Тугоплавкие металлы
Металлы жаростойкие и износостойкие

ЧАС Он
ЛиБыть БСНОФНе
НаМг ЭлСиПСКлАр
КCaСцТиВКрМнФеКоНиCuZnГаGeКакСэБрКр
Руб.СрИЗрКол-воМоТсРурезус-факторПдАгКдВСнСбТеяХе
СсБа*ЛуВЧТаВтПовторноОсИрПтАурт.ст.ТлсвинецБиПоВРн
ПтРа**ЛрРфДбСгБхХсМтДсРгCnНчФлМакУрТсОг
 
 *ЛаСеПрндПМСмЕвросоюзБ-гТбДайХоЭ-эТмЫб
 **АсЧтПаУНпПуЯвляюсьСмБкСр.ЭсФмМдНет
  Тугоплавкие металлы
  Более широкое определение тугоплавких металлов [1]

Тугоплавкие металлы — это класс металлов , которые чрезвычайно устойчивы к теплу и износу . Выражение в основном используется в контексте материаловедения , металлургии и машиностроения . Определение того, какие элементы относятся 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 имеют некоторые общие свойства, 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 методом выбора для 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 коррозионных средах. Отчасти из-за высокой температуры плавления тугоплавкие металлы устойчивы к деформации ползучести при очень высоких температурах.

Определение

Большинство определений термина «тугоплавкие металлы» перечисляют чрезвычайно высокую температуру плавления как ключевое требование для включения. Согласно одному определению, для квалификации необходима температура плавления выше 4000 °F (2200 °C), что включает в себя иридий , осмий , ниобий , молибден , тантал , вольфрам , рений , родий , рутений и гафний . [2] Пять элементов ниобий , молибден , тантал , вольфрам и рений включены во все определения, [3] в то время как самое широкое определение, включающее все элементы с температурой плавления выше 2123 К (1850 °C), такие как титан , ванадий , цирконий и хром . [4] Технеций не включен из-за его радиоактивности, хотя в противном случае он подпадал бы под самое широкое определение. [5]

Характеристики

Физический

Свойства тугоплавких металлов
ИмяниобийМолибденТанталВольфрамРений
Период55666
Группа56567
Температура плавления К [проп. 1]27502896329036953459
Температура кипения К [свойство 2]50174912573162035869
Температура плавления °C [проп. 1]24772623301734223186
Температура кипения °C [свойство 2]47444639545859305596
Плотность г·см −3 [prop 3]8.5710.2816.6919.2521.02
Модуль Юнга ГПа105329186411463
Твёрдость по Виккерсу МПа1320153087334302450
  1. ^ ab Консенсусные значения взяты из температур плавления элементов с множественными ссылками.
  2. ^ ab Консенсусные значения взяты из точек кипения элементов с множественными ссылками там. Вольфрам имеет особенно широкую полосу расхождений, с двумя основными источниками, сообщающими о 5555 °C.
  3. ^ Консенсусные значения взяты из плотностей элементов с множественными ссылками.

Тугоплавкие металлы имеют высокие температуры плавления, причем вольфрам и рений имеют самую высокую из всех элементов, а температуры плавления других элементов уступают только осмию и иридию , а также сублимации углерода . Эти высокие температуры плавления определяют большинство их применений. Все металлы имеют объемно-центрированную кубическую решетку, за исключением рения, который имеет гексагональную плотноупакованную решетку . Физические свойства тугоплавких элементов значительно различаются, поскольку они являются членами разных групп периодической таблицы . [6] [7] Твердость, высокие температуры плавления и кипения, а также высокие энтальпии атомизации этих металлов возникают из-за частичного занятия внешней d-подоболочки , что позволяет d-электронам участвовать в металлической связи. Это дает жесткие, высокостабильные связи с соседними атомами и объемно-центрированную кубическую кристаллическую структуру, которая сопротивляется деформации. Двигаясь вправо в периодической таблице, больше d-электронов усиливают этот эффект, но по мере заполнения d-подоболочки они втягиваются более высоким ядерным зарядом в инертное ядро ​​атома , что снижает их способность делокализации для образования связей с соседями. Эти противоположные эффекты приводят к тому, что группы с 5 по 7 проявляют наиболее тугоплавкие свойства. [8]

