Что такое тугоплавкие металлы — список, области применения и свойства

Название тугоплавких металлов напрямую говорит об их особенностях. Многие из них стали известны еще в конце 19 века, но не сразу нашли свое применение. Редкое исключение составили некоторые соединения, которые были востребованы в электротехнике. Ситуация резко изменилась в средине прошлого века по причине активного развития ракетостроения и сверхзвуковой авиации. Именно в этих отраслях промышленности наиболее востребованы тугоплавкие металлы, способные выдержать высокие нагрузки при температуре рабочей среды выше 1000 градусов по шкале Цельсия.

Характеристики и перечень тугоплавких металлов

Тугоплавкость определяется показателем температуры, до достижения которой металл не плавится. Для группы тугоплавких металлов температура плавления не может быть ниже 1875 градусов.

тугоплавкий металл хром
Хром — один из видов тугоплавких металлов

Список тугоплавких металлов включает:

Иридий, рутений, родий и осмий встречаются очень редко, в год их производят не более 1,6 тонны. Потребностям современного производства в полной мере отвечает только добыча хрома, молибдена, ванадия и вольфрама.

Наряду с высокой температурой плавления необходимо отметить и характерные недостатки данных материалов. Жаропрочный металл не отличается высокой стойкостью к окислению. Этим объясняется необходимость нанесения защитных гальванических покрытий на изделия, предназначенные для использования в рабочей среде с температурой выше 1000 градусов. В плане стойкости к окислению выделяется хром, но он при этом обладает самой низкой температурой плавления.

Кроме того, хром, вольфрам и молибден отличаются повышенной хладноломкостью, что заметно усложняет их обработку методом давления.

Наиболее перспективны для промышленности молибден и ниобий. Они часто встречаются в естественных условиях, что существенно снижает конечную стоимость продукции. Молибден ценится как жаростойкий металл с высокой удельной прочностью. Ниобий обладает низкой степенью плотности, высокой тугоплавкостью и технологичностью.

Вольфрам представляет собой самый тугоплавкий металл и материал, востребованный в качестве легирующего компонента. В чистом виде он применяется редко из-за недостатков, перечисленных выше, и повышенной плотности.

Физические и механические свойства

Тугоплавкие металлы входят в группу переходных элементов. Таблица Менделеева различает две их разновидности:

  • ниобий, тантал, ванадий входят в подгруппу 5А;
  • хром, вольфрам и молибден – в подгруппу 6А.

Самая небольшая плотность у ванадия (6100 кг/м3), а максимальная у вольфрама (19300 кг/м3). Остальные металлы по показателю удельной плотности находятся в пределах этих рамок. Все они обладают низким коэффициентом линейного расширения, малой теплопроводностью и упругостью. Элементы плохо проводят электроток, но отличаются сверхпроводимостью. В зависимости от вида элемента температура сверхпроводимости колеблется в пределах от 0,05 до 9 К.

Примечательно, что при комнатной температуре тугоплавким металлам присуща высокая пластичность. Кроме того, молибдену и вольфраму свойственна повышенная жаропрочность на фоне остальных элементов. Не все элементы обладают высокой степенью жаростойкости. Большая часть тугоплавких металлов устойчивы к агрессивному воздействию щелочи или кислоты в обычной среде. Но при нагреве до 400 градусов их активность резко увеличивается. По этой причине материалы нуждаются в создании особых условий эксплуатации. В высокотемпературной рабочей среде их нередко помещают в особую атмосферу инертных газов или разреженный до состояния вакуума воздух.

Общим для всех элементов показателем является высокая степень химической активности. Именно эта особенность заметно усложняет получение чистых элементов, вызывая необходимость построения многоэтапной технологической цепочки.

Кроме того, определенные сложности с применением жаропрочных металлов в промышленном производстве объясняются их повышенной склонностью к хладноломкости. Иными словами, при снижении температуры рабочей среды до определенной отметки материал становится хрупким. Ванадий проходит эту отметку на -195 градусах, ниобий на -120, а вольфрам на +330 градусах по шкале Цельсия. Эта особенность объясняется присутствием некоторых примесей в составе металлов.

Производство тугоплавких металлов

По причине высокой химической активности основной технологией выработки жаропрочных металлов служит порошковая металлургия.

Существует несколько методов получения металлов данной категории в виде порошка.

  • Реакция восстановления с участием триоксида водорода включает в себя несколько этапов, и применяется для выработки молибдена и вольфрама. Процесс осуществляется в многотрубных печах при 750-950 градусах.
  • Схема восстановления при помощи водорода перрината предназначена для получения металлического рения. Средняя температура составляет 500 градусов, а на последнем этапе происходит отделение порошка от щелочи при помощи процедуры вымывания с последовательным использованием воды и раствора соляной кислоты.
  • Для получения молибдена применяют соли разных металлов. Чаще всего в качестве исходного сырья выступает аммонийная соль и металлический порошок металла, который добавляют в смесь в пропорции от 5 до 15% от общего объема. Технология предполагает обработку сырья при температуре от 500 до 800 градусов в потоке инертного газа. Реакция восстановления осуществляется в водородной среде с температурным режимом от 800 до 1000 градусов.

Полученный в виде порошка металл прессуют или запекают.

Сфера применения

Жаропрочные металлы в чистом виде востребованы в:

  • сверхзвуковой авиации;
  • ракетостроении и создании космических кораблей;
  • производстве ракет и снарядов с радиоуправлением;
  • вакуумной технике и электронике.

К примеру, ниобий без примесей необходим при изготовлении трубок, сеток, электронных деталей для электровакуумных радиоламп, а также электродов-анодов для электровакуумных устройств. Подобное назначение у молибдена и вольфрама. Их используют для электродов радиоламп, подвесок и крючков электровакуумных установок. Вольфрамовые монокристаллы необходимы для производства катодов, предохранителей, электрических контактов. Кроме того, металл с самой высокой температурой плавления давно востребован для нитей накаливания в привычных всем электрических лампах.

ниобиевая труба
Труба из ниобия

Ниобий и ванадий в чистом виде предназначены в первую очередь для атомной энергетики. Именно из них делают оболочки тепловыделяющих элементов и трубы ядерных реакторов. Чистый тантал необходим для химической отрасли в силу повышенной устойчивости к коррозии. Из него изготавливают технологические емкости, детали аппаратов и установок, различную посуду.

Тугоплавкие сплавы и металлы применяют в разных промышленных отраслях. Назначение соединений обусловлено их специфическими свойствами, в первую очередь жаропрочностью.

Производство проката включает:

  • трубы и листы;
  • проволоку и пруток;
  • фольгу и полосы (обычного типа или для глубокой вытяжки).

В отдельную позицию выделяют тугоплавкий припой. Это обусловлено отсутствием в его составе элементов с высокой температурой плавления. В роли компонентов применяют никель, медь, магний или серебро.

Добавить комментарий
Adblock
detector