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.

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.

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.

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.

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.