Самый тугоплавкий металл на земле

Самый тугоплавкий металл на земле

Любознательных людей наверняка интересует вопрос, какой металл самый тугоплавкий? Прежде чем дать на него ответ, стоит разобраться с сами понятием тугоплавкости. Все известные науки металлы имеют разную температуру плавления в связи с различной степенью устойчивости связей между атомами в кристаллической решетке. Чем слабее эта связь, тем меньшая температура требуется, чтобы ее разорвать.

Самые тугоплавкие металлы в мире используются в чистом виде или в составе сплавов для производства деталей, которые работают в экстремальных термических условиях. Они позволяют эффективно противостоять высоким температурам и значительно продляют эксплуатационный период агрегатов. Но стойкость металлов данной группы к термическому воздействию заставляет металлургов прибегать к нестандартным методам их производства.

Какой металл самый тугоплавкий?

Самый тугоплавкий металл на Земле был открыт в 1781 году шведским ученым Карлом Вильгельмом Шееле. Новый материал получил название вольфрам. Шееле удалось синтезировать триокись вольфрама путем растворения руды в азотной кислоте. Чистый металл был выделен двумя годами позже испанскими химиками Фаусто Фермином и Хуаном Хосе де Элюар. Новый элемент не сразу получил признание и был взят на вооружение промышленниками. Дело в том, что технологии того времени не позволяли обрабатывать столь тугоплавкое вещество, поэтому большинство современников не придали особого значения научному открытию.

Вольфрам был оценен гораздо позже. На сегодняшний день его сплавы используются при производстве термостойких деталей для различных отраслей промышленности. Нить накаливания в газоразрядных бытовых лампах также изготавливается из вольфрама. Также он применяется в аэрокосмической промышленности для производства ракетных сопел, используется в качестве многоразовых электродов в газодуговой сварке. Кроме тугоплавкости вольфрам также обладает высокой плотностью, что позволяет использовать его для изготовления высококачественных клюшек для гольфа.

Соединения вольфрама с неметаллами также широко применяется в промышленности. Так сульфид используется в качестве термостойкой смазки, способной переносить температуры до 500 градусов по Цельсию, карбид служит для изготовления резцов, абразивных дисков и сверл, способных обрабатывать самые твердые вещества и переносить высокие температуры нагрева. Рассмотрим, наконец, промышленное получение вольфрама. Самый тугоплавкий металл имеет температуру плавления 3422 градуса по Цельсию.

Как получают вольфрам?

В природе чистый вольфрам не встречается. Он входит в состав горных пород в виде триоксида, а также вольфрамитов железа, марганца и кальция, реже меди или свинца. По оценкам ученых содержание вольфрама в земной коре в среднем составляет 1,3 грамма на одну тонну. Это достаточно редкий элемент по сравнению с другими видами металлов. Содержание вольфрама в руде после добычи обычно не превышает 2%. Поэтому добытое сырье отправляется на обогатительные фабрики, где методом магнитной или электростатической сепарации массовая доля металла доводится до отметки 55-60%.

Процесс его получения разделяется на технологические этапы. На первом этапе выделяют чистый триоксид из добытой руды. Для этого используют метод термического разложения. При температурах от 500 до 800 градусов по Цельсию все лишние элементы расплавляются, а тугоплавкий вольфрам в виде оксида легко можно собрать из расплава. На выходе получается сырье с содержанием оксида шестивалентного вольфрама на уровне 99%.

Полученное соединение тщательно измельчают и проводят восстановительную реакцию в присутствии водорода при температуре 700 градусов по Цельсию. Это позволяет выделить чистый металл в виде порошка. Далее его спрессовывают под высоким давлением и спекают в водородной среде при температурах 1200-1300 градусов по Цельсию. После этого полученная масса отправляется в электрическую плавильную печь, где под воздействием тока нагревается до температуры свыше 3000 градусов. Так вольфрам переходит в расплавленное состояние.

Для окончательной очистки от примесей и получения монокристаллической структурной решетки используется метод зонной плавки. Он подразумевает, что в определенный момент времени расплавленной находится только некоторая зона из общей площади металла. Постепенно двигаясь, эта зона перераспределяет примеси, в результате чего в конечном итоге они скапливаются в одном месте и их легко можно удалить из структуры сплава.

