Тугоплавкие металлы

H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg * Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu ** Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Тугоплавкие металлы Расширенная группа тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы — класс химических элементов (металлов), имеющих очень высокую температуру плавления и сохраняющих механические свойства при высоких температурах. Выражение тугоплавкие металлы чаще всего используется в таких дисциплинах, как материаловедение, металлургия, а также в технических науках. Определение тугоплавких металлов различается в зависимости от принятой классификации. К основным тугоплавким металлам относят ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений. Все они имеют температуру плавления выше 2000 °C и характеризуются высокой механической стабильностью при повышенных температурах. Благодаря порошковой металлургии из них можно получать детали для разных областей промышленности.

Определение Большинство определений термина тугоплавкие металлы основываются на высокой температуре плавления. По одному из определений, необходимо, чтобы металлы имели температуру плавления выше 4000 °F (около 2200 °C).

Пять элементов — ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений — входят в эту группу практически во всех определениях. Более широкое определение включает также металлы с температурой плавления выше приблизительно 1850 °C: титан, ванадий, хром, цирконий, гафний, рутений, родий, осмий и иридий. Искусственные радиоактивные элементы в состав группы обычно не включают.

Свойства

Физические свойства + Свойства пяти основных тугоплавких металлов 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

Температуры плавления этих простых веществ относятся к самым высоким среди металлов. Вольфрам обладает самой высокой температурой плавления среди металлических элементов, за ним следует рений. 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.

Сопротивление деформации ползучести является одним из важных свойств тугоплавких металлов. Ползучесть металлов становится существенной при достаточно высокой температуре относительно их температуры плавления; благодаря высоким температурам плавления тугоплавкие металлы сохраняют механическую прочность и сопротивление ползучести при более высоких абсолютных температурах. Это позволяет использовать их, например, в высокотемпературных деталях двигателей и оборудовании для горячей обработки материалов.

Химические свойства

При повышенных температурах на воздухе тугоплавкие металлы подвергаются окислению. Их стойкость к окислению значительно различается; в целом недостаточная стойкость в окислительной среде является одним из основных ограничений при высокотемпературном применении этих металлов. Ниобий и тантал в ряде сред защищаются устойчивыми пассивными оксидными плёнками, тогда как оксиды некоторых других тугоплавких металлов при высоких температурах могут быть летучими. Стойкость к воздействию кислот также существенно различается у разных металлов группы.

Применение Тугоплавкие металлы используются в высокотемпературных деталях и оборудовании, электротехнике и электронике, авиационной и космической технике, а также в ядерной промышленности. Из-за высоких температур плавления важным способом их производства и обработки является порошковая металлургия: металлические порошки прессуют и спекают, после чего заготовки могут подвергаться дальнейшей механической обработке. Тугоплавкие металлы можно перерабатывать в проволоку, слитки, прутки, листы и фольгу.

Вольфрам и его сплавы

В 1781 году Карл Вильгельм Шееле получил из шеелита соединение неизвестного тогда элемента и установил, что минерал содержит новый металл. Металлический вольфрам впервые получили в 1783 году испанские химики братья Хуан Хосе и Фаусто Эльгуяры. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов — 3422 °C.

Рений используется в сплавах с вольфрамом; его добавление может повышать пластичность и улучшать механические свойства вольфрама при высоких температурах. Торий применяется в виде добавки оксида тория к некоторым маркам вольфрама, в частности к электродам. В порошковой металлургии компоненты могут быть использованы для спекания и последующего применения. Для получения тяжёлых сплавов вольфрама применяют никель и железо или никель и медь. Типичные тяжёлые вольфрамовые сплавы содержат около 90—98 % вольфрама, а остальную часть составляют прежде всего никель, железо, медь и другие металлы.

