Изделия из тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы

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%.

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/м 3 . По этому показателю выделяется только вольфрам. У него он равен 19000 кг/м 3 .
  • 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.

Вольфрам

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.

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.

Молибден

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.

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.

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 — 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.

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.

Тугоплавкие металлы – описание, изделия из 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 0 С. Согласно этому критерию, к жаропрочным относятся только пять элементов: вольфрам, ниобий, рений, тантал и молибден. Например, температура плавления вольфрама составляет 3422 0 С.

Видео – плавка вольфрама водородной горелкой

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

Читайте также  Насадка на болгарку для шлифовки металла

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

Сравнительная таблица степени тугоплавкости чистых металлов

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 0 С. 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 0 С, 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 0 С 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:

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

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

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:

  • листы;
  • полосы обычные и для глубокой вытяжки;
  • фольгу;
  • трубы;
  • проволоку и прутки.

Термоэлектродная проволока вольфрам-рениевая

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

Тугоплавкие металлы — характеристики, свойства и применение

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.

Читайте также  Средство для полировки металла

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.

Оцените статью:

Изделия из тугоплавких металлов

Группа компаний «Новые Технологии» предлагает свои услуги по производству готовых изделий из тугоплавких металлов, отражая потребительский спрос, повышая удобство сотрудничества для организаций различного формата. На данной странице сайта Вы можете ознакомиться с перечнем доступной для покупки продукции, в числе которой:

  • Поликор (современный нетканый материал, использующийся в качестве наполнителя/подложки). Данный вид изделий имеет востребованность в изготовлении строительных материалов, судостроительстве, автомобилестроении, различных промышленных направлениях.
  • Мишени из титана, вольфрама, тантала, молибдена, ниобия, циркония, никеля, меди, ванадия. Главное назначение – обеспечение процесса нанесения современных покрытий, в том числе с неметаллической основой. Распыляемые мишени могут отличаться материалом изготовления, формой, целевой направленностью.
  • Термопары (используются для измерения высоких температур, работы в агрессивных условиях, в том числе в составе измерительных приборов промышленного назначения). На нашем сайте можно приобрести термозонды, термоэлектрические преобразователи, а также сырьевые материалы для изготовления термопар.
  • Тепловые экраны. Применение тугоплавких металлов позволяет создавать специальные защитные сооружения, которые ограждают детали, механизмы и электронные компоненты от воздействия высоких температур. Тепловые экраны чаще всего изготавливаются на основе вольфрама и молибдена, их сплавов и некоторых других материалов.
  • Нагреватели (электрические компоненты, способные переносить экстремально высокие температуры). Данный вид продукции используется в составе промышленных нагревательных установок, печей и т.д. Твердые сплавы и тугоплавкие металлы могут работать в условиях до 2500°C.
  • Вакуумные печи (рабочие камеры промышленного назначения). Такое оборудование является незаменимым во многих производственных направлениях, используясь для термообработки, пайки, закалки, литья, отжига деталей из стекла, металла, керамики в условиях вакуума, безокислительной среды.

Каждый раздел включает в себя несколько подкатегорий, упрощая процесс выбора готовых изделий из тугоплавких металлов. Не нашли нужный вам товар? Вы можете приобрести сырьевые материалы для самостоятельного его изготовления, в виде порошка, полуфабриката (ленты, проволоки, круга и т.д.).

Производство конечной продукции под заказ

Узкая специализация сайта, а также высокая стоимость металлов не позволяет иметь в наличии все разнообразие изделий из тугоплавких сплавов. Поэтому на данной площадке представлены только самые востребованные виды изделий, как правило, обладающие стандартными параметрами (техническими характеристиками, свойствами, размерами, формой). Эта особенность хорошо известна нашим постоянным клиентам, многие из которых основывают сотрудничество на индивидуальном взаимодействии. Они заказывают изготовление конкретной продукции по собственным чертежам, отражая в заказе не только требования к геометрии, но и составу, свойствам, условиям эксплуатации и т.д.

Применение тугоплавких металлов в силу их плохой обрабатываемости требует использования особого оборудования. Группа компаний «Новые Технологии» обладает самой современной производственной базой, позволяющей:

  • выполнять конкретные виды работ (нарезать прутки нужной длины, сверлить отверстия конкретного размера и т.д.);
  • восстанавливать/обновлять старые детали, ленту;
  • формировать обмотку из тугоплавкой проволоки нужного диаметра, плотности и длины;
  • изготавливать любые виды электродов, стандартные изделия из редких марок тугоплавких сталей, внедрять уникальные разработки;
  • находить оптимальные составы, формы и размеры для решения поставленных перед нами конкретных задач;
  • изготавливать продукцию с высокой геометрической точностью, что особенно важно в работе с профессиональными станками, приборами, техникой.

