойкость материалов. В порошковой металлургии компоненты могут быть использованы для спекания и последующего применения. Для получения тяжёлых сплавов вольфрама применяются никель и железо или никель и медь. Содержание вольфрама в данных сплавах как правило не превышает 90 %. Смешивание легирующего материала с ним низкое даже при спекании[9].

Вольфрам и его сплавы по-прежнему используются там, где присутствуют высокие температуры, но нужна однако высокая твёрдость и где высокой плотностью можно пренебречь[10]. Нити накаливания, состоящие из вольфрама, находят свое применение в быту и в приборостроении. Лампы более эффективно преобразовывают электроэнергию в свет с повышением температуры[9]. В вольфрамовой газодуговой сварке (англ.) оборудование используется постоянно, без плавления электрода. Высокая температура плавления вольфрама позволяет ему быть использованным при сварке без затрат[11][12]. Высокая плотность и твёрдость позволяют вольфраму быть использованным в артиллерийских снарядах[13]. Его высокая температура плавления применяется при строении ракетных сопел, примером может служить ракета «Поларис»[14]. Иногда он находит свое применение благодаря своей плотности. Например, он находит свое применение в производстве клюшек для гольфа[15][16]. В таких деталях применение не ограничивается вольфрамом, так как более дорогой осмий тоже может быть использован.

Сплавы молибдена[править | править вики-текст]

Молибден.

Широкое применение находят сплавы молибдена. Наиболее часто используемый сплав — титан-цирконий-молибден — содержит в себе 0,5 % титана, 0,08 % циркония и остальное молибден. Сплав обладает повышенной прочностью при высоких температурах. Рабочая температура для сплава — 1060 °C. Высокое сопротивление сплава вольфрам-молибден (Mo 70 %, W 30 %) делает его идеальным материалом для отливки деталей из цинка, например, клапанов[17].

Молибден используется в ртутных герконовых реле, так как ртуть не формирует амальгамы с молибденом[18][19].

Молибден является самым часто используемым тугоплавким металлом. Наиболее важным является его использование в качестве усилителя сплавов стали. Применяется при изготовлении трубопроводов вместе с нержавеющей сталью. Высокая температура плавления молибдена, его сопротивляемость к износу и низкий коэффициент трения делают его очень полезным материалом для легирования. Его прекрасные показатели трения приводят его к использованию в качестве смазки где требуется надежность и производительность. Применяется при производстве ШРУСов в автомобилестроении. Большие месторождения молибдена находятся в Китае, США, Чили и Канаде[20][21][22][23].

Сплавы ниобия[править | править вики-текст]

Ниобий.
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 путем 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 свое применение при создании сопел в жидкостных ракетных двигателях, например таких как Apollo CSM (англ.)[24]. Применявшийся сплав не позволяет ниобию окисляться, так как реакция происходит при температуре от 400 °C[24].

Тантал[править | править вики-текст]

Тантал.

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[править | править вики-текст]

Рений.

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[25].

Общие свойства тугоплавких металлов[править | править вики-текст]