Готовый вольфрам поступает на склад в виде штабиков или слитков, предназначенных для последующего производства нужной продукции. Для получения сплавов вольфрама все составные элементы измельчают и смешивают в виде порошка в необходимых пропорциях. Далее производится спекание и плавка в электрической печи.

Наиболее тугоплавкий металл. Характеристика металлов олимпас-нк.рф

Металлы — это самый распространенный материал (наряду с пластмассами и стеклом), который применяется людьми с древних времен. Уже тогда человеку была известна характеристика металлов, он с выгодой использовал все их свойства для создания прекрасных произведений искусства, посуды, предметов быта, сооружений.

Кстати рекомендую точный анализатор металлов и сплавов купить от компании олимпас-нк.рф по самым выгодным ценам.

Одной из главных черт при рассмотрении этих веществ является их твердость и тугоплавкость. Именно эти качества позволяют определять область использования того или иного металла. Поэтому рассмотрим все физические свойства и особое внимание уделим вопросам плавкости.

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.

Легкоплавкие и тугоплавкие металлы

Данный параметр является очень важным, когда речь заходит об областях применения рассматриваемых веществ. Тугоплавкие металлы и сплавы — это основа машино- и кораблестроения, выплавки и литья многих важный изделий, получения качественного рабочего инструмента. Поэтому знание температур плавления и кипения играет основополагающую роль.

Характеризуя металлы по прочности, можно разделить их на твердые и хрупкие. Если же говорить о тугоплавкости, то здесь выделяют две основные группы:

1. Легкоплавкие — это такие, которые способны менять агрегатное состояние при температурах ниже 1000 о С. Примерами могут служить: олово, свинец, ртуть, натрий, цезий, марганец, цинк, алюминий и другие.
2. Тугоплавкими считаются те, чья температура плавления выше обозначенной величины. Их не так много, а на практике применяется еще меньше.

Таблица металлов, имеющих температуру плавления свыше 1000 о С, представлена ниже. Именно в ней и располагаются самые тугоплавкие представители.

Название металла	Температура плавления, о С	Температура кипения, о С
Золото, Au	1064.18	2856
Бериллий, Ве	1287	2471
Кобальт, Со	1495	2927
Хром, Cr	1907	2671
Медь, Cu	1084,62	2562
Железо, Fe	1538	2861
Гафний, Hf	2233	4603
Иридий, Ir	2446	4428
Марганец, Mn	1246	2061
Молибден, Мо	2623	4639
Ниобий, Nb	2477	4744
Никель, Ni	1455	2913
Палладий, Pd	1554,9	2963
Платина, Pt	1768.4	3825
Рений, Re	3186	5596
Родий, Rh	1964	3695
Рутений, Ru	2334	4150
Тантал, Та	3017	5458
Технеций, Тс	2157	4265
Торий, Th	1750	4788
Титан, Ti	1668	3287
Ванадий, V	1910	3407
Вольфрам, W	3422	5555
Цирконий, Zr	1855	4409

Данная таблица металлов включает в себя всех представителей, чья температура плавления выше 1000 о С. Однако на практике многие из них не применяются по различным причинам. Например, из-за экономической выгоды или вследствие радиоактивности, слишком высокой степени хрупкости, подверженности коррозионному воздействию.

Также из данных таблицы очевидно, что самый тугоплавкий металл в мире — это вольфрам. Наименьший показатель у золота. При работе с металлами важное значение имеет мягкость. Поэтому многие из обозначенных выше также не используются в технических целях.

Наиболее тугоплавкий металл — вольфрам

В периодической системе располагается под порядковым номером 74. Название получил по фамилии известного физика Стивена Вольфрама. При обычных условиях представляет собой твердый тугоплавкий металл серебристо-белого цвета. Обладает ярко выраженным металлическим блеском. Химически практически инертен, в реакции вступает неохотно.

В природе содержится в виде минералов:

• вольфрамит;
• шеелит;
• гюбнерит;
• ферберит.

Учеными было доказано, что вольфрам — наиболее тугоплавкий металл из всех существующих. Однако существуют предположения о том, что сиборгий теоретически способен побить рекорд этого металла. Но он является радиоактивным элементом с очень коротким периодом существования. Поэтому доказать это пока невозможно.

