Производство тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы — характеристики, свойства и применение

Производство тугоплавких металлов

Еще с конца 19 века были известны тугоплавкие металлы. Тогда им не нашлось применения. Единственная отрасль, где их использовали, была электротехника и то в очень ограниченных количествах.

Но все резко поменялось с развитием сверхзвуковой авиации и ракетной техники в 50-е года прошлого столетия.

Производству потребовались новые материалы, способные выдерживать значительные нагрузки в условиях температур свыше 1000 ºC. 

Список и характеристики тугоплавких металлов

Тугоплавкость характеризуется повышенным значением температуры перехода из твердого состояния в жидкую фазу. Металлы, плавление которых осуществляется при 1875 ºC и выше, относят к группе тугоплавких металлов. По порядку возрастания температуры плавки сюда входят следующие их виды:

  • Ванадий
  • Хром
  • Родий
  • Гафний
  • Рутений
  • Вольфрам
  • Иридий
  • Тантал
  • Молибден
  • Осмий
  • Рений
  • Ниобий.

Современное производство по количеству месторождений и уровню добычи удовлетворяют только вольфрам, молибден, ванадий и хром. Рутений, иридий, родий и осмий встречаются в естественных условиях довольно редко. Их годовое производство не превышает 1,6 тонны.

Жаропрочные металлы обладают следующими основными недостатками:

  • Повышенная хладноломкость. Особенно она выражена у вольфрама, молибдена и хрома. Температура перехода у металла от вязкого состояния к хрупкому чуть выше 100 ºC, что создает неудобства при их обработке давлением.
  • Неустойчивость к окислению. Из-за этого при температуре свыше 1000 ºC тугоплавкие металлы применяются только с предварительным нанесением на их поверхность гальванических покрытий. Хром наиболее устойчив к процессам окисления, но как тугоплавкий металл он имеет самую низкую температуру плавления.

К наиболее перспективным тугоплавким металлам относят ниобий и молибден. Это связано с их распространённостью в природе, а, следовательно, и низкой стоимостью в сравнении с другими элементами данной группы.

Помимо этого, ниобий зарекомендовал себя как металл с относительно низкой плотностью, повышенной технологичностью и довольно высокой тугоплавкостью. Молибден ценен, в первую очередь, своей удельной прочностью и жаростойкостью.

Самый тугоплавкий металл встречаемый в природе — вольфрам. Его механические характеристики не падают при температуре окружающей среды свыше 1800 ºC. Но перечисленные выше недостатки плюс повышенная плотность ограничивают его область использования в производстве. Как чистый металл он применяется все реже и реже. Зато увеличивается ценность вольфрама как легирующего компонента.

Физико-механические свойства

Металлы с высокой температурой плавления (тугоплавкие) являются переходными элементами. Согласно таблице Менделеева выделяют 2 их разновидности:

  • Подгруппа 5A – тантал, ванадий и ниобий.
  • Подгруппа 6A – вольфрам, хром и молибден.

Наименьшей плотностью обладает ванадий – 6100 кгм3, наибольшей вольфрам – 19300 кгм3. Удельный вес остальных металлов находится в рамках этих значений. Эти металлы отличаются малым коэффициентом линейного расширения, пониженной упругостью и теплопроводностью.

Данные металлы плохо проводят электрический ток, но обладает таким качеством как сверхпроводимость. Температура сверхпроводящего режима составляет 0,05-9 К исходя из вида металла.

Абсолютно все тугоплавкие металлы отличаются повышенной пластичностью в комнатных условиях. Вольфрам и молибден помимо этого выделяются на фоне остальных металлов более высокой жаропрочностью.

Коррозионная стойкость

Жаропрочным металлам свойственна высокая стойкость к большинству видов агрессивных сред. Сопротивление коррозии элементов 5A подгрупп увеличивается от ванадия к танталу. Как пример, при 25 ºC ванадий растворяется в царской водке, между тем как ниобий полностью инертен по отношению к данной кислоте.

Тантал, ванадий и ниобий отличаются устойчивостью к воздействию расплавленных щелочных металлов. При условии отсутствия в их составе кислорода, которые значительно усиливает интенсивность протекания химической реакции.