Сопротивление ползучести является ключевым свойством тугоплавких металлов. В металлах начало ползучести коррелирует с температурой плавления материала; ползучесть в алюминиевых сплавах начинается при 200 °C, в то время как для тугоплавких металлов необходимы температуры выше 1500 °C. Эта стойкость к деформации при высоких температурах делает тугоплавкие металлы пригодными для противостояния сильным силам при высокой температуре, например, в реактивных двигателях или инструментах, используемых при ковке . [9] [10]

Химический

Тугоплавкие металлы демонстрируют широкий спектр химических свойств, поскольку они являются членами трех различных групп в периодической таблице . Они легко окисляются, но эта реакция замедляется в объеме металла из-за образования стабильных оксидных слоев на поверхности ( пассивация ). Особенно оксид рения более летуч, чем металл, и поэтому при высокой температуре стабилизация против воздействия кислорода теряется, потому что оксидный слой испаряется. Все они относительно устойчивы к кислотам. [6]

Приложения

Тугоплавкие металлы и сплавы, изготовленные из них, используются в освещении , инструментах, смазочных материалах , стержнях управления ядерными реакциями , в качестве катализаторов , а также из-за их химических или электрических свойств. Из-за их высокой температуры плавления компоненты из тугоплавких металлов никогда не изготавливаются методом литья . Используется процесс порошковой металлургии. Порошки чистого металла прессуются, нагреваются с помощью электрического тока и далее изготавливаются методом холодной обработки с этапами отжига. Тугоплавкие металлы и их сплавы могут быть переработаны в проволоку , слитки , арматуру , листы или фольгу .

Молибденовые сплавы

Широко используются сплавы на основе молибдена, поскольку они дешевле, чем высококачественные сплавы вольфрама. Наиболее широко используемый сплав молибдена — это сплав титана , циркония и молибдена TZM , состоящий из 0,5% титана и 0,08% циркония (остальное — молибден). Сплав демонстрирует более высокое сопротивление ползучести и прочность при высоких температурах, что делает возможными рабочие температуры выше 1060 °C для материала. Высокое удельное сопротивление Mo-30W, сплава 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. [11]

Молибден используется в реле с ртутным герконом , поскольку молибден не образует амальгам и поэтому устойчив к коррозии, вызываемой жидкой ртутью . [12] [13]

Молибден является наиболее часто используемым из тугоплавких металлов. Его наиболее важное применение - в качестве упрочняющего сплава стали . Структурные трубы и трубопроводы часто содержат молибден, как и многие нержавеющие стали . Его прочность при высоких температурах, устойчивость к износу и низкий коэффициент трения - все эти свойства делают его бесценным в качестве легирующего соединения. Его превосходные антифрикционные свойства приводят к его включению в смазки и масла , где надежность и производительность имеют решающее значение. Автомобильные шарниры равных угловых скоростей используют смазку, содержащую молибден. Соединение легко прилипает к металлу и образует очень твердое, устойчивое к трению покрытие. Большая часть мировой молибденовой руды находится в Китае, США , Чили и Канаде . [14] [15] [16] [17]

Вольфрам и его сплавы

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

Нить накала лампочки накаливания мощностью 200 Вт, сильно увеличенная

До 22% рения сплавляют с вольфрамом для улучшения его высокотемпературной прочности и коррозионной стойкости. Торий в качестве легирующего соединения используется, когда необходимо установить электрические дуги. Зажигание происходит легче, а дуга горит стабильнее, чем без добавления тория. Для порошковой металлургии для процесса спекания необходимо использовать связующие вещества. 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 низкая даже при температурах спекания , и поэтому внутренняя часть зерен представляет собой чистый вольфрам. [18]