Наша команда состоит из специалистов разного профиля, что позволяет решать самые сложные задачи в короткие сроки. Зачем покупать дорогостоящее оборудование для работы с твердыми сплавами и тугоплавкими металлами, когда можно поручить ряд работ сторонней организации? Данный подход в 90% случает имеет хорошие финансовые перспективы, делая сотрудничество с группой компаний «Новые Технологии» взаимовыгодным и перспективным.

В данном разделе сайта вы можете купить: поликор разных марок и размеров, вольфрамовый волновод, тугоплавкие мишени, термопарную проволоку, готовые термопары, преобразователи, экранные блоки печей, клепанные нагреватели, молибденовые и вольфрамовые экраны, электроды, испарители, гнутые, прямые, ленточные, пластинчатые нагреватели, вакуумные печи и многое другое. Вопросы по наличию продукции и её выбору можно задать нашим менеджерам.

Изделия из тугоплавких металлов

  • ГЛАВНАЯ
  • ПРОДУКЦИЯ
    • Титановый прокат
    • Прецизионные сплавы и спецстали
    • Тугоплавкие сплавы
    • Нержавеющий прокат
    • Никелевые сплавы
  • ПРОВЕРКА СЕРТИФИКАТА
  • О КОМПАНИИ
  • КОНТАКТЫ
  • ГЛАВНАЯ
  • ПРОДУКЦИЯ
    • Титановый прокат
    • Прецизионные сплавы и спецстали
    • Тугоплавкие сплавы
    • Нержавеющий прокат
    • Никелевые сплавы
  • ПРОВЕРКА СЕРТИФИКАТА
  • О КОМПАНИИ
  • КОНТАКТЫ
  • Главная —
  • Продукция —
  • Тугоплавкие металлы

Тугоплавкие металлы — класс химических элементов (металлов), имеющих очень высокую температуру плавления и стойкость к изнашиванию. Выражение тугоплавкие металлы чаще всего используется в таких дисциплинах как материаловедение, металлургия и в технических науках.

Определение тугоплавких металлов относится к каждому элементу группы по разному. Основными представителями данного класса элементов являются элементы пятого периода — ниобий и молибден; шестого периода — тантал, вольфрам и рений.

Все они имеют температуру плавления выше 2000 °C, химически относительно инертны и обладают повышенным показателем плотности. Благодаря порошковой металлургии из них можно получать детали для разных областей промышленности.

Тугоплавкие металлы — металлы, которые не существуют в природе в чистом виде. Температура их плавления гораздо выше, чем температура плавки кобальта или железа. Такие металлы применяют в металлургии, корабле- и авиастроении, космической и ядерной промышленности, а также в конденсаторах или реактивных технологиях.

Прочность металлов и их сплавов делают тугоплавкие детали и конструкции применимыми даже для химической и электронной промышленности. При этом упругость металлов универсальна. Это позволяет даже при высоких температурах обеспечить жаропрочность конструкции независимо от сферы ее применения.

Механические свойства металлов и сплавов разнообразны в зависимости от их процентного соотношения в изделиях или деталях. Однако среди них можно выделить основные, которые присущи всем тугоплавким металлам и сплавам без исключения.

Характеристика механических свойств металлов

  • твердость;
  • высокая температура плавления;
  • прочность;
  • деформация ползучести;
  • теплопроводность металлов.

Таблица прочности металлов поможет определить предел прочности тугоплавкого металла при растяжении, а также показатель прочности каждого вида.

Твердость

Т, °С Твердость, МН/м2 (кГ/мм2)
W Mo Nb
1560 525 (53,5) 172 (17,6) 102 (10,4)
1750 410 (41,8) 126(12,9) 50 (5,1)
2000 167 (17) 65,7 (6,7) 10,8 (1,1)
2500 71,6 (7,3) 22,5 (2,3)
3000 46,1 (4,7)

Удельная прочность тугоплавких металлов

В таблице представлена удельная прочность металлов, рассчитанная при комнатной температуре. В общих случаях она зависима от чистоты и способа получения металла. По результатам сравнительного анализа видны преимущества таких металлов как Nb и Mo. Они значительно выигрывают по сравнению с Ta и W. Выделенное объективно до температуры в 1370 °С.

