Что считать тугоплавким металлом
О признаке, по которому металл причисляют к группе, говорит название.
Тугоплавкие металлы – это химические элементы с температурой плавления выше большинства остальных:
- В классическом понимании это более 2200°С. Таким свойством наделены пять металлов.
- Однако термин «тугоплавкие» применяют и в отношении металлов с температурой плавления выше железа, т.е. от 1850°С. По этому параметру тугоплавкими металлами являются еще девять элементов.
Таким образом, список тугоплавких элементов включает 14 позиций.
Ниобий
Температура плавления ниобия составляет 2741 °С. По своим химическим, физическим и механическим свойствам очень напоминает тантал. Он достаточно пластичен. Обладает хорошей свариваемостью и высокой теплопроводностью даже без дополнительного нагрева. Как и все остальные металлы его получают из порошка. Конечные заготовки из ниобия – проволока, лента, труба.
Читать также: Led controller dc12 24v как подключить
Сам металл и его сплавы демонстрируют эффект сверхпроводимости. Его широко применяют для изготовления анодов, экранных и антидинатронных сеток в электровакуумных приборах. Благодаря хорошей пористости, его успешно применяют в качестве газопоглотителей. В микроэлектронике он идёт на изготовление резисторов в микросхемах.
Ниобий хорошо себя проявил в качестве легирующей добавки. Используется при создании различных жаростойких конструкций, агрегатов работающих в агрессивных и радиоактивных средах. Из сплава стали и ниобия изготавливают некоторые элементы реактивных двигателей. Благодаря его свойству не взаимодействовать с радиоактивными веществами при высоких температурах, например, с ураном, применяется при изготовлении оболочек для урановых элементов, отводящих тепло в реакторах.
Физико-химические характеристики
Главная характеристика группы – тугоплавкость – обеспечивается структурой атомов. Электроны располагаются так близко, что для разрыва межатомных связок требуется температура до двух тысяч градусов.
Вторая общая черта – замедленность деформации ползучести. Чтобы они начали «расползаться», требуется нагрев 1500+°C. В отличие от легкоплавких металлов, которые растекаются при паре сотен градусов.
Однако большинство свойств тугоплавких металлов (плотность, твердость, сопротивляемость сжатию) разнятся из-за принадлежности к разным группам и отличий в структуре кристаллической решетки.
Больше схожести в химических свойствах:
- Легкость образования соединений с другими элементами, из-за чего обнаружить тугоплавы в чистом виде невозможно.
- На воздухе покрываются защитной пленкой. Скорость определяется температурой.
- При нагреве либо взаимодействии с газами (азотом, водородом, углеродом) первоначальные свойства утрачиваются, развивается коррозия, появляется хрупкость.
- Устойчивость перед воздействием кислот.
Учитывая такие характеристики, с элементами работают в вакууме. Самый распространенный пример – вольфрамовая нить накаливания внутри бытовой лампочки.
Технология получения
Исходник большинства тугоплавов – руда.
Процесс традиционен:
- Из нее удаляют примеси.
- Рафинируют (восстанавливают нужный элемент). Способ восстановления зависит от требуемой степени чистоты металла. Поэтому задействуют дугообразную, электронно-лучевую либо плазменную плавку.
- Лучший продукт дает плазма. Он представляет собой мелкие гранулы, порошок либо заготовки (проволока, фольга, слитки, арматура, прокат).
Технология плавления специфична, поэтому таким сырьем занимаются специальные предприятия. В СССР их было всего два.
Обработка тугоплавких металлов возможна только методами порошковой металлургии.
Сферы применения
Применение тугоплавких металлов не ограничивается бытовыми лампочками.
Их свойства обеспечивают использование всеми отраслями промышленного комплекса, ВПК, в быту:
- Металлургия. Компонент-лигатура для сплавов.
- Судо-, авиа-, космостроение. Детали двигателей.
- Ядерный сектор. Материал деталей реакторов.
- Химпром. Катализатор, источник света.
- Электроника. Конденсаторы.
Материал популярен как база жаропрочных, повышенно устойчивых конструкций (огнеупоров) для указанных отраслей. Особенно если требуются детали сложной конфигурации.
Особняком стоит выращивание рубинов. Для этого в бесцветный кристалл добавляют микродозы хрома.
Почти всегда применяются сплавы. Например, ядерщиками и строителями космических аппаратов востребована молибденово-танталово-вольфрамовая композиция. Она не деформируется при температурах порядка 4000°С, упруга, пластична, невосприимчива к ржавлению.
Вольфрам
Этот металл открыли в далёком 1781 г. Его температура плавления равна 3380 °С. Поэтому он на сегодняшний день является самым тугоплавким металлом. Получают вольфрам из специального порошка, подвергая его химической обработке. Этот процесс основан на прессовании с последующим спеканием при высоких температурах. Далее его подвергают ковке и волочению на станках. Это связано с его наибольшей тугоплавкостью. Так получают волокнистую структуру (проволоку). Она достаточно прочная и практически не ломается. На конечном этапе его раскатывают в виде тонких нитей или гибкой ленты. Для проведения механической обработки необходимо создать защитную среду из инертного газа. В этой среде температура должна превышать 400 °С. При температуре окружающей среды он приобретает свойства парамагнетика. Ему присущи следующие недостатки:
- сложность в создании условий для механической обработки;
- быстрое образование на поверхности оксидных плёнок. Если в контакте имеются серосодержащие вещества, образуются сульфидные плёнки;
- создание хорошего электрического контакта между несколькими деталями возможно только при создании большого давление.