Вольфрам и его сплавы часто используются в приложениях, где присутствуют высокие температуры, но все еще необходима высокая прочность, а высокая плотность не является проблемой. [19] Вольфрамовые проволочные нити обеспечивают подавляющее большинство бытового освещения лампами накаливания , но также распространены 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 необходима для применения в качестве нити накаливания в лампах накаливания. [20] Оборудование для газовой дуговой сварки вольфрамом (GTAW, также известное как сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG)) использует постоянный, неплавящийся электрод . Высокая температура плавления и износостойкость против электрической дуги делают вольфрам подходящим материалом для электрода. [21] [22]

Высокая плотность и прочность вольфрама также являются ключевыми свойствами для его использования в оружейных снарядах , например, в качестве альтернативы обедненному урану для снарядов танковых пушек. [23] Его высокая температура плавления делает вольфрам хорошим материалом для таких применений, как сопла ракет , например, в UGM-27 Polaris . [24] Некоторые из применений вольфрама связаны не с его тугоплавкими свойствами, а просто с его плотностью. Например, он используется в балансирах для самолетов и вертолетов или для головок клюшек для гольфа . [25] [26] В этих применениях также могут использоваться похожие плотные материалы, такие как более дорогой осмий.

Наиболее распространенное применение вольфрама — это соединение карбида вольфрама в сверлах , обрабатывающих и режущих инструментах. Крупнейшие запасы вольфрама находятся в Китае , с месторождениями в Корее , Боливии , Австралии и других странах.

Он также служит в качестве смазки , антиоксиданта , в соплах и втулках, в качестве защитного покрытия и во многих других случаях. Вольфрам можно найти в печатных красках, рентгеновских экранах, при переработке нефтепродуктов и для огнестойкости текстиля .

Сплавы ниобия

Изображение служебного модуля «Аполлон» на фоне Луны
Аполлон CSM с темным соплом ракеты из сплава ниобия и титана

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, некоторые из которых он разделяет с другими тугоплавкими металлами. 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 самых практичных сверхпроводящих сплавах. Ниобий можно найти в авиационных газовых турбинах , вакуумных трубках и ядерных реакторах .

Сплав, используемый для сопел жидкостных ракетных двигателей, таких как в главном двигателе лунных модулей Apollo , — это C103, который состоит из 89% ниобия, 10% гафния и 1% титана. [27] Другой сплав ниобия использовался для сопла служебного модуля Apollo . Поскольку ниобий окисляется при температурах выше 400 °C, для этих применений необходимо защитное покрытие, чтобы предотвратить хрупкость сплава. [27]

Тантал и его сплавы

Тантал является одним из наиболее коррозионно -стойких веществ.

Благодаря этому свойству танталу было найдено множество важных применений, особенно в медицинской и хирургической областях, а также в суровых кислотных средах. Он также используется для изготовления превосходных электролитических конденсаторов. Пленки тантала обеспечивают вторую по величине емкость на единицу объема любого вещества после аэрогеля [ нужна цитата ] и позволяют миниатюризировать электронные компоненты и схемы . Многие сотовые телефоны и компьютеры содержат танталовые конденсаторы.

Сплавы рения

Рений является самым недавно открытым тугоплавким металлом. Он находится в низких концентрациях со многими другими металлами, в рудах других тугоплавких металлов, платиновых или медных рудах. Он полезен в качестве сплава с другими тугоплавкими металлами, где он добавляет пластичность и прочность на разрыв . Сплавы рения используются в электронных компонентах, гироскопах и ядерных реакторах . Рений находит свое самое 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. [28]

Преимущества и недостатки

Прочность и устойчивость к высоким температурам тугоплавких металлов делают их пригодными для горячей металлообработки и для технологии вакуумных печей . Многие специальные приложения используют эти свойства: например, вольфрамовые нити ламп работают при температурах до 3073 К, а молибденовые обмотки печей выдерживают 2273 К.