Название металла Удельная прочность, кГ/мм2, Г/см3
Молибден 8,9
Ниобий 7,0
Тантал 2,3
Вольфрам 5,17

Температура перехода металлов в сверхпроводящее состояние

Металл °К
Титан 0,53
Ванадий 5,1
Цирконий 0,7
Ниобий 9,17
Молибден 0,9-0,98
Гафний 0,35
Тантал 4,40
Рений 1,7
Вольфрам 0,05

Таблица перевода чисел твердости

Твердость по Роквеллу Твердость по Виккерсу (HV) Твердость по Бринелю (HB)
По шкале С (HRC) По шкале А (HRA)
70 86,5 1076
69 86,0 1004
68 85,5 942
67 85,0 894
66 84,5 854
65 84,0 820
64 83,5 769
63 83,0 763
62 82,5 739
61 81,5 715
60 81,0 695
50 76,0 513
49 75,5 498
48 74,5 485
47 74,0 471 448
46 73,5 458 437
45 73,0 446 425
44 72,5 435 415
42 71,5 413 393
40 70,5 393 372
30 301 283
28 285 270
26 271 260
24 257 250
22 246 240
20 236 230

Упругие свойства тугоплавких металлов

Металл Коэффициент сжимаемости,
Х106 см2/кГ
Модуль нормальной упругости,
кГ/мм2
Модуль сдвига,
кГ/мм2
Коэффициент Пуассона
Титан 9000-10000
Цирконий 1,097 8960 3330 0,35
Гафний 9800-14060
Ванадий 13500
Ниобий 9080 8820 0,39
Тантал 0,52 18830 7000 0,35
Хром 25000
Молибден 0,347 33630 12200 0,31
Вольфрам 0,293 41500 15140 0,30
Рений 47000
Рутений 42000
Родий 28640
Осмий 57000
Иридий 53830

Коэффициент теплопроводности тугоплавких металлов

Элемент T °C Коэффициент теплопроводности k Вт/м∙К
Ванадий 20 33,2
Вольфрам 27 130
Молибден 27 162
Ниобий 27 53
Тантал 27 63
Хром 27 67
Цирконий 50 20,96
Читайте также  Лазерный гравер по металлу своими руками

Термодинамические свойства тугоплавких металлов

Элемент Удельная теплоемкость,
Дж/К∙моль
Теплота плавления,
кДж/моль
Теплота испарения,
кДж/моль
Ванадий 0,485 17,5 460
Вольфрам 24,8 35 824
Молибден 0,251 28 590
Ниобий 0,268 26,8 680
Тантал 0,140 24,7 758
Хром 0,488 21 342
Цирконий 0,281 19,2 567

Обозначение символов:

  • σв — предел прочности;
  • σт— предел текучести;
  • σ0,2 — предел текучести при котором остаточные деформации составляют 0,2 % от длины испытываемого образца;
  • δ — относительное удлинение;
  • ψ — относительное сужение;
  • k — коэффициент теплопроводности;
  • HB — твердость по Бринеллю;
  • HV — твердость по Виккерсу;
  • HR — твердость по Роквеллу.

Применение тугоплавких металлов в металлургии и промышленности

Если верить википедии, к тугоплавким относятся металлы, которые имеют температуру плавления от 2200 °C. Под это утверждение подпадают ниобий, рений, молибден, тантал и вольфрам.

Название Температура плавления
Ниобий 2477°C
Молибден 2623 °C
Тантал 3017 °C
Вольфрам 3422 °C
Рений 3186 °C

Тугоплавкие металлы широко применяются во многих отраслях промышленности и в повседневной жизни. Их применяют при изготовлении лампочек накаливания, мобильных телефонов, компьютеров или, например, ядерных реакторов.В более широком понятии и практическом применении к тугоплавким металлам еще относят ванадий, гафний, рутений, хром, цирконий и осмий. Их также используют в качестве легирующих элементов в сплавах с металлами из первой группы для улучшения комплекса эксплуатационных или технологических свойств.

Сами по себе чистые металлы конечно применяются в производстве, например чистые молибден и вольфрам применяют в радиоэлектронной промышленности, химическом машиностроении или при производстве печей для термообработки. Но большинство из них склонны к хрупкому разрушению при высоких температурах, также они обладают относительно низкой жаропрочностью. Гораздо интереснее, с точки зрения повышения эксплуатационных свойств, представляется использование сплавов этих металлов.