Вольфрам и его сплавы по-прежнему используют там, где присутствуют высокие температуры, но нужна высокая твёрдость и прочность. Нити накаливания, состоящие из вольфрама, находят применение в быту и в приборостроении. Лампы более эффективно преобразуют электроэнергию в свет с повышением температуры. В вольфрамовой газодуговой сварке вольфрам используется в качестве неплавящегося электрода. Благодаря высокой плотности тяжёлые вольфрамовые сплавы применяют, в частности, в бронебойных боеприпасах. Высокая температура плавления вольфрама востребована при создании высокотемпературных деталей ракетных двигателей. Иногда металл находит применение благодаря своей высокой плотности, например в производстве клюшек для гольфа.

Сплавы молибдена

Широкое применение находят сплавы молибдена. Наиболее часто используемый сплав — титан-цирконий-молибден (TZM) — содержит около 0,5 % титана, 0,08 % циркония, небольшое количество углерода и остальное молибден. Сплав обладает повышенной прочностью при высоких температурах. Высокое сопротивление сплава вольфрам-молибден (Mo 70 %, W 30 %) делает его подходящим материалом для некоторых деталей оборудования для литья цинка.

Молибден используется в ртутных герконовых реле, так как ртуть не формирует амальгамы с молибденом.

Молибден является одним из наиболее широко используемых тугоплавких металлов. Наиболее важным является его использование в качестве легирующего элемента сталей. Он применяется, в частности, для повышения прочности, жаропрочности, износостойкости и коррозионной стойкости различных сплавов. В качестве твёрдой смазки применяется не металлический молибден, а его соединение — дисульфид молибдена (MoS2), обладающий низким коэффициентом трения. Большие месторождения молибдена находятся в Китае, США, Чили и Канаде.

Сплавы ниобия

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 другими тугоплавкими металлами. Его показатель плотности самый малый по сравнению с остальными пятью основными металлами данной группы. Он может применяться в электролитических конденсаторах и широко используется в сверхпроводниковых материалах и сплавах. Ниобий может применяться в газовых турбинах воздушных судов, в электронных лампах и ядерных реакторах.

Сплав ниобия C103, номинально состоящий из примерно 89 % ниобия, 10 % гафния и 1 % титана, применяется при создании сопел жидкостных ракетных двигателей, в том числе двигателя служебного модуля программы «Аполлон». Однако легирование не устраняет характерную для ниобиевых сплавов низкую стойкость к окислению при высоких температурах; при работе в окислительной среде для них применяют защитные покрытия.

Тантал

Тантал обладает очень высокой стойкостью к коррозии, в том числе благодаря образованию устойчивой пассивной плёнки оксида.

Благодаря коррозионной стойкости и биосовместимости тантал применяется в медицинских имплантатах и других медицинских изделиях. Тантал также широко используется в электролитических конденсаторах, в том числе в электронной аппаратуре.

Сплавы рения

Рений является последним открытым химическим элементом, встречающимся в природе: он был открыт в 1925 году. В земной коре рений крайне редок и обычно присутствует как примесь в молибдените; основную часть первичного рения получают как побочный продукт переработки медно-молибденовых руд. Рений применяется как легирующий компонент в жаропрочных сплавах. Более 80 % потребляемого рения используется в высокотемпературных суперсплавах, прежде всего для деталей газотурбинных двигателей; другим важным применением являются платино-рениевые катализаторы нефтепереработки.

Общие свойства тугоплавких металлов Тугоплавкие металлы и их сплавы привлекают внимание исследователей из-за их необычных свойств и перспектив применения.

Физические свойства тугоплавких металлов, таких как молибден, тантал и вольфрам, их показатели твёрдости и стабильность при высоких температурах делают 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 порядка 3000 K.

Одним из основных недостатков тугоплавких металлов является их недостаточная стойкость к окислению при повышенных температурах. Контакт с воздухом может существенно ухудшить их высокотемпературные характеристики, поэтому при работе в окислительной среде применяются защитные покрытия или изоляция материала от кислорода.

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).

См. также Огнеупорные материалы

Примечания

Для дополнительного чтения

Категория:Металлы Категория:Огнеупоры Категория:Группы химических элементов