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 это 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.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. H. Ortner. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials (англ.). Elsevier. Проверено 26 сентября 2010. Архивировано из первоисточника 20 июня 2012.
  2. Michael Bauccio Refractory metals // ASM metals reference book / American Society for Metals. — ASM International, 1993. — С. 120—122. — ISBN 19939780871704788
  3. Wilson, J. W General Behaviour of Refractory Metals // Behavior and Properties of Refractory Metals. — Stanford University Press, 1965. — С. 1—28. — 419 с. — ISBN 9780804701624
  4. Joseph R. Davis Alloying: understanding the basics. — ASM International, 2001. — С. 308—333. — 647 с. — ISBN 9780871707444
  5. 1 2 Borisenko, V. A. Investigation of the temperature dependence of the hardness of molybdenum in the range of 20-2500 °C // Журнал Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics. — 1963. — С. 182. — DOI:10.1007/BF00775076
  6. Fathi, Habashi Historical Introduction to Refractory Metals // Журнал Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. — 2001. — С. 25—53. — DOI:10.1080/08827509808962488
  7. Schmid, Kalpakjian Creep // Manufacturing engineering and technology. — Pearson Prentice Hall, 2006. — С. 86—93. — 1326 с. — ISBN 9787302125358
  8. Weroński, Andrzej; Hejwowski, Tadeusz Creep-Resisting Materials // Thermal fatigue of metals. — CRC Press, 1991. — С. 81—93. — 366 с. — ISBN 9780824777265
  9. 1 2 Erik Lassner, Wolf-Dieter Schubert Tungsten: properties, chemistry, technology of the element, alloys, and chemical compounds. — Springer, 1999. — С. 255—282. — 422 с. — ISBN 9780306450532
  10. National Research Council (U.S.), Panel on Tungsten, Committee on Technical Aspects of Critical and Strategic Material Trends in Usage of Tungsten: Report. — National Research Council, National Academy of Sciences-National Academy of Engineering, 1973. — С. 1—3. — 90 с.
  11. Michael K. Harris Welding Health and Safety // Welding health and safety: a field guide for OEHS professionals. — AIHA, 2002. — С. 28. — 222 с. — ISBN 9781931504287
  12. William L. Galvery, Frank M. Marlow Welding essentials: questions & answers. — Industrial Press Inc., 2001. — С. 185. — 469 с. — ISBN 9780831131517
  13. W. Lanz, W. Odermatt, G. Weihrauch (7—11 мая 2001). "KINETIC ENERGY PROJECTILES: DEVELOPMENT HISTORY, STATE OF THE ART, TRENDS" in 19th International Symposium of Ballistics.. 
  14. P. Ramakrishnan Powder metallurgyfor Aerospace Applications // Powder metallurgy: processing for automotive, electrical/electronic and engineering industry. — New Age International, 2007. — С. 38. — 381 с. — ISBN 8122420303
  15. Arora, Arran Tungsten Heavy Alloy For Defence Applications // Журнал Materials Technology. — 2004. — В. 19. — № 4. — С. 210—216.
  16. V. S. Moxson, F. H. Froes Fabricating sports equipment components via powder metallurgy // Журнал JOM. — 2001. — В. 53. — С. 39. — DOI:10.1007/s11837-001-0147-z
  17. Robert E. Smallwood TZM Moly Alloy // ASTM special technical publication 849: Refractory metals and their industrial applications: a symposium. — ASTM International, 1984. — С. 9. — 120 с. — ISBN 19849780803102033
  18. Kozbagarova, G. A.; Musina, A. S.; Mikhaleva, V. A. Corrosion Resistance of Molybdenum in Mercury // Журнал Protection of Metals. — 2003. — В. 39. — С. 374—376. — DOI:10.1023/A:1024903616630
  19. Gupta, C. K. Electric and Electronic Industry // Extractive Metallurgy of Molybdenum. — CRC Press, 1992. — С. 48—49. — 404 с. — ISBN 9780849347580
  20. Michael J. Magyar. Commodity Summary 2009:Molybdenum. United States Geological Survey. Проверено 26 сентября 2010. Архивировано из первоисточника 20 июня 2012.
  21. D.R. Ervin, D.L. Bourell, C. Persad, L. Rabenberg Structure and properties of high energy, high rate consolidated molybdenum alloy TZM // Журнал Materials Science and Engineering: A. — 1988. — В. 102. — С. 25.
  22. Neikov Oleg D. Properties of Molybdenum and Molybdenum Alloys powder // Handbook of Non-Ferrous Metal Powders: Technologies and Applications. — Elsevier, 2009. — С. 464—466. — 621 с. — ISBN 9781856174220
  23. Joseph R. Davis Refractory Metalls and Alloys // ASM specialty handbook: Heat-resistant materials. — ASM International, 1997. — С. 361—382. — 591 с. — ISBN 9780871705969
  24. 1 2 John Hebda Niobium alloys and high Temperature Applications // Журнал Niobium Science & Technology: Proceedings of the International Symposium Niobium 2001 (Orlando, Florida, USA). — Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração, 2001.
  25. J. W. Wilson Rhenium // Behavior and Properties of Refractory Metals. — Stanford University Press, 1965. — ISBN 9780804701624

Для дополнительного чтения[править | править вики-текст]

  • Levitin, Valim High Temperature Strain of Metals and Alloys: Physical Fundamentals. — WILEY-VCH, 2006. — ISBN 978-3-527-31338-9
  • Brunner, T. Chemical and structural analyses of aerosol and fly-ash particles from fixed-bed biomass combustion plants by electron microscopy, 1st World Conference on Biomass for Energy and Industry: proceedings of the conference held in Sevilla, Spain, 5–9 June 2000, London: James & James Ltd (2000). Проверено 26 сентября 2010.
  • Donald Spink Reactive Metals. Zirconium, Hafnium, and Titanium // Журнал Industrial & Engineering Chemistry. — 1961. — В. 53. — № 2. — С. 97—104. — DOI:10.1021/ie50614a019
  • Earl Hayes Chromium and Vanadium // Журнал Industrial & Engineering Chemistry. — 1961. — В. 53. — № 2. — С. 105—107. — DOI:10.1021/ie50614a020