Тугоплавкие металлы | это... Что такое Тугоплавкие металлы? (original) (raw)

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.

Содержание

• 1 Определение
• 2 Свойства
  • 2.1 Физические свойства
  • 2.2 Химические свойства
• 3 Применение
  • 3.1 Вольфрам и его сплавы
  • 3.2 Сплавы молибдена
  • 3.3 Сплавы ниобия
  • 3.4 Тантал
  • 3.5 Сплавы рения
• 4 Общие свойства тугоплавких металлов
• 5 См. также
• 6 Примечания
• 7 Литература

Определение

Большинство определений термина тугоплавкие металлы определяют их как металлы имеющие высокие температуры плавления. По этому определению, необходимо, что бы металлы имели температуру плавления выше 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 еще и элементы имеющие температуру плавления 2123K (1850 °C) — титан, ванадий, хром, цирконий, гафний, рутений и осмий. Трансурановые элементы (все изотопы которых нестабильны и на земле их найти очень трудно) никогда не будут относиться к тугоплавким металлам[4].

Свойства

Физические свойства

Свойства четвертой группы элементов

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

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

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

Вольфрам был найден в 1781 году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов — 3422 °C.

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 выше 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

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

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

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

Основная статья: Рений

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

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 3073K.

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 1350K до 1900K). Как было указано выше, они не должны контактировать с кислородом.

См. также

• Огнеупорные материалы
• Тугоплавкие сплавы

Примечания

1. ↑ H. Ortner International Journal of Refractory Metals and Hard Materials (англ.). Elsevier. Архивировано из первоисточника 20 июня 2012. Проверено 26 сентября 2010.
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. Архивировано из первоисточника 20 июня 2012. Проверено 26 сентября 2010.
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

Литература

• 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

Периодическая таблица
Дмитрий Иванович Менделеев · Периодический закон · Группы элементов
Форматы	Короткая · По блокам · Расширенная · Увеличенная · Электронные конфигурации · Электроотрицательность · Альтернативная · Изотопы элементов
Списки элементов по	Названию · Этимологии (в честь мест, в честь открывателей) · Времени открытия Степени окисления · Распространённости (в человеке) · Стабильности изотопов · Твёрдости
Группы	1 · 2 · 3 · 4 · 5 · 6 · 7 · 8 · 9 · 10 · 11 · 12 · 13 · 14 · 15 · 16 · 17 · 18
Периоды	1 · 2 · 3 · 4 · 5 · 6 · 7 · 8
Семействахимических элементов	Металлы · Переходные металлы · Неметаллы · Лантаноиды · Актиноиды · Редкоземельные элементы · Суперактиноиды Периоды · Лёгкие металлы · Полуметаллы · Постпереходные металлы · Металлы платиновой группы
Блок периодической таблицы	s-элементы · p-элементы · d-элементы · f-элементы · g-элементы
Другое	Лантаноидное сжатие · Актиноидное сжатие · Предсказанные элементы · Тугоплавкие металлы · Благородные металлы · Монетные металлы · Символы химических элементов (список)
Периодическая таблица (англ.) · Категория:Периодическая система · Портал:Химия · {{Периодическая система элементов}}