Тугоплавкие металлы - Refractory metals

ЧАС Он
ЛиБыть BCNОFNe
NaMg AlSiпSClAr
KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeВ качествеSeBrKr
Руб.SrYZrNbПнTcRURhPdAgCDВSnSbTeяXe
CSБаЛа*HfТаWReОперационные системыIrPtAuHgTlPbБиПоВRn
ПтРаAc**RfDbSgBhHsMtDsRgCnNhFlMcLvЦOg
 
 *CePrNdВечераСмЕвропаБ-гTbDyХоЭТмYbЛу
 **ЧтПаUNpПуЯвляюсьСмBkCfEsFMМкрНетLr
  Тугоплавкие металлы
  Более широкое определение тугоплавких металлов[1]

Тугоплавкие металлы являются классом металлы которые чрезвычайно устойчивы к высокая температура и носить. Выражение в основном используется в контексте материаловедение, металлургия и инженерное дело. Определение того, какие элементы принадлежат к этой группе, различается. Наиболее распространенное определение включает пять элементов: два из пятый период (ниобий и молибден ) и три из шестой период (тантал, вольфрам, и рений ). Все они имеют общие свойства, в том числе температуру плавления выше 2000 ° C и высокую температуру. твердость при комнатной температуре. Они химически инертны и имеют относительно высокую плотность. Их высокие температуры плавления делают порошковая металлургия метод выбора для изготовление компоненты из этих металлов. Некоторые из их приложений 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 деформация ползучести до очень высоких температур.

Определение

В большинстве определений термина «тугоплавкие металлы» чрезвычайно высокая температура плавления указывается в качестве ключевого требования для включения. Согласно одному определению, для квалификации необходима температура плавления выше 4000 ° F (2200 ° C).[2] Пять элементов ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений включены во все определения,[3] в то время как более широкое определение, включающее все элементы с температурой плавления выше 2123 K (1850 ° C), включает различное количество из девяти дополнительных элементов: титан, ванадий, хром, цирконий, гафний, рутений, родий, осмий и иридий. В искусственные элементы, будучи радиоактивными, никогда не считаются частью тугоплавких металлов, хотя технеций имеет температуру плавления 2430 K или 2157 ° C и резерфорд прогнозируется, что его температура плавления составляет 2400 K или 2100 ° C.[4]

Характеристики

Физический

Свойства тугоплавких металлов
ИмяНиобийМолибденТанталВольфрамРений
Период55666
Температура плавления K27502896329036953459
Точка кипения K50174912573158285869
Температура плавления ° C24772623301734223186
Точка кипения ° C47444639545855555596
Плотность г · см−38.5710.2816.6919.2521.02
Модуль для младших ГПа105329186411463
Твердость по Виккерсу МПа1320153087334302450

Температура плавления тугоплавких металлов самая высокая для всех элементов, кроме углерод, осмий и иридий. Эта высокая температура плавления определяет большинство их применений. Все металлы объемно-центрированный кубический кроме рения, который шестиугольный плотно упакованный. Большинство физических свойств элементов этой группы значительно различаются, потому что они являются членами разных группы.[5][6]

Сопротивление ползучести - ключевое свойство тугоплавких металлов. В металлах начало ползучести коррелирует с точкой плавления материала; ползучесть в алюминиевых сплавах начинается при 200 ° C, тогда как для тугоплавких металлов необходимы температуры выше 1500 ° C. Эта стойкость к деформации при высоких температурах делает тугоплавкие металлы пригодными для противодействия сильным воздействиям при высоких температурах, например, в реактивные двигатели, или инструменты, используемые во время ковка.[7][8]

Химическая

Тугоплавкие металлы демонстрируют широкий спектр химических свойств, поскольку они входят в три отдельные группы в периодическая таблица. Они легко окисляются, но в массивном металле эта реакция замедляется за счет образования стабильных оксидных слоев на поверхности. В частности, оксид рения более летуч, чем металл, и поэтому при высокой температуре теряется стабилизация против воздействия кислорода, поскольку оксидный слой испаряется. Все они относительно устойчивы к кислотам.[5]

Приложения

Тугоплавкие металлы используются в освещение, инструменты, смазочные материалы, ядерная реакция стержни управления, так как катализаторы, и для их химический или электрические свойства. Из-за их высокого температура плавления, компоненты из тугоплавких металлов никогда не производятся Кастинг. Используется процесс порошковой металлургии. Порошки чистого металла уплотняются, нагреваются электрическим током и затем изготавливаются методом холодной обработки с отжигом. Тугоплавкие металлы можно обрабатывать провод, слитки, арматура, листы или же фольга.

Молибденовые сплавы

Основные статьи: Молибден и Молибден § Применения

Сплавы на основе молибдена широко используются, поскольку они дешевле, чем сплавы вольфрама более высокого качества. Наиболее широко используемый сплав молибдена - это Титан -Zирконий -Mолибденовый сплав TZM, состоящий из 0,5% титана и 0,08% циркония (остальное - молибден). Сплав демонстрирует более высокое сопротивление ползучести и прочность при высоких температурах, что позволяет использовать материал при температурах выше 1060 ° C. Высокое сопротивление Mo-30W, сплава, состоящего 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.[9]

Молибден используется в герконовые реле с ртутным контактом, потому что молибден не образует амальгамы и поэтому устойчив к коррозии жидкостью Меркурий.[10][11]

Молибден - наиболее часто используемый из тугоплавких металлов. Его наиболее важное использование в качестве укрепляющего сплав из стали. Структурные трубы и трубопровод часто содержит молибден, как и многие нержавеющая сталь. Его прочность при высоких температурах, износостойкость и низкая коэффициент трения все эти свойства делают его бесценным легирующим составом. Его отличная анти-трение свойства приводят к его включению в смазки и масла где надежность и производительность имеют решающее значение. Автомобильная промышленность шарниры равных угловых скоростей используйте смазку, содержащую молибден. Состав легко прилипает к металлу и образует очень твердое, устойчивое к трению покрытие. Большая часть молибдена в мире руда можно найти в Китае, Соединенные Штаты Америки, Чили и Канада.[12][13][14][15]

Вольфрам и его сплавы

Основные статьи: Вольфрам и Вольфрам § Применения

Вольфрам был открыт в 1781 г. Шведский химик, Карл Вильгельм Шееле. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления из всех металлов - 3410° C (6,170 ° F ).

Нить лампы накаливания мощностью 200 Вт с большим увеличением

До 22% рения легировано вольфрамом для повышения его жаропрочности и коррозионной стойкости. Торий в качестве легирующего соединения используется при возникновении электрической дуги. Зажигание легче, и дуга горит более стабильно, чем без добавления тория. В порошковой металлургии в процессе спекания должны использоваться связующие. Для производства тяжелого сплава вольфрама используются связующие смеси никель и утюг или никель и медь широко используются. Содержание вольфрама в сплаве обычно превышает 90%. Распространение связующих элементов в зерна вольфрама невелико даже на спекание температуры и, следовательно, внутренняя часть зерен - чистый вольфрам.[16]

Вольфрам и его сплавы часто используются в приложениях, где присутствуют высокие температуры, но все же необходима высокая прочность, а высокая плотность не вызывает проблем.[17] Нити из вольфрамовой проволоки обеспечивают подавляющее большинство бытовых лампы накаливания, но также широко используются 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 важна для применения в качестве нити накаливания.[18] Газовая вольфрамовая дуговая сварка (GTAW, также известная как сварка вольфрамовым инертным газом (TIG)) в оборудовании используется постоянный, неплавящийся электрод. Высокая температура плавления и износостойкость против электрической дуги делают вольфрам подходящим материалом для изготовления электрода.[19][20]

Высокая плотность и прочность вольфрама также являются ключевыми характеристиками для использования в оружии. снаряды, например, как альтернатива обедненному урану для танковых орудий.[21] Его высокая температура плавления делает вольфрам хорошим материалом для таких применений, как сопла ракет, например в UGM-27 Polaris.[22] Некоторые применения вольфрама связаны не с его тугоплавкими свойствами, а просто с его плотностью. Например, его используют в балансирах для самолетов и вертолетов или для головных уборов. гольф-клубы.[23][24] В этих приложениях также могут использоваться аналогичные плотные материалы, такие как более дорогой осмий.

Чаще всего вольфрам используется в качестве соединения карбид вольфрама в сверла, обрабатывающий и режущий инструмент. Самые большие запасы вольфрама находятся в Китай, с депозитами в Корея, Боливия, Австралия, и другие страны.

Он также служит смазка, антиоксидант, в форсунках и втулках, в качестве защитного покрытия и многими другими способами. Вольфрам можно найти в печатных красках, рентгеновский снимок экраны фотографические химикаты,[сомнительный – обсуждать] в обработке нефть продукты и огнестойкость текстиль.

Ниобиевые сплавы

Основные статьи: Ниобий § Приложения, и Ниобиевый сплав
Изображение служебного модуля Apollo на фоне луны
Apollo CSM с темным соплом ракеты из ниобий-титанового сплава

Ниобий почти всегда встречается вместе с танталом и был назван в честь Ниоба, дочь мифический Греческий король Тантал в честь которого был назван тантал. Ниобий имеет множество применений, в некоторых из которых он разделяет другие тугоплавкие металлы. Он уникален тем, что его можно обрабатывать путем отжига для достижения широкого диапазона прочности и эластичность, и является наименее плотным из тугоплавких металлов. Его также можно найти в электролитические конденсаторы и в наиболее практичных сверхпроводящий сплавы. Ниобий можно найти в самолет газовые турбины, вакуумные трубки и ядерные реакторы.

Сплав, используемый для жидкостная ракета сопла подруливающих устройств, например, в главном двигателе Лунные модули Аполлона, представляет собой C103, который состоит из 89% ниобия, 10% гафния и 1% титана.[25] Другой ниобиевый сплав использовался для сопла Сервисный модуль Apollo. Поскольку ниобий окисляется при температурах выше 400 ° C, для этих применений необходимо защитное покрытие, чтобы сплав не стал хрупким.[25]

Тантал и его сплавы

Основные статьи: Тантал и Тантал § Применения

Тантал - один из самых коррозия доступны устойчивые вещества.

Благодаря этому свойству тантала было найдено много важных применений, особенно в медицинский и хирургический полей, а также в суровых кислый среды. Он также используется для изготовления высококачественных электролитических конденсаторов. Танталовые пленки занимают второе место по количеству емкость на объем любого вещества после Аэрогель,[нужна цитата ] и разрешить миниатюризация из электронные компоненты и схема. Много сотовые телефоны и компьютеры содержат танталовые конденсаторы.

Рениевые сплавы

Основная статья: Рений

Рений - это самый недавно открытый тугоплавкий металл. Он находится в низких концентрациях со многими другими металлами, в рудах других тугоплавких металлов, платина или же медь руды. Он используется в качестве сплава с другими тугоплавкими металлами, где он добавляет пластичность и предел прочности. Рениевые сплавы используются в электронных компонентах, гироскопы и ядерные реакторы. Рений находит наиболее 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.[26]

Преимущества и недостатки

Тугоплавкие металлы и сплавы привлекают внимание исследователей своими замечательными свойствами и многообещающей практической полезностью.

Физические свойства тугоплавких металлов, таких как молибден, тантал и вольфрам, их прочность и высокотемпературная стабильность делают их подходящими материалами для горячей металлообработка приложений и для вакуумная печь технологии. Эти свойства используются во многих специальных областях применения: например, нити вольфрамовых ламп работают при температурах до 3073 К, а обмотки молибденовых печей выдерживают до 2273 К.

Однако плохая технологичность при низких температурах и экстремальные окисляемость при высоких температурах это недостатки большинства тугоплавких металлов. Взаимодействие с окружающей средой может существенно повлиять на их сопротивление ползучести при высоких температурах. 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 K до приблизительно 1900 K. Окружающая среда не должна взаимодействовать с рассматриваемым материалом. Жидкость щелочных металлов поскольку используются теплоносители, а также сверхвысокий вакуум.

Высокотемпературный слизняк напряжение сплавов должны быть ограничены для их использования. Деформация ползучести не должна превышать 1-2%. Дополнительной сложностью при изучении ползучести тугоплавких металлов является взаимодействие с окружающей средой, которое может существенно повлиять на ползучесть.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Международный журнал тугоплавких металлов и твердых материалов». Эльзевир. Получено 2010-02-07.
  2. ^ Бауччо, Майкл; Американское общество металлов (1993). «Тугоплавкие металлы». Справочник по металлам ASM. ASM International. С. 120–122. ISBN  978-0-87170-478-8.
  3. ^ Металлы, поведение; Уилсон, Дж. У (1965-06-01). «Общее поведение тугоплавких металлов». Поведение и свойства тугоплавких металлов. С. 1–28. ISBN  978-0-8047-0162-4.
  4. ^ Дэвис, Джозеф Р. (2001). Легирование: понимание основ. С. 308–333. ISBN  978-0-87170-744-4.
  5. ^ а б Борисенко, В. А. (1963). «Исследование температурной зависимости твердости молибдена в диапазоне 20–2500 ° С». Советская порошковая металлургия и металлокерамика. 1 (3): 182. Дои:10.1007 / BF00775076.
  6. ^ Фатхи, Хабаши (2001). «Историческое введение в тугоплавкие металлы». Обзор переработки полезных ископаемых и добывающей металлургии. 22 (1): 25–53. Дои:10.1080/08827509808962488.
  7. ^ Шмид, Калпакчян (2006). "Слизняк". Технологии производства и технологии. Пирсон Прентис Холл. С. 86–93. ISBN  978-7-302-12535-8.
  8. ^ Веронски, Анджей; Hejwowski, Tadeusz (1991). «Ползучие материалы». Термическая усталость металлов. CRC Press. С. 81–93. ISBN  978-0-8247-7726-5.
  9. ^ Смоллвуд, Роберт Э. (1984). «Молибденовый сплав ТЗМ». Специальная техническая публикация ASTM 849: Тугоплавкие металлы и их промышленное применение: симпозиум. ASTM International. п. 9. ISBN  978-0-8031-0203-3.
  10. ^ Козбагарова, Г. А .; Мусина, А. С .; Михалева, В. А. (2003). «Коррозионная стойкость молибдена в ртути». Защита металлов. 39 (4): 374–376. Дои:10.1023 / А: 1024903616630.
  11. ^ Гупта, К. К. (1992). «Электрическая и электронная промышленность». Добывающая металлургия молибдена. CRC Press. С. 48–49. ISBN  978-0-8493-4758-0.
  12. ^ Мадьяр, Майкл Дж. «Товарный обзор 2009: молибден» (PDF). Геологическая служба США. Получено 2010-04-01.
  13. ^ Эрвин, Д. Р .; Bourell, D. L .; Persad, C .; Рабенберг, Л. (1988). «Структура и свойства высокоэнергетического, высокопрочного консолидированного молибденового сплава ТЗМ». Материаловедение и инженерия: A. 102: 25. Дои:10.1016/0025-5416(88)90529-0.
  14. ^ Олег Д., Нейков (2009). «Свойства порошка молибдена и молибденовых сплавов». Справочник по порошкам цветных металлов: технологии и применение. Эльзевир. С. 464–466. ISBN  978-1-85617-422-0.
  15. ^ Дэвис, Джозеф Р. (1997). «Огнеупорные металлы и сплавы». Справочник по специальности ASM: Термостойкие материалы. С. 361–382. ISBN  978-0-87170-596-9.
  16. ^ 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.
  17. ^ Национальный исследовательский совет (США), Группа по вольфраму, Комитет по техническим аспектам критических и стратегических материалов (1973). Тенденции использования вольфрама: отчет. Национальный исследовательский совет, Национальная академия наук - Национальная инженерная академия. С. 1–3.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  18. ^ Ласснер, Эрик; Шуберт, Вольф-Дитер (1999). Вольфрам: свойства, химия, технология элемента, сплавы и химические соединения. Springer. ISBN  978-0-306-45053-2.
  19. ^ Харрис, Майкл К. (2002). «Здоровье и безопасность при сварке». Здоровье и безопасность при сварке: практическое руководство для профессионалов в области OEHS. АМСЗ. п. 28. ISBN  978-1-931504-28-7.
  20. ^ Гальвери, Уильям Л .; Марлоу, Фрэнк М. (2001). Основы сварки: вопросы и ответы. Industrial Press Inc. стр.185. ISBN  978-0-8311-3151-7.
  21. ^ Lanz, W .; Odermatt, W .; Weihrauch3, G. (7–11 мая 2001 г.). КИНЕТИЧЕСКИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЕКТЫ: ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ, ТЕНДЕНЦИИ (PDF). 19-й Международный симпозиум по баллистике. Интерлакен, Швейцария.
  22. ^ Рамакришнан, П. (01.01.2007). «Порошковая металлургия для аэрокосмической промышленности». Порошковая металлургия: обработка для автомобильной, электротехнической / электронной и машиностроительной промышленности. New Age International. п. 38. ISBN  81-224-2030-3.
  23. ^ Арора, Арран (2004). «Тяжелый вольфрамовый сплав для оборонных целей». Технология материалов. 19 (4): 210–216.
  24. ^ Moxson, V.S .; (Сэм) Froes, F.H. (2001). «Изготовление компонентов спортивного инвентаря методом порошковой металлургии». JOM. 53 (4): 39. Bibcode:2001JOM .... 53d..39M. Дои:10.1007 / s11837-001-0147-z.
  25. ^ а б Хебда, Джон (2001-05-02). «Ниобиевые сплавы и применение при высоких температурах» (PDF). Наука и технология ниобия: Материалы международного симпозиума Niobium 2001 (Орландо, Флорида, США). Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração. Архивировано из оригинал (pdf) 17 декабря 2008 г.
  26. ^ Уилсон, Дж. У. (1965). «Рений». Поведение и свойства тугоплавких металлов. Издательство Стэнфордского университета. ISBN  978-0-8047-0162-4.

дальнейшее чтение

  • Левитин, Валим (2006). Высокотемпературная деформация металлов и сплавов: физические основы. ВИЛИ-ВЧ. ISBN  978-3-527-31338-9.
  • Бруннер, Т. (2000). «Химический и структурный анализ частиц аэрозоля и летучей золы от установок сжигания биомассы с неподвижным слоем с помощью электронной микроскопии». 1-я Всемирная конференция по биомассе для энергетики и промышленности: материалы конференции, состоявшейся в Севилье, Испания, 5–9 июня 2000 г.. Лондон: James & James Ltd. ISBN  1-902916-15-8.
  • Спинк, Дональд (1961). «Реактивные металлы. Цирконий, гафний и титан». Промышленная и инженерная химия. 53 (2): 97–104. Дои:10.1021 / ie50614a019.
  • Хейс, Эрл (1961). «Хром и ванадий». Промышленная и инженерная химия. 53 (2): 105–107. Дои:10.1021 / ie50614a020.