Физические свойства металлов

Характеристика металлов по физическим свойствам может быть выражена в виде четырех основных пунктов.

  1. Металлический блеск – все имеют примерно одинаковый серебристо-белый красивый характерный блеск, кроме меди и золота. Они имеют красноватый и желтый отлив соответственно. Кальций – серебристо-голубой.
  2. Агрегатное состояние – все твердые при обычных условиях, кроме ртути, которая находится в виде жидкости.
  3. Электро- и теплопроводность – характерна для всех металлов, однако выражена в разной степени.
  4. Ковкость и пластичность – также общий для всех металлов параметр, который способен варьироваться в зависимости от конкретного представителя.
  5. Температура плавления и кипения – определяет, какой металл тугоплавкий, а какой легкоплавкий. Этот параметр разный для всех элементов.

Все физические свойства объясняются особым строением металлической кристаллической решетки. Ее пространственным расположением, формой и прочностью.

Молибден

Если выяснять, какой металл самый тугоплавкий, то, помимо обозначенного вольфрама, можно назвать и молибден. Его температура плавления составляет 2623 о С. При этом он достаточно твердый, пластичный и поддающийся обработке.

Используется он в основном не в чистом виде, а как составной компонент сплавов. Они, благодаря присутствию молибдена, значительно укрепляются в износостойкости, жаропрочности и антикоррозийности.

Некоторые соединения молибдена используют как технические смазки. Также этот металл является легирующим материалом, одновременно влияющим и на прочность, и на антикоррозийность, что встречается очень редко.

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 кон, 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 , 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.

Рений и сплавы на его основе

Какой металл самый тугоплавкий после вольфрама? Это рений. Его показатель плавкости составляет 3186 о С. По прочности превосходит и вольфрам, и молибден. Пластичность его не слишком высока. Спрос на рений очень велик, а вот добыча составляет сложности. Вследствие этого он является самым дорогим металлом из существующих на сегодняшний день.

Применяется для изготовления:

  • реактивных двигателей;
  • термопар;
  • нитей накаливания для спектрометров и прочих устройств;
  • как катализатор при нефтепереработке.

Все области применения дорогостоящие, поэтому он используется только в случае крайней необходимости, когда заменить чем-либо другим возможности нет.

Тантал

Металл, в свободном виде и при обычных условиях покрытый оксидной пленкой. Обладает набором физических свойств, которые позволяют ему быть широко распространенным и очень важным для человека. Его основные характеристики следующие:

  1. При температуре свыше 1000 о С становится сверхпроводником.
  2. Это наиболее тугоплавкий металл после вольфрама и рения. Температура плавления составляет 3017 о С.
  3. Прекрасно поглощает газы.
  4. С ним легко работать, так как он прокатывается в пласты, фольгу и проволоку без особого труда.
  5. Обладает хорошей твердостью и не хрупкий, сохраняет пластичность.
  6. Очень устойчив к воздействию химических агентов (не растворяется даже в царской водке).

Благодаря таким характеристикам сумел завоевать популярность как основа для многих жаропрочных и кислотоустойчивых, антикоррозионных сплавов. Его многочисленные соединения находят применение в ядерной физике, электронике, приборах вычислительного плана. Используются как сверхпроводники. Раньше тантал использовался как элемент в лампах накаливания. Сейчас его место занял вольфрам.

Хром и его сплавы

Один из самых твердых металлов, в естественном виде голубовато-белой окраски. Его температура плавления ниже, чем у рассмотренных до сих пор элементов, и составляет 1907 о С. Однако он все равно используется в технике и промышленности повсеместно, так как хорошо поддается механическим воздействиям, обрабатывается и формуется.

Особенно ценен хром в качестве напылителя. Его наносят на изделия для придания им красивого блеска, защиты от коррозии и повышения износостойкости. Процесс называется хромированием.

Сплавы хрома очень популярны. Ведь даже небольшое количество этого металла в сплаве значительно увеличивает твердость и устойчивость последнего к воздействиям.

Цирконий

Один из самых дорогих металлов, поэтому применение его в технических целях затруднено. Однако физические характеристики делают его просто незаменимым во многих других отраслях.

При обычных условиях это красивый серебристо-белый металл. Обладает достаточно высокой температурой плавления – 1855 о С