Молибден, хром и вольфрам имеют большую сопротивляемость к коррозии. Так азотная кислота, которая активно растворяет ванадий, значительно менее воздействует на молибден. При температуре 20 ºC данная реакция вообще полностью останавливается.

Все тугоплавкие металлы охотно вступают в химическую связь с газами. Поглощение водорода из окружающей среды ниобием осуществляется при 250 ºC. Тантал при 500 ºC. Единственный способ остановить эти процессы – проведение вакуумного отжига при 1000 ºC. Стоит заметить, что вольфрам, хром и молибден куда менее склонны к взаимодействию с газами.

Как уже было сказано ранее, лишь хром отличается сопротивляемостью к окислению. Данное свойство обусловлено его способностью образовывать твердую пленку оксида хрома на своей поверхности. Растворение кислорода хромом происходит только при 700 С. У остальных тугоплавких металлов процессы окисления начинаются ориентировочно при 550 ºC.

Хладноломкость

Распространению использования жаропрочных металлов в производстве мешает обладание ими повышенной склонности к хладноломкости. Это означает, что при падении температуры ниже определенного уровня происходит резкое возрастание хрупкости металла. Для ванадия такой температурой служит отметка в -195 ºC, для ниобия -120 ºC, а вольфрама +330 ºC.

Наличие хладноломкости жаропрочными металлами обусловлено содержанием примесями в их составе. Молибден особой чистоты (99,995%) сохраняет повышенные пластические свойства вплоть до температуры жидкого азота. Но внедрение всего 0,1% кислорода сдвигает точку хладноломкости к -20 С.

Области применения

До середины 40-х годов тугоплавкие металлы использовались только как легирующие элементы для улучшения механических характеристик стальных цветных сплавов на основе меди и никеля в электропромышленности. Соединения молибдена и вольфрама применялись также в производстве твердых сплавов.

Техническая революция, связанная с активным развитием авиации, ядерной промышленности и ракетостроения, нашла новые способы использования тугоплавких металлов. Вот неполный перечень новых сфер применения:

  • Производство тепловых экранов головного узла и каркасов ракет.
  • Конструкционный материал для сверхзвуковых самолётов.
  • Ниобий служит материалом сотовой панели космических кораблей. А в ракетостроении его используют в качестве теплообменников.
  • Узлы термореактивного и ракетного двигателя: сопла, хвостовые юбки, лопатки турбин, заслонки форсунок.
  • Ванадий является основой для изготовления тонкостенных трубок тепловыделяющих элементов термоядерного реактора в ядерной промышленности.
  • Вольфрам применяется как нить накаливания электроламп.
  • Молибден все шире и шире используется в производстве электродов, применяемых для плавки стекла. Помимо этого, молибден — металл, используемый для производства форм литья под давлением.
  • Производство инструмента для горячей обработки деталей.

Производство тугоплавких металлов — Справочник металлиста

Производство тугоплавких металлов

В этом разделе отражен прейскурант следующей продукции:

  • Молибден (проволока);
  • Молибден (круг);
  • Молибден (лист);
  • Вольфрамовый пруток;
  • Вольфрамовые электроды;
  • Вольфрамовая проволока.
Стоимость продукции компании ООО «Авек Глобал».НомерТип прокатаРазмерМатериалЦена
1электрод1,5−3Вольфрамдоговорная
2электрод3,5−5— «-— «-
3электрод6−12,0— «-— «-
4прут1,5−3— «-— «-
5прут3,5−5— «-— «-
6прут6−12,0— «-— «-
7проволока0,35— «-— «-
8проволока0,5— «-— «-
9проволока0,008−0,025— «-— «-
10проволока0,03−0,05— «-— «-
11проволока0,06−0,1— «-— «-
12проволока0,15−0,28— «-— «-
13проволока0,3−0,45— «-— «-
14проволока0,5−1— «-— «-
15электрод1,5−3— «-— «-
16электрод3,5−5— «-— «-
17электрод6−12,0— «-— «-
18электрод1−2,4×175— «-— «-
19электрод3−4,8×175— «-— «-
20электрод1−2,4×175— «-— «-
21электрод3−4,8×175— «-— «-
22проволока0,02−0,05Молибден— «-
23проволока0,06−0,1— «-— «-
24проволока0,15−0,28— «-— «-
25проволока0,3−0,45— «-— «-
26проволока0,5−3— «-— «-
27прут2−8,0— «-— «-
28прут10−18,0— «-— «-
29прут22−80— «-— «-
30листы0,2−0,5— «-— «-
31листы0,8−1— «-— «-
32листы1,5−4— «-— «-
33труба1,5; 7,2; 12; 15×0,1Тантал— «-
34труба8х0,15— «-— «-
35полоса0,02−0,05×40−120— «-— «-
36полоса0,1−0,5×40−120— «-— «-
37полоса0,15×150Ниобий— «-
38слитокхИндий— «-
39слитокх— «-— «-
40слитокх— «-— «-
41слитокх— «-— «-
42проволоках— «-— «-
43листы2х400×2000Цирконий— «-
44листы15x130x476— «-— «-
45прутФ70×235−250— «-— «-
46прутФ114×235— «-— «-
47прут— «-— «-
48трубаФ14×05Ниобий— «-
49трубаФ15×0,5— «-— «-
50трубаФ24х2— «-— «-
51трубаФ24х3— «-— «-
52трубаФ25х1— «-— «-
53трубаФ26х3— «-— «-
54трубаФ28х1— «-— «-
55трубаФ38х1— «-— «-
56трубаФ50×2,5— «-— «-
57листы3х330×330— «-— «-
58листы2х200×265−285— «-— «-
59листы1х170×210— «-— «-
60листы0,85x200x280— «-— «-
61листы4х170×400— «-— «-
62листы4,5x290x660— «-— «-
63листы5х205×510— «-— «-
64листы5х205×510— «-— «-
65полоса0,05×140— «-— «-
66полоса0,06×45— «-— «-
67полоса0,09−0,11×60−190×215−795— «-— «-
68полоса0,1×150−200— «-— «-
69полоса0,15×130— «-— «-
70полоса0,19−021×175−190×305−865— «-— «-
71полоса0,5×200— «-— «-
72прутФ 8×410−625— «-— «-
73прутФ 70×285— «-— «-
74прутФ 85×170— «-— «-
75прутФ 6×280−500— «-— «-
76прутФ 8×345−500— «-— «-
77прутФ 12×350−420— «-— «-
78прутФ 20— «-— «-
79прутФ 30×445— «-— «-
80прутФ 40×460— «-— «-
81прутФ 60×310— «-— «-
82прутФ 80×200— «-— «-
83проволокаФ 0,8— «-— «-
84проволокаФ 1,0— «-— «-
85проволокаФ 2,5— «-— «-
86прут— «-— «-
87заготовка— «-— «-
88прутA 117,5×230Сплав ниобия— «-
89прутФ72,5−79— «-— «-
90листы25x80x250— «-— «-
91прутФ 32— «-— «-
92прутФ 70×690— «-— «-
93прутФ 142×300— «-— «-
94прутФ 8Х645−1000— «-— «-

Характеристика

Тугоплавкие редкие металлы (с недостроенным электронным d-уровнем) относятся к переходным элементам четвертой, пятой, шестой группы периодической системы Д. И.

Менделеева, Данная особенность определяет целый ряд их химических и физических свойств: тугоплавкость — когда температура плавления может составить от 1660 градусов для титана до 3400 градусов для вольфрама, коррозионную стойкость, высокую прочность.

Переменная валентность этих элементов обуславливает многообразие различных химических соединений. Все они могут образовать твердые тугоплавкие карбиды, силициды, бориды.

Получение

Поскольку температура плавления тугоплавких металлов очень высокая, обычно применяют методы электронно-лучевой (дуговой) плавки или метод порошковой металлургии. Дальнейшая технология заключается в обработке полученного порошка либо пористой массы — губки. Спекание производят традиционной для порошковой металлургии электронно-лучевой либо дуговой плавкой.

Актуальность

Промышленное производство почти всех редких тугоплавких металлов по привлекательным рыночным ценам было налажено ещё до средины двадцатого столетия, а во второй половине двадцатого века начало развиваться бурными темпами, вызванными растущими потребностями ракетно-космической, авиационной, атомной промышленности. Сегодня Россия вошла в число неоспоримых лидеров по добыче, а также производству большей части тугоплавких материалов.

Применение

Для таких металлов характерна общность областей использования. Например, для легирования сталей — как компонент твердых жаропрочных сплавов. Многие из этих сплавов используются электронной, электровакуумной техникой.

Целый ряд современных отраслей зависит от конструкционных материалов на основе тугоплавких элементов.

Приборостроение, машиностроение, металлургия, химическая и атомная промышленность, не имеют равноценной альтернативы изделиям на основе титана, кобальта, молибдена, тантала, ванадия.

Вольфрам

Название металла переводится с немецкого языка как волчья пена. Это элемент шестой группы периодической таблицы Д. Менделеева. Атомный номер — 74, атомный вес — 183,9, плотность при комнатной температуре = 19,3 г/см3. Тугоплавкость составляет 3395 + 15 градусов. Электрическое сопротивление почти в 3 раза ваше, чем у меди.

Этот металл служит основой жаропрочных сплавов, а также самых твердых сталей (быстрорежущих инструментальных). Обработка его (ковка, прокатка, волочение) возможна только при нагреве. К минусам вольфрама относят очень высокую плотность, ломкость при низких температурах, малое сопротивление окислению при невысоких температурах.

Вольфрам придает жаропрочность, твердость, износоустойчивость элитным инструментальным сталям. Он буквально незаменим для деталей электровакуумных приборов, авиационных двигателей, нитей накаливания.

Его высокая плотность выгодна для противовесов артиллерийских снарядов, для пуль и для скоростных (до 180 тысяч оборотов в минуту) роторов гироскопов, которые стабилизируют полёт баллистический ракеты.

Твёрдые сплавы, созданные на основе карбида вольфрама, являются незаменимыми при механической обработке сталей и конструкционных неметаллических материалов (точение, фрезерование, долбление и строгание), а также во время бурения скважин. Сульфид вольфрама WS2 является очень качественной и жаростойкой смазкой (до 500 градусов). В производстве твердого электролита жаростойких элементов используется так называемая трехокись вольфрама.

Купить по выгодной цене

На складе ООО «Авек Глобал» — широчайший ассортимент продукции из редких и тугоплавких металлов. Мы предлагаем высококачественный товар по оптимальным ценам.

Наши специалисты готовы ответить на любые Ваши вопросы и помочь Вам при выборе необходимых материалов, а также предоставят всю необходимую информацию о продукции, ценах и сроках доставки. Цены зависят от объёма поставки и дополнительных условий.

При оптовых заказах предоставляются скидки. Приобретая продукцию компании «Авек Глобал», Вы найдете достойного партнера.

Pereosnastka.ru

Тугоплавкие сплавы

Категория:

Литейное производство

Тугоплавкие сплавы

Общепринятой границы по температуре плавления, которая бы четко отделяла тугоплавкие элементы от других, еще нет. В одних случаях такой температурой считают 1600 °С, а в других 1875 °С (температура плавления хрома).

Если принять температуру 1600 °С за величину нижнего предела температур плавления тугоплавких металлов, то к числу тугоплавких можно отнести металлы: V, W, Hf, Ir, Lu, Mo, Nb Os, Pt, Re, Rh, Та, Те, Th, Ti, Tc, Cr, Zr.

По температуре плавления перечисленные 18 металлов можно разделить на три подгруппы (по элементу, наиболее характерно представляющему тугоплавкость).1. Подгруппа хрома (температура плавления от 1600 до 2000 °С) — Ti, V, Cr, Zr, Rh, Lu, Pt, Th.2. Подгруппа молибдена (температура плавления от 2500 до 3000° С) — Мо, Тс, Та, Os.

3. Подгруппа вольфрама (температура плавления более 3000° С) — W, Re.