Классификация
В зависимости от температуры плавления тугоплавкие металлы причисляются к основной либо дополнительной группе.
Основная группа
Данный сегмент включает пять позиций: вольфрам, ниобий, тантал, молибден, рений. Плавятся при 2200°С+.
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 |
Молибден
Самый востребованный из тугоплавких элементов.
Сфера использования номер один – металлургия:
- Молибденом «усиливают» сталь, чтобы получить твердый сплав.
- На пару с нержавеющей сталью применяют как материал инфраструктуры трубопроводов, деталей автомобилей, другой продукции машиностроения.
- Благодаря температуре плавления, износостойкости, малой истираемости используется как легирующая присадка.
Молибдену требуется пара процентов лигатур в составе, чтобы свойства сплава изменились.
Например, полпроцента титана плюс 0,08% циркония создают молибденовый сплав, не снижающий прочность до 1060°C.
Неординарные параметры по трению обусловили использование молибдена как долговечной смазки с высоким КПД.
Материал незаменим для ртутных реле, поскольку амальгама с данным металлом ртутью не формируется.
Вольфрам
Открыт в конце 18 века. Самый твердый и самый тугоплавкий (3422°C) металл.
Тугоплавкий прочный металл, светло-серого цвета – вольфрам
Вместе с медью и железом используется как основа (до 80%) сплавов с рением, торием, никелем. Такие добавки повышают плотность, порог стойкости к ржавлению, надежность.
Востребован как материал систем электроснабжения, приборов, боеприпасов, ядерных боеголовок ракет. Никелевые сплавы как материал клюшек ценят поклонники гольфа.
Вольфрам в слитках
Вольфрам, его сплавы востребованы там, где нужна повышенная плотность в условиях запредельных температур.
Тантал
Самый стойкий к кислотам, коррозии из сегмента тугоплавких металлов.
Тяжёлый твёрдый металл серого цвета – тантал
Поэтому используется в конденсаторах смартфонов, планшетов, других гаджетов.
Совместим с биологическими организмами (не меняется под воздействием природных кислот). Благодаря этому применяется медициной.
В природе ниобий и тантал соседи. Не случайно названы по именам отца и дочери – Тантала и Ниобы, персонажей древнегреческих мифов.
Ниобий
Металл с небанальными характеристиками:
- Самый легкий (малой плотности) в сегменте.
- Уникален благодаря свойству менять коэффициент твердости и упругости в зависимости от степени отжига.
- Самый частый в сплавах-суперпроводниках.
Применяется как материал конденсаторов, газовых турбин ракет, самолетов. А также элемент ядерных реакторов и ламп электронных приборов.
Вместе с гафнием и титаном – материал двигателей космических аппаратов (например, американского Аполлона).
Рений
Был открыт позже всех из перечисленных ранее металлов. Он полностью оправдывает свое название «редкоземельный металл», потому что находится в небольших количествах в составе руды других металлов, таких как платина или медь. В основном его используют как легирующую добавку. Полученные сплавы приобретают хорошие характеристики прочности и ковкости. Это один из самых дорогих металлов, поэтому его применение приводит к резкому увеличению цены всего оборудования. Те не менее, его применяют в качестве катализатора.
Хром — уникальный металл. Широко применяется в промышленности благодаря своим замечательным свойствам: прочности, устойчивости к внешним воздействиям (нагреву и коррозии), пластичности. Достаточно твердый, но хрупкий металл. Имеет серо-стальной цвет. Весь необходимый хром извлекают из руды двух видов хромита железа или окиси хрома.
Основными его свойствами являются:
- Даже при нормальной температуре обладает почти идеальным антиферромагнитным упорядочением. Это придаёт ему отличные магнитные свойства.
- По-разному реагирует на воздействие водорода и азота. В первом случае сохраняет свою прочность. Во втором, становится хрупким и полностью теряет все свои пластические свойства.
- Обладает высокой устойчивостью против коррозии. Это происходит благодаря тому, что при взаимодействии с кислородом на поверхности образуется тонкая защитная плёнка. Она служит для защиты от дальнейшей коррозии.
Он используется в металлургической, химической, строительной индустриях. Хром, как легирующая добавка, обязательно используется для производства различных марок нержавеющей стали. Особое место занимает при изготовлении такого материала как нихром. Этот материал способен выдерживать очень высокие температуры. Поэтому его используют в различных нагревательных элементах. Хромом активно покрывают поверхности различных деталей (металла, дерева, кожи). Это процесс осуществляется с помощью гальваники.
Токсичность некоторых солей хрома используют для сохранения древесины от повреждения, вредного воздействия грибков и плесени. Они также хорошо отпугивают муравьёв, термитов, насекомых разрушителей деревянных конструкций. Солями хрома обрабатывают кожу. Хром применяется при изготовлении различных красителей.
Благодаря высокой теплостойкости его используют как огнеупорный материал для доменных печей. Каталитические свойства соединений хрома успешно используют при переработке углеводородов. Его добавляют при производстве магнитных лент наивысшего качества. Именно он обеспечивает низкий коэффициент шума и широкую полосу пропускания.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