При определенной температуре (свыше 1500 о С) вольфрам становится ковким и пластичным. Поэтому возможно изготовление тонкой проволоки на его основе. Это свойство используется для изготовления нитей накаливания в обычных бытовых электрических лампочках.

Как наиболее тугоплавкий металл, выдерживающий температуры больше 3400 о С, вольфрам применяется в следующих областях техники:

• как электрод при аргонной сварке;
• для получения кислотоустойчивых, износостойких и жаростойких сплавов;
• в качестве нагревательного элемента;
• в вакуумных трубках как нить накаливания и прочее.

Помимо металлического вольфрама, широко применяются в технике, науке и электронике его соединения. Как самый тугоплавкий металл в мире он и соединения формирует с очень высококачественными характеристиками: прочные, устойчивые практически ко всем видам химического воздействия, не подвергающиеся коррозии, выдерживающие низкие и высокие температуры (победит, сульфид вольфрама, его монокристаллы и другие вещества).

Ниобий и его сплавы

Nb, или ниобий, — при обычных условиях серебристо-белый блестящий металл. Он также является тугоплавким, поскольку температура перехода в жидкое состояние для него составляет 2477 о С. Именно это качество, а также сочетание низкой химической активности и сверхпроводимости позволяет ниобию становиться все более популярным в практической деятельности человека с каждым годом. Сегодня этот металл используется в таких отраслях, как:

• ракетостроение;
• авиационная и космическая промышленность;
• атомная энергетика;
• химическое аппаратостроение;
• радиотехника.

Этот металл сохраняет свои физические свойства даже при очень низких температурах. Изделия на его основе отличаются коррозионной устойчивостью, жаростойкостью, прочностью, отличной проводимостью.

Этот металл добавляют к алюминиевым материалам для повышения химической стойкости. Из него изготовляют катоды и аноды, им легируют цветные сплавы. Даже монеты в некоторых странах делают с содержанием ниобия.

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:

• ядерная энергетика;
• пиротехника;
• легирование металлов;
• медицина;
• изготовление биопосуды;
• конструкционный материал;
• как сверхпроводник.

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

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.

Ванадий

Серый металл с серебристым блеском. Обладает достаточно высоким показателем плавкости (1920 о С). Используется в основном как катализатор во многих процессах, благодаря своей инертности. Применяется в энергетике как химический источник тока, в производствах неорганических кислот. Основное значение имеет не чистый металл, а именно некоторые его соединения.

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.

Титановые сплавы

Титан — это очень легкий металл серебристо-белого цвета, который находит широкое применение в металлургической промышленности и металлообработке. Может взорваться при нахождении в мелкодисперсном состоянии, поэтому является пожароопасным.

Применяется в авиа- и ракетостроении, при производстве кораблей. Широко используется в медицине благодаря биологической совместимости с организмом (протезы, пирсинги, имплантаты и прочее).

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.

Содержание

Определение [ править | править вики-текст ]

Большинство определений термина тугоплавкие металлы определяют их как металлы имеющие высокие температуры плавления. По этому определению, необходимо, чтобы металлы имели температуру плавления выше 4,000 °F (2,200 °C). Это необходимо для их определения как тугоплавких металлов [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)

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 ]

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 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 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 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 их одним из главных недостатков этой группы. Контакт с воздухом может существенно повлиять на их высокотемпературные характеристики. Именно поэтому их используют в материалах, в которых они изолированы от кислорода (например лампочка).

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

Тугоплавкие металлы — Refractory metals

Тугоплавкие металлы — это класс металлов , которые чрезвычайно устойчивы к нагреванию и износу . Выражение чаще всего используется в контексте материаловедения , металлургии и инженерии . Определение того, какие элементы принадлежат к этой группе, различается. Наиболее распространенное определение включает пять элементов: два из пятого периода ( ниобий и молибден ) и три из шестого периода ( тантал , вольфрам и рений ). Все они обладают некоторыми общими свойствами, включая температуру плавления выше 2000 ° C и высокую твердость при комнатной температуре. Они химически инертны и имеют относительно высокую плотность. Их высокие температуры плавления делают порошковую металлургию предпочтительным методом изготовления компонентов из этих металлов. Некоторые из их применений включают инструменты для обработки металлов при высоких температурах, проволочные нити, литейные формы и сосуды для химических реакций в агрессивных средах. Отчасти из-за высокой температуры плавления тугоплавкие металлы устойчивы к деформации ползучести до очень высоких температур.