По плотности тугоплавкие металлы можно разделить на металлы:1) легкие (до 5 г!см3) — Ti;2) тяжелые (5-10 г/см3) — V, Cr, Zr, Nb, Lu;

3) очень тяжелые — Mo, Тс, Rh, Hf, Та, W, Os, Ir, Rt, Th.

Хром и ванадий по сравнению с другими тугоплавкими элементами имеют меньшую температуру плавления, однако из-за определенных недостатков (например, хром при температуре ниже 350 °С очень хрупок) их редко применяют в качестве основы тугоплавких сплавов.

При испытании растяжением гладких ненадрезанных образцов температура перехода вязкого разрушения в хрупкое составляет для ниобия 200 °С; тантала 196 °С; молибдена 0 °С; вольфрама 300 °С; хрома 350 °С.

При иномхарактере испытаний и наличии примесей температура перехода из вязкого состояния в хрупкое может измениться, однако общая тенденция сохраняется, что должно учитываться при выборе металла для соответствующих условий и в качестве основы сплава.

Сплавы на основе титана. Титан обладает низкой теплопроводностью (в 13 раз меньшей, чем у алюминия), низким модулем нормальной упругости (11 250 кгс/мм2), высоким электросопротивлением и значительной анизотропией некоторых физических свойств, обусловленной его гексагональной структурой.

Технический титан благодаря высокому сопротивлению коррозии является прекрасным материалом для химического машиностроения и приборостроения, а также для судостроения. Он используется для изготовления деталей насосов, применяемых для перекачки агрессивных жидкостей, теплообменников, работающих в условиях химически агрессивных сред и т. д.

Титан является основой новой группы сплавов с малой плотностью, высокой общей и удельной прочностью. Предел прочности при растяжении некоторых титановых сплавов превышает 150 кгс/мм2.

С учетом низкой плотности сплавы с такой прочностью эквивалентны стали с пределом прочности при растяжении 255 кгс/мм2.

Изделия из титановых сплавов хорошо работают при значительных отрицательных температурах, вплоть до температуры жидкого азота.

Тугоплавкие металлы — описание, изделия из тугоплавких Металлов |

Производство тугоплавких металлов

Определение “тугоплавкие металлы” не требует дополнительных пояснений в силу исчерпывающей информативности самого термина. Единственным нюансом остается пороговая температура плавления, после которой вещество можно считать тугоплавким.

Разногласия в критическом параметре

Одни источники устанавливают пороговую величину как 4000 F. В переводе на привычную шкалу это дает 2204 0С. Согласно этому критерию, к жаропрочным относятся только пять элементов: вольфрам, ниобий, рений, тантал и молибден. Например, температура плавления вольфрама составляет 3422 0С.

– плавка вольфрама водородной горелкой

Другое утверждение позволяет расширить класс температуростойких материалов, поскольку принимает за точку отсчета температуру плавления железа – 1539 0С. Это позволяет увеличить список еще на девять элементов, включив в него титан, ванадий, хром, иридий, цирконий, гафний, родий, рутений и осмий.

Существует еще несколько пороговых величин температуры, однако они не получили широкого распространения.

Следует отметить, что тугоплавкие материалы не ограничиваются исключительно металлами. К этой категории относится ряд соединений – сплавы и легированные металлы, разработанных, чтобы улучшить определенные характеристики исходного материала.

Относительно чистых элементов, можно привести наглядную таблицу степени их температурной устойчивости. Возглавляет ее самый тугоплавкий металл, известный на сегодня, – вольфрам с температурой плавления 3422 0С. Такая осторожная формулировка связана с попытками выделить металлы, обладающие порогом расплава, превосходящим вольфрам.

Поэтому вопрос, какой металл самый тугоплавкий, может в будущем получить совсем иное определение.

Пороговые величины остальных соединений приведены ниже:

  • рений 3186;
  • осмий 3027;
  • тантал 3014;
  • молибден 2623;
  • ниобий 2477;
  • иридий 2446;
  • рутений 2334;
  • гафний 2233;
  • родий 1964;
  • ванадий 1910;
  • хром 1907;
  • цирконий 1855;
  • титан 1668.

Остается добавить еще один интересный факт, касающийся физических свойств жапропрочных элементов. Температура плавления некоторых из них чувствительная к чистоте материала.

Ярким примером этому выступает хром, температура плавления которого может варьироваться от 1513 до 1920 0С, в зависимости от химического состава примесей.

Поэтому, данные интернет пространства часто разнятся точными цифрами, однако качественная составляющая от этого не страдает.

Хром в чистом виде

Общие свойства жаропрочных материалов

Относительная схожесть физико-химических характеристик данных элементов, обусловлена общностью атомного строения и тем, что они оказываются переходными металлами. Напротив, различия в свойствах, связаны с их принадлежностью к широкому спектру групп Периодической таблицы: IV – VII.

Базовая общая характеристика тугоплавких материалов – прочные межатомные связи. Для их разрыва требуется высокая энергия, которая и обуславливает температуру плавления в тысячи градусов по Цельсию. Дополнительно, данное свойство сказывается на высоких значениях таких параметров тугоплавких металлов, как: твердость, механическая прочность, электрическое сопротивление.

Следующая характеристика, объединяющая данные элементы, – высокая химическая активность.

Она связана с общей тенденцией тугоплавких металлов образовывать химические связи посредством свободной p- и частично заполненной d-орбитали, отдавая электроны с наружных уровней s и d.

Это свойство затрудняет получение чистых тугоплавких металлов, разбивая технологическое производство на несколько этапов.

Строение жаропрочных элементов также идентично, все они характеризуются объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой. Для этой структуры характерно “охрупчивание”. Исключение составляет рений, обладающий гексагональной ячейкой. Переход в хрупкое состояние для каждого металла происходит при определенной температуре, регулирование которой достигается при помощи легирования.

Каждый тугоплавкий металл, по определению жаропрочный, однако не любой из них жаростойкий. Большинство тугоплавких металлов устойчивы к окислению и действию агрессивных сред: кислоты, щелочи; в обычных условиях.

Однако, с повышением температуры до 400 0С их активность аномально возрастает. Это требует создания определенных условий эксплуатации.

Поэтому, изделия из тугоплавких металлов, при повышенных температурах использования, часто помещают в атмосферу инертных газов или добиваются степени разреженности воздуха до условий вакуума.

Получение тугоплавких материалов

Как отмечалось ранее, основной препятствующий фактор производству жаропрочных металлов их высокая химическая активность, препятствующая выделению элементов в чистом виде.

Основной технологией получения остается порошковая металлургия. Данная методика позволяет получать порошки тугоплавких металлов различными способами:

  1. Восстановление триоксидом водорода. Процесс производится в несколько этапов, внутри многотрубных печей при 750 – 950 °С. Технология применима под порошки тугоплавких металлов: вольфрам и молибден.
  2. Восстановлением водородом перрената. Схема реализуется в производстве металлического рения. Рабочие температуры составляют около 500 °С. Заключительная стадия предусматривает отмывание порошка от щелочи. Для этого последовательно используется горячая вода и раствор соляной кислоты.
  3. Использование солей металлов. Технология развита для выделения молибдена. Основным сырьем выступает аммонийная соль металла и его металлический порошок, вводимый в смесь на уровне 5 – 15% от массы. Состав проходит термическую обработку 500 – 850 °С в проточном инертном газе. Восстановление металла проходит в атмосфере водорода при температурах 800 – 1000 °С.

Производство тугоплавких металлов – порошковая металлургия

Экскурсия на производство

Способы получения жаропрочных металлов продолжают совершенствоваться, как и химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, что связано с развитием ядерной энергетики, авиастроения, появлением новых моделей ракетных двигателей.

Одно из крупнейших предприятий по производству вольфрама на территории РФ – унечский завод тугоплавких металлов. Этот предприятие относительно молодое, строительство его началось в 2007 году на территории населенного пункта Унеча. Производственный акцент завода направлен на порошки тугоплавких металлов, точнее вольфрама и его карбидов.

В дальнейшем, для получения слитков рассыпчатую массу спекают или сдавливают прессом. Подобным образом порошки тугоплавких металлов обрабатываются для производства жаропрочных изделий.

Применение тугоплавких материалов

Применение чистых жаропрочных металлов имеет приоритеты по ряду направлений:

  • производство космических кораблей;
  • изготовление управляемых снарядов, ракет;
  • электронная и вакуумная техника.

Космическая промышленность

Последний пункт затрагивает электроды электровакуумных радиоламп. Например, высокочистый ниобий используется для производства сеток, трубок электронных деталей. Также из него изготавливаются электроды – аноды электровакуумных приборов.

Электровакуумные радиолампы

Аналогичное применение свойственно молибдену, вольфраму. Эти металлы в чистом виде используются не только как нити накаливания, но и под электроды радиоламп, крючки, подвески электровакуумного оборудования. Монокристаллы вольфрама, напротив, эксплуатируются как подогреватели электродов, в частности катодов, а также при изготовлении электрических контактов, предохранителей.

Чистые ванадий и ниобий используются в ядерной энергетике, где их них изготовлены трубы атомных реакторов, оболочки тепловыделяющих элементов. Область применения высокочистого тантала – химия (посуда и аппаратура), поскольку металл обладает высокой стойкостью к коррозии.

Отдельно следует рассматривать тугоплавкий припой, поскольку он не включает металлов, имеющих высокие температуры плавления. Например, тугоплавкое олово не содержит порошки тугоплавких металлов. В качестве добавок тут используются медь, серебро, никель или магний.

Тугоплавкие металлы и сплавы востребованы как прокат, так и в других сферах. В частности, применение сплавов обусловлено способностью, модифицировать определенные свойства металла: понизить температуру охрупчивания, улучшить жаропорочные характеристики.

Прокат из тугоплавких металлов достаточно широк по ассортименту и включает:

  • полосы обычные и для глубокой вытяжки;

Термоэлектродная проволока вольфрам-рениевая

Наиболее крупным отечественным производителем данного типа продукции выступает опытный завод тугоплавких металлов и твердых сплавов.

– Вольфрам – 184

Тугоплавкие металлы

Производство тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы были выделены в отдельный класс благодаря объединяющему их свойству — высокой температуре плавления. Она выше, чем у железа, которая равна 1539 °C.

Поэтому металлы данной группы и получили такое название. Они принадлежат к числу так называемых редкоземельных элементов.

Так, например, по распространённости в земной коре ниобий и тантал составляют 3%, а цирконий только 2%.

Тугоплавкие металлы

По температурному показателю плавления кроме перечисленных, к ним относятся металлы, так называемой платиновой группы. Ещё их называют благородными или драгоценными.

Определённая схожесть строения атома обусловила схожесть их свойств. На основании этого можно обобщить некоторые черты проявления таких металлов в земной коре и определиться с технологией их добычи, производства и переработки.

Свойства тугоплавких металлов

За счёт того, что они расположены в соседних группах периодической таблицы, физические свойства у тугоплавких металлов достаточно близкие:

  • Плотность металла колеблется в интервале от 6100 до 10000 кг/м3. По этому показателю выделяется только вольфрам. У него он равен 19000 кг/м3.
  • Температура плавления. Она превышает температуру плавления железа и колеблется от 1950 °С у ванадия до 3395 °С у вольфрама.
  • Удельная теплоёмкость у них незначительно отличается друг от друга и находится в пределах от 200 до 400 Дж/(кг-град).
  • Коэффициент теплопроводности сильно меняется от элемента к элементу. Если у ванадия он равен 31 Вт/(м-град), то у вольфрама он достигает величины в 188 Вт/(м-град).

Физические свойства тугоплавких металлов

Химические свойства также достаточно схожие:

  • Очень похожее строение атома.
  • Обладают высокой химической активностью. Это свойство определяет основные трудности при сохранении стабильности их соединений.
  • Прочность межатомных связей определяет высокую температуру плавления. Это обстоятельство объясняет высокую механическую прочность, твёрдость и электрические характеристики (в частности сопротивление).
  • Проявляют хорошую устойчивость при воздействии различных кислот.

К основным недостаткам тугоплавких металлов относятся:

  • Низкая коррозийная стойкость. Процесс окисления происходит достаточно быстро. Его разделяют на две последовательные стадии. Непосредственное взаимодействие металла с кислородом окружающего воздуха, что приводит к образованию оксидной плёнки. На второй стадии происходит процесс диффузии (проникновения) атомов кислорода через образовавшуюся оксидную плёнку.
  • Трудности со свариваемостью тугоплавких металлов. Это вызвано высокой химической активностью к окружающему воздуху при высоких температурах, хрупкостью при насыщении различными примесями. Кроме того, трудно определить точку перегрева и практически невозможно контролировать повышение предела текучести.
  • Трудности их получения использования в чистом виде без примесей.
  • Необходимость применения специальных покрытий от быстрого окисления. Для сплавов, основу которых составляет вольфрам и молибден, разработаны силицидные покрытия.
  • Трудности, связанные с механической обработкой. Для качественной обработки их сначала необходимо нагреть.

Производство тугоплавких металлов

Все способы производства тугоплавких металлов основаны на методиках так называемой порошковой металлургии. Сам процесс происходит в несколько этапов:

  1. На начальном этапе получают порошок металла.
  2. Затем методами химического восстановления (обычно аммонийных солей или оксидов) выделяют требуемый металл. Такое выделение получается в результате воздействия на порошок водорода.
  3. На завершающем этапе получают химическое соединение, называемое гексафторидом соответствующего металла, и уже из него сам металл.

Применение тугоплавких металлов

Начиная со второй половины двадцатого века тугоплавкие металлы стали применяться во многих отраслях промышленного производства. Порошки тугоплавких металлов используются для производства первичной продукции. Тугоплавкие металлы вырабатывают в виде проволоки, слитков, арматуры, прокатного металла и фольги.

Отдельное место такие металлы занимают в технологии выращивания лейкосапфиров. Они относятся к классу монокристаллов и называются искусственными рубинами.

Изделия из тугоплавких металлов входят в состав бытовых и промышленных электрических приборов, огнеупорных конструкций, деталей для двигателей авиационной и космической техники. Особое место занимают тугоплавкие металлы при производстве деталей сложной конфигурации.

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.

Вольфрам

Для улучшения свойств вольфрама (тугоплавкости, устойчивости к коррозии, износостойкости) в него добавляют легирующие металлы. Например, рений и торий.

Металл используется для производства нитей накаливания для  осветительных и сушильных ламп. Его добавляют в сварочные электроды, элементы электронных ламп и рентгеновских трубок. Также применяется при производстве элементов ракет, в реактивных двигателях, артиллерийских снарядах.

По внешнему виду и характеристикам очень похож на вольфрам. Главным отличием является то, что его удельный вес почти в два раза меньше. Его получают аналогичным образом.

Он широко применяется в радиоэлектронной промышленности, для изготовления различных испарителей в вакуумной технике, разрывных электрических контактов. Как и вольфрам, он является парамагнетиком.

Для изготовления электродов стекловаренных (стеклоплавильных) печей он просто незаменим.

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.

Ниобий

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.

Тантал

Внешне имеет светло-серый цвет с небольшим голубоватым оттенком. Температура плавления близка к 3000 °С. Хорошо поддается основным видам обработки. Его можно ковать, прокатывать, производить волочение для изготовления проволоки.

Эти операции не требуют значительного нагрева. Для удобства дальнейшего использования тантал изготавливают в форме фольги и тонких листов.

Повышение температуры вызывает активное взаимодействие со всеми газами, кроме инертных – с ними никаких реакций не наблюдается.

Тантал

Из тантала производят внутренние элементы генераторных ламп (магнетронов и клистронов). Он активно используется при производстве пластин в электролитических конденсаторах. Очень удобен для изготовления пленочных резисторов. Активно применяется для изготовления так называемых лодочек в испарителях, в которых осуществляется термическое напыление различных материалов на тонкие пленки.

Ввиду ряда своих уникальных качеств, считается незаменимым в ядерной, аэрокосмической и радиоэлектронной промышленности.

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

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.

Кристаллы хрома

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.

Сделай сам
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: