Свойства тугоплавких металлов и сплавов

Металлы, которые плохо поддаются расплавке, называются тугоплавкими. Технически в эту группу входят пять основных и 9 дополнительных элементов периодической системы. Основными тугоплавкими металлами признаются те, что имеют температуру расплава больше 2-х тысяч градусов по Цельсию. Это ниобий, рений, тантал, молибден и вольфрам. К дополнительным тугоплавким металлоэлементам принято относить те из них, чья температура плавления составляет порядка 1700-1850 градусов по Цельсию. Это три элемента четвертого периода (титан, ванадий, хром), три элемента пятого периода (цирконий, рутений, родий) и три элемента шестого периода (гафний, осмий, иридий).


Столь высокая тугоплавкость металлов достигается благодаря строению их атомов. В них находятся электроны двух видов: обычные s-электроны и особые d-электроны. Последние, благодаря своему близкому расположению, делают связи между атомами очень прочными. Прочными настолько, что металл требуется нагреть на пару тысяч градусов, чтобы разорвать эти связи.

 

Тугоплавкие металлы и сплавы

 

С химической точки зрения такие металлы похожи. Они легко образуют естественные хим. соединения, потому найти их в чистом виде не возможно. На открытом воздухе вступают в реакцию с кислородом, однако при нормальных температурах реакция идет вяло, а на поверхности металла образует защитная пленка. Зато если неплавкий металл нагреть, реакция ускорится во много раз, а материал будет подвержен коррозии, станет хрупким и потеряет часть своих природный свойств. Похожим образом на некоторые неплавкие металлы действуют углерод, водород и азот. Именно поэтому тугоплавкие материалы предпочитают использовать в вакууме, оградив от влияния "опасных" веществ.


Такие похожие химически, физические свойства тугоплавких металлов весьма различны, что обусловлено разностью форм их кристаллических решеток. У одних она гексагональная, а у других - кубическая, объемно центрированная. Отсюда и отличия в плотности, твердости и сопротивляемости сжатию.

 

Тугоплавкие металлы и сплавы

 

Однако исследования не стоят на месте, а потому сейчас большинство свойств тугоплавких элементов можно скорректировать путем их легирования, то есть получения сплавов. Сплавы на основе неплавких металлов сохраняют свою непревзойденную устойчивость к воздействия высоких температур и сопротивление к деформированию. При этом они еще и приобретают такие полезные свойства, как большая или меньшая пластичность, коррозионостойкость, жаропрочность, упругость и пр.


Две трети всех неплавких металлов получают из руды, а точнее их так называемых рудных концентратов. Это значит, что помимо основного элемента в руде находится множество вспомогательных. Прежде чем получится хоть грамм тугоплавкого элемента необходимо концентрат "распилить", химически очистить от всего ненужного, а затем восстановить или, как еще говорят, рафинировать. В зависимости от того, насколько чистый металл нужен, используют дугообразную, электронно-лучевую или плазменную плавку. В последней получаются металлы самого лучшего вида. Готовые тугоплавкие металлоэлементы представляют собой порошок или гранулы, правда иногда их сразу подвергают обработке и получают тугоплавкие заготовки - листы, пленку, трубы, нити и пр. Получением как заготовок, так и чистых металлов занимаются заводы тугоплавких металлов и сплавов. Один из старейших в России - ОАО "Опытный завод тугоплавких металлов и твёрдых сплавов" - работает в данной сфере с 48-го года XX века. Еще один советский, а ныне Узбекский завод - ОАО "УзКТЖМ", существует с 1956 года.


Применение тугоплавких металлов основано на максимально эффективном использовании их природных свойств. Среди отраслей народного хозяйства, прибегающих к помощи тугоплавких металлоэлементов, можно выделить строительство машин, судов, космических аппаратов и их деталей, атомную энергетику, ядерную промышленность и химическую промышленность, электроснабжение и металлургию. При этом практически нигде тугоплавкие металлоэлементы не используются "в живую", обычно для этих целей берут их различные сплавы.

 

Свойства самых тугоплавких металлов

 

 

 

Так самый тугоплавкий металл в мире (вольфрам) обычно легируется рением, торием, никелем при участии меди и/или железа. Первый делает сплав более коррозионстойким, второй - более надежным, а третий - придает небывалую плотность. Следует обратить внимание, что во всех сплавах вольфрама содержится не более 4/5. Из-за того, что вольфрам одновременно и твердый, и тугоплавкий его обычно применяют в электроснабжении, строении приборов, изготовлении оружия, снарядов, боеголовок и ракет. Более плотные сплавы (на базе никеля) применяют для производства клюшек для игры в гольф. Вольфрам образует и так называемые псевдосплавы. Дело в том, что в них металл не легируется, а наполняется жидким серебром или медью. За счет разницы в температурах расплава получаются лучшие тепло и электропроводные свойства.

 

Вольфрам

 

Молибден в отличие от вольфрама можно легировать лишь не некоторые сотые долей и получать при этом отличные свойства. Основными легирующими элементами молибдена являются: титан+цирконий и вольфрам. С последним сплав получается чрезвычайно инертным, с большим сопротивлением. Это дает возможность использовать его для изготовления форм для литья цинковых деталей. Особое направления использования молибдена - в качестве легирующего элемента в стальных сплавах. Сплавы сталь+молибден обладают хорошей износостойкостью и невысокими показателями трения. Сталь+молибден применяют в для изготовления труб, трубных конструкций, автомобиле и машиностроении.

 

Молибден

 

Ниобий и тантал как братья, всегда находятся рядом. И тот и другой применяют в изготовлении электролитических конденсаторов .Ниобий иногда также легируют  гафнием и титаном, чтобы он не вступал в реакцию с кислородов во время нагрева. Отжиг ниобия позволяет получать металл с разными коэффициентами упругости и твердости. Ниобий можно встретить в электроснабжении, ракето- и судостроении, ядерной промышленности и пр. Тантал же благодаря своей инертности к кислотам используется в медицине и производстве высокоточной электроники.

 

Тантал

 

Самый редкий и самый дорогой металл из представленных - рений. Его сложно добывать, поэтому в сплавах он выступает не в качестве основного элемента, а в качестве легирующего. Нередким является его применение с медью и платиной. Рений упрочняет такие образования и улучшает их способность к ковке. Используется в ядерной, химической (катализатор) и электронной промышленностях.


Использование полезных свойств тугоплавких металлов и сплавов рассматривается учеными всего мира, как весьма перспективное направление научных изысканий.

Ссылка на promplace.ru обязательна
Похожие статьи
Марки конструкционных сталей
Щелочноземельные металлы
Свойства амфотерных металлов
Как используется броневая сталь
Свойства алюминия
Изготовление булатной стали