Однако плохая обрабатываемость при низких температурах и экстремальная окисляемость при высоких температурах являются недостатками большинства тугоплавких металлов. Взаимодействие с окружающей средой может существенно влиять на их высокотемпературную ползучесть. 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 К до приблизительно 1900 К. Окружающая среда не должна взаимодействовать с рассматриваемым материалом. В качестве теплоносителей используются жидкие щелочные металлы , а также сверхвысокий вакуум .

Высокотемпературная деформация ползучести сплавов должна быть ограничена для их использования. Деформация ползучести не должна превышать 1–2%. Дополнительной сложностью при изучении ползучести тугоплавких металлов является взаимодействие с окружающей средой, которая может существенно влиять на ползучесть.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Международный журнал огнеупорных металлов и твердых материалов". Elsevier . Получено 7 февраля 2010 г.
  2. ^ Бауччио, Майкл; Американское общество металлов (1993). «Тугоплавкие металлы». Справочник по металлам ASM . ASM International. С. 120–2. ISBN 978-0-87170-478-8.
  3. ^ Metals, Behavior Of; Wilson, J. W (1 июня 1965). "Общее поведение тугоплавких металлов". Поведение и свойства тугоплавких металлов. Stanford University Press. стр. 1–28. ISBN 978-0-8047-0162-4.
  4. ^ "Refractory Metal - an overview". ScienceDirect Topics . Elsevier . Получено 23 ноября 2020 г. .
  5. ^ Дэвис, Джозеф Р. (2001). Сплавление: понимание основ. ASM International. С. 308–333. ISBN 978-0-87170-744-4.
  6. ^ ab Борисенко, ВА (1963). «Исследование температурной зависимости твёрдости молибдена в интервале 20–2500°С». Советская порошковая металлургия и металлокерамика . 1 (3): 182–186. doi :10.1007/BF00775076. S2CID  137686216.
  7. ^ Fathi, Habashi (2001). «Историческое введение в тугоплавкие металлы». Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review . 22 (1): 25–53. Bibcode : 2001MPEMR..22...25H. doi : 10.1080/08827509808962488. S2CID  100370649.
  8. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . С. 978, 1005, 1043. ISBN 978-0-08-037941-8.
  9. ^ Шмид, Калпакджян (2006). «Ползучесть». Производственная инженерия и технология . Pearson Prentice Hall. С. 86–93. ISBN 978-7-302-12535-8.
  10. ^ Вероньский, Анджей; Хейвовский, Тадеуш (1991). «Материалы, устойчивые к ползучести». Термическая усталость металлов . ЦРК Пресс. стр. 81–93. ISBN 978-0-8247-7726-5.
  11. ^ Smallwood, Robert E. (1984). "TZM Moly Alloy". Специальная техническая публикация ASTM 849: Тугоплавкие металлы и их промышленное применение: симпозиум . ASTM International. стр. 9. ISBN 978-0-8031-0203-3.
  12. ^ Козбагарова, ГА; Мусина, АС; Михалева, ВА (2003). «Коррозионная стойкость молибдена в ртути». Защита металлов . 39 (4): 374–6. doi :10.1023/A:1024903616630. S2CID  91428385.
  13. ^ Gupta, CK (1992). «Электрическая и электронная промышленность». Извлекательная металлургия молибдена . CRC Press. стр. 48–49. ISBN 978-0-8493-4758-0.
  14. ^ Мадьяр, Майкл Дж. "Commodity Summary 2009:Molybdenum" (PDF) . Геологическая служба США . Получено 1 апреля 2010 г.
  15. ^ Эрвин, DR; Бурелл, DL; Персад, C.; Рабенберг, L. (1988). «Структура и свойства высокоэнергетического, высокоскоростного консолидированного молибденового сплава TZM». Материаловедение и машиностроение: A . 102 : 25–30. doi :10.1016/0025-5416(88)90529-0.
  16. ^ Олег Д., Нейков (2009). «Свойства порошка молибдена и молибденовых сплавов». Справочник по порошкам цветных металлов: технологии и применение . Elsevier. С. 464–6. ISBN 978-1-85617-422-0.