СОДЕРЖАНИЕ

Определение

В большинстве определений термина «тугоплавкие металлы» чрезвычайно высокая температура плавления указывается в качестве ключевого требования для включения. Согласно одному определению, температура плавления выше 4000 ° F (2200 ° C) необходима для квалификации. Пять элементов ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений включены во все определения, в то время как более широкое определение, включающее все элементы с температурой плавления выше 2123 К (1850 ° C), включает в себя девять дополнительных элементов: титан , ванадий , хром , цирконий , гафний , рутений , родий , осмий и иридий . Эти искусственные элементы , будучи радиоактивным, никогда не рассматривается как часть тугоплавких металлов, хотя технеций имеет температуру плавления 2430 К или 2157 ° С и резерфордия предсказана , чтобы иметь Температуру плавления 2400 K или 2100 ° C.

Характеристики

Физический

Свойства тугоплавких металлов

Имя	Ниобий	Молибден	Тантал	Вольфрам	Рений
Период	5	5	6	6	6
Точка плавления K	2750	2896	3290	3695	3459
Точка кипения K	5017	4912	5731	6203	5869
Температура плавления ° C	2477	2623	3017	3422	3186
Температура кипения ° C	4744	4639	5458	5930	5596
Плотность г · см −3	8,57	10,28	16,69	19,25	21.02
Модуль Юнга ГПа	105	329	186	411	463
Твердость по Виккерсу МПа	1320	1530	873	3430	2450

Тугоплавкие металлы имеют высокие температуры плавления, вольфрам и рений — самые высокие из всех элементов, а температуры плавления других металлов превышают только осмий и иридий , а также сублимацию углерода . Эти высокие температуры плавления определяют большинство их применений. Все металлы являются объемно-центрированными кубическими, за исключением рения, который имеет гексагональную плотную упаковку . Большинство физических свойств элементов этой группы значительно различаются, потому что они принадлежат к разным группам .

Сопротивление ползучести — ключевое свойство тугоплавких металлов. В металлах начало ползучести коррелирует с температурой плавления материала; ползучесть в алюминиевых сплавах начинается при 200 ° C, тогда как для тугоплавких металлов необходимы температуры выше 1500 ° C. Это сопротивление деформации при высоких температурах делает тугоплавкие металлы пригодными для противодействия сильным воздействиям при высокой температуре, например, в реактивных двигателях или инструментах, используемых во время ковки .

Химическая

Тугоплавкие металлы демонстрируют широкий спектр химических свойств, потому что они входят в три отдельные группы периодической таблицы . Они легко окисляются, но в массивном металле эта реакция замедляется за счет образования устойчивых оксидных слоев на поверхности ( пассивация ). В частности, оксид рения более летуч, чем металл, и поэтому при высокой температуре теряется стабилизация против воздействия кислорода, поскольку оксидный слой испаряется. Все они относительно устойчивы к кислотам.

Приложения

Тугоплавкие металлы используются в осветительных приборах , инструментах, смазках , стержнях управления ядерными реакциями , в качестве катализаторов и из-за их химических или электрических свойств. Из-за высокой температуры плавления компоненты из тугоплавких металлов никогда не производятся путем литья . Используется процесс порошковой металлургии. Порошки чистого металла уплотняются, нагреваются электрическим током, а затем изготавливаются методом холодной обработки с этапами отжига. Из тугоплавких металлов можно производить проволоку , слитки , арматуру , листы или фольгу .

Молибденовые сплавы

Сплавы на основе молибдена широко используются, потому что они дешевле, чем сплавы вольфрама более высокого качества. Наиболее широко используемый сплав молибдена является Т Itanium — Z irconium — М olybdenum сплав ПЗМ, состоящий из 0,5% титана и 0,08% циркония (с молибденом быть остальным). Сплав демонстрирует более высокое сопротивление ползучести и прочность при высоких температурах, что позволяет использовать материал при температурах выше 1060 ° C. Высокое сопротивление Mo-30W, сплава, состоящего из 70% молибдена и 30% вольфрама, против воздействия расплавленного цинка делает его идеальным материалом для литья цинка. Он также используется для изготовления клапанов для расплавленного цинка.

Молибден используется в герконовых реле , смачиваемых ртутью , поскольку молибден не образует амальгамы и поэтому устойчив к коррозии жидкой ртутью .

Молибден — наиболее часто используемый из тугоплавких металлов. Наиболее важным является использование в качестве укрепления сплава из стали . Конструкционные трубы и трубопроводы часто содержат молибден, как и многие нержавеющие стали . Его прочность при высоких температурах, устойчивость к износу и низкий коэффициент трения — все это свойства, которые делают его бесценным легирующим составом. Его превосходные антифрикционные свойства позволяют использовать его в консистентных смазках и маслах, где надежность и производительность имеют решающее значение. В автомобильных шарнирах равных угловых скоростей используется смазка, содержащая молибден. Состав легко прилипает к металлу и образует очень твердое, устойчивое к трению покрытие. Большая часть мировых запасов молибденовой руды находится в Китае, США , Чили и Канаде .

Вольфрам и его сплавы

Вольфрам был открыт в 1781 году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле . Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления из всех металлов — 3410 ° C (6170 ° F ).

До 22% рения легировано вольфрамом для повышения его жаропрочности и коррозионной стойкости. Торий в качестве легирующего соединения используется при возникновении электрической дуги. Зажигание происходит легче, а дуга горит более стабильно, чем без добавления тория. Для применения в порошковой металлургии в процессе спекания необходимо использовать связующие. Для производства тяжелого сплава вольфрама широко используются связующие смеси никеля и железа или никеля и меди . Содержание вольфрама в сплаве обычно превышает 90%. Диффузия связующих элементов в зерна вольфрама мала даже при температурах спекания, и поэтому внутренняя часть зерен представляет собой чистый вольфрам.

Вольфрам и его сплавы часто используются в приложениях, где присутствуют высокие температуры, но все же необходима высокая прочность, а высокая плотность не вызывает проблем. Нити из вольфрамовой проволоки обеспечивают подавляющее большинство домашних ламп накаливания , но также широко используются в промышленном освещении в качестве электродов в дуговых лампах. Лампы становятся более эффективными в преобразовании электрической энергии в свет при более высоких температурах, и поэтому высокая температура плавления имеет важное значение для применения в качестве нити накаливания. В оборудовании для дуговой сварки вольфрамовым электродом (GTAW, также известной как сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG)) используется постоянный неплавкий электрод . Высокая температура плавления и износостойкость против электрической дуги делают вольфрам подходящим материалом для изготовления электрода.

Высокая плотность и прочность вольфрама также являются ключевыми свойствами для его использования в боевых снарядах , например, в качестве альтернативы обедненному урану для танковых орудий. Его высокая температура плавления делает вольфрам хорошим материалом для таких применений, как сопла ракет , например, в UGM-27 Polaris . Некоторые применения вольфрама связаны не с его тугоплавкими свойствами, а просто с его плотностью. Например, он используется в балансирах самолетов и вертолетов или для голов клюшек для гольфа . В этих приложениях также могут использоваться аналогичные плотные материалы, такие как более дорогой осмий.

Чаще всего вольфрам используется в качестве составного карбида вольфрама в сверлах , обрабатывающих и режущих инструментах. Самые большие запасы вольфрама находятся в Китае , его месторождения — в Корее , Боливии , Австралии и других странах.

Он также используется в качестве смазки , антиоксиданта в форсунках и втулках, в качестве защитного покрытия и во многих других отношениях. Вольфрам можно найти в типографских красках, рентгеновских экранах, при обработке нефтепродуктов и огнестойкости текстильных изделий .

Ниобиевые сплавы

Ниобий почти всегда встречается вместе с танталом и был назван в честь Ниобы , дочери мифического греческого царя Тантала, в честь которого был назван тантал. Ниобий имеет множество применений, в некоторых из которых он разделяет другие тугоплавкие металлы. Он уникален тем, что его можно обрабатывать путем отжига для достижения широкого диапазона прочности и пластичности , и он является наименее плотным из тугоплавких металлов. Его также можно найти в электролитических конденсаторах и в наиболее практичных сверхпроводящих сплавах. Ниобий можно найти в авиационных газовых турбинах , электронных лампах и ядерных реакторах .

Для форсунок жидкостных ракетных двигателей, например, в главном двигателе лунных модулей Apollo, используется сплав C103, который состоит из 89% ниобия, 10% гафния и 1% титана. Другой сплав ниобия использовался для сопла сервисного модуля Apollo . Поскольку ниобий окисляется при температурах выше 400 ° C, для этих применений необходимо защитное покрытие, чтобы сплав не стал хрупким.

Тантал и его сплавы

Тантал — одно из самых устойчивых к коррозии веществ.

Благодаря этому свойству для тантала было найдено много важных применений, особенно в медицине и хирургии , а также в жестких кислых средах. Он также используется для изготовления высококачественных электролитических конденсаторов. Танталовые пленки обеспечивают второй наиболее емкости на единице объема любого вещества после аэрогеля , и позволяют миниатюризации из электронных компонентов и схем . Многие сотовые телефоны и компьютеры содержат танталовые конденсаторы.

Рениевые сплавы

Рений — это самый недавно открытый тугоплавкий металл. Он находится в низких концентрациях со многими другими металлами, в рудах других тугоплавких металлов, платиновых или медных рудах. Он используется в качестве сплава с другими тугоплавкими металлами, где он увеличивает пластичность и прочность на разрыв . Сплавы рения используются в электронных компонентах, гироскопах и ядерных реакторах . Рений находит наиболее важное применение в качестве катализатора. Он используется в качестве катализатора в таких реакциях, как алкилирование , деалкилирование , гидрирование и окисление . Однако его редкость делает его самым дорогим из тугоплавких металлов.

Преимущества и недостатки

Тугоплавкие металлы и сплавы привлекают внимание исследователей своими замечательными свойствами и многообещающей практической полезностью.

Физические свойства тугоплавких металлов, таких как молибден, тантал и вольфрам, их прочность и высокотемпературная стабильность делают их подходящим материалом для горячей металлообработки и для технологии вакуумных печей . Эти свойства используются во многих специальных областях применения: например, нити вольфрамовых ламп работают при температурах до 3073 К, а обмотки молибденовых печей выдерживают до 2273 К.

Однако плохая технологичность при низких температурах и чрезмерная окисляемость при высоких температурах являются недостатками большинства тугоплавких металлов. Взаимодействие с окружающей средой может существенно повлиять на их сопротивление ползучести при высоких температурах. Применение этих металлов требует защитной атмосферы или покрытия.

Тугоплавкие металлические сплавы молибдена, ниобия, тантала и вольфрама нашли применение в космических ядерных энергетических системах. Эти системы были разработаны для работы при температурах от 1350 K до приблизительно 1900 K. Окружающая среда не должна взаимодействовать с рассматриваемым материалом. В качестве теплоносителя используются жидкие щелочные металлы, а также сверхвысокий вакуум .

Для использования сплавов необходимо ограничить деформацию ползучести при высоких температурах . Деформация ползучести не должна превышать 1-2%. Дополнительной сложностью при изучении ползучести тугоплавких металлов является взаимодействие с окружающей средой, которое может существенно повлиять на ползучесть.

Вольфрам – самый тугоплавкий металл в мире. Способы добычи, свойства и характеристики вольфрама

Вольфрам — это тугоплавкий материал с высокой температурой плавления. Для некоторых сфер производства используется только этот металл, поэтому он высоко ценится горняками.

История

Люди занимаются обработкой металла несколько тысячелетий, но работать с тугоплавкими металлами начали лишь в XIX веке. Шведский химик обнаружил это вещество при работе с вольфрамитом. Вольфрам периодически встречался в разных видах руд, он мешал их переплавлению.

Первое упоминание зарегистрировано в 1781 году, когда ученый работал с шеелитом. Он обрабатывал материал кислотой и в результате обнаружил новый элемент. Через 2 года после этого другие ученые создали из него новый вид металла.

Характеристика

Тугоплавкие материалы переходят из твердого состояния в жидкое при высоких критических температурах. Этот материал плавится при температуре 3410 °C.

Вольфрам экологичен, имеет высокую степень прочности. Он устойчив к сильным нагрузкам даже после нагревания, благодаря чему используется в промышленности. Недостатков у металла не так много, но они существенные:

• Хладноломкость. Под давлением материал не так легко обрабатывать, он быстро переходит из вязкого состояния в хрупкое, из-за чего возникают трудности.
• Восприимчивость к кислотам. Чтобы при температуре свыше 1000 °C не начиналось окисление, на материал наносят гальваническое покрытие.

Помимо перечисленного, у металла наблюдается еще и повышенная плотность, из-за этого он подходит не для каждой отрасли производства.

В чистом виде материал почти не используется, он чаще выступает легирующей основой в сплавах с никелем, железом. Элементы добавляют для изменения физических свойств металла. С их помощью сплав станет более надежным, прочным и устойчивым к коррозии. В таких случаях вольфрама содержится не более 75%.

Тугоплавкость и твердость позволяют использовать металл в оружейной сфере для создания боеголовок, оружия, ракет, снарядов, а также в электроснабжении. Периодически металл используют для создания псевдосплавов. В них вольфрам не обладает легирующими свойствами, он просто наполняется медью или серебром. Образованная разница в температуре плавления обеспечивает лучшие электропроводные свойства.

Добыча и месторождения

В промышленных целях металл получают во время добычи руды, если ее предварительно обогащают. Во время этого процесса происходит флотация, дробление и шлифовка. Из полученного концентрата выделяют триоксид окиси, который восстанавливают до металла с помощью водорода и температурного воздействия.

Для получения материала используют 2 способа:

1. Метод порошковой металлургии. Процесс протекает в несколько этапов. Сначала подготавливается порошок из чистого металла, сплава или сложного соединения, затем происходит прессование в специальных формах, а на финальном этапе начинается химическая обработка, благодаря которой вольфрам получает свои физические и химические свойства. Метод позволяет равномерно вводить присадок, что является его основным достоинством.
2. Плавка в электронно-духовых печах. Во время этого процесса металлический порошок или вольфрамовая нить полностью расплавляются в пучок электронов. Для этого используется вакуумная камера, в которой исключается окисление, а также используемые в сплаве реактивные материалы не ставят под угрозу безопасность процесса. Наличие вакуума исключает сталкивание молекул газа электронов. Благодаря этому оборудованию удастся получать большие заготовки металла, вес каждой из них достигает 3 тонн.

В природных условиях вольфрам встречается только в окисленных отложениях. Образуется материал из трехокиси с железом, кальцием, марганцем. Во время анализа состава иногда встречается медь, свинец и другие редкие элементы. Минералы обнаруживают в горных породах, они выглядят как мелкие вкрапления. Тяжелого металла в них содержится до 2%.

Самые крупные запасы обнаружены в США, Китае, Канаде, Казахстане. В России и Португалии тоже есть месторождения. Ежегодно в мире производится 50 тонн вольфрама. В чистом виде он почти не используется из-за своей редкости.

Применение

После открытия тугоплавкие материалы использовали только для транзисторов электроники и конденсаторов. Сфера применения расширилась только в середине XX века. В то время такие металлы стали использовать еще для изготовления станков, ракет, автомобилей, при самолетостроении.

Вольфрам считается самым тугоплавким материалом из всей категории, но его сфера применения ограничена из-за хладноломкости. То есть, делать из этого материала выдержит высокие нагрузки, но если она упадет с большой высоты, то моментально раскрошится на части.

Перечислим основные отрасли, где применяют металл:

• Благодаря пластичности из него выполняют нити накаливания для освещения, их ставят в кинескопы или вакуумные трубки.
• Подходит в качестве электрода во время аргонно-дуговой сварки.
• Выступает основой тяжелых сплавов. Из них делают противовесы, снаряды для оружия, пули и детали для ракет.
• Сплавы подходят для создания медицинских инструментов, танковой брони, деталей двигателей, защитных контейнеров для опасных веществ.
• Является нагревательным элементом в вакуумных печах сопротивления.
• Благодаря высокой плотности используется для защиты от излучения ионов. Выполненные из вольфрама детали более дешевые и эффективные, если сравнивать материал со свинцом.
• Для обработки металлоконструкций или в отрасли машиностроения используются материалы с карбидом вольфрама.
• В ядерной физике вольфроматы кальция или свинца применяют в качестве детекторов рентгеновского излучения.

Сплавы на основе вольфрама используются для бурения скважин, создания высокотемпературной смазки, с их помощью создают преобразователи, которые делают из тепла электричество. В промышленности на основе тугоплавкого материала выпускают электроды, проволоку, порошок, листы. Материал не имеет аналогов, поэтому вся выполненная из него продукция отличается уникальными физическими и химическими свойствами.