  17. ^ Дэвис, Джозеф Р. (1997). «Тугоплавкие металлы и сплавы». Специализированный справочник ASM: Жаропрочные материалы . ASM International. С. 361–382. ISBN 978-0-87170-596-9.
  18. ^ Ласснер, Эрик; Шуберт, Вольф-Дитер (1999). Вольфрам: свойства, химия, технология элемента, сплавы и химические соединения. Springer. С. 255–282. ISBN 978-0-306-45053-2.
  19. ^ Национальный исследовательский совет (США), Группа по вольфраму, Комитет по техническим аспектам критических и стратегических материалов (1973). Тенденции в использовании вольфрама: Отчет. Национальная академия наук — Национальная инженерная академия. С. 1–3.
  20. ^ Ласснер, Эрик; Шуберт, Вольф-Дитер (1999). Вольфрам: свойства, химия, технология элемента, сплавы и химические соединения. Springer. ISBN 978-0-306-45053-2.
  21. ^ Харрис, Майкл К. (2002). «Охрана труда и техника безопасности при сварке». Охрана труда и техника безопасности при сварке: практическое руководство для специалистов OEHS . AIHA. стр. 28. ISBN 978-1-931504-28-7.
  22. ^ Гэлвери, Уильям Л.; Марлоу, Фрэнк М. (2001). Основы сварки: вопросы и ответы . Industrial Press. стр. 185. ISBN 978-0-8311-3151-7.
  23. ^ Ланц, В.; Одерматт, В.; Вайраух3, Г. (7–11 мая 2001 г.). СНАРЯДЫ С КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ: ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, ТЕНДЕНЦИИ (PDF) . 19-й Международный симпозиум по баллистике. Интерлакен, Швейцария.{{cite conference}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  24. ^ Рамакришнан, П. (1 января 2007 г.). "Порошковая металлургия для аэрокосмических применений". Порошковая металлургия: обработка для автомобильной, электротехнической/электронной и машиностроительной промышленности . New Age International. стр. 38. ISBN 978-81-224-2030-2.
  25. ^ Арора, Арран; Вену Гопал Рао (2004). «Тяжелый вольфрамовый сплав для оборонных применений». Materials Technology . 19 (4): 210–6. Bibcode : 2004MaTec..19..210A. doi : 10.1080/10667857.2004.11753087. S2CID  139045633.
  26. ^ Moxson, VS; (sam) Froes, FH (2001). «Изготовление компонентов спортивного инвентаря методом порошковой металлургии». JOM . 53 (4): 39. Bibcode :2001JOM....53d..39M. doi :10.1007/s11837-001-0147-z. S2CID  135653323.
  27. ^ ab Hebda, John (2 мая 2001 г.). "Niobium materials and high Temperature applications" (PDF) . Niobium Science & Technology: Proceedings of the International Symposium Niobium 2001 (Орландо, Флорида, США) . Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração. Архивировано из оригинала (PDF) 17 декабря 2008 г.
  28. ^ Уилсон, Дж. В. (1965). "Рений". Поведение и свойства тугоплавких металлов . Stanford University Press. ISBN 978-0-8047-0162-4.

Дальнейшее чтение

  • Левитин, Валим (2006). Высокотемпературная деформация металлов и сплавов: Физические основы . Wiley. ISBN 978-3-527-31338-9.
  • Бруннер, Т. (2000). «Химический и структурный анализ частиц аэрозоля и летучей золы из установок сжигания биомассы с фиксированным слоем с помощью электронной микроскопии». 1-я всемирная конференция по биомассе для энергетики и промышленности: труды конференции, состоявшейся в Севилье, Испания, 5–9 июня 2000 г. Лондон: James & James. ISBN 1-902916-15-8.
  • Спинк, Дональд (1961). «Реактивные металлы. Цирконий, гафний и титан». Промышленная и инженерная химия . 53 (2): 97–104. doi :10.1021/ie50614a019.
  • Хейс, Эрл (1961). «Хром и ванадий». Промышленная и инженерная химия . 53 (2): 105–7. doi :10.1021/ie50614a020.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Тугоплавкие_металлы&oldid=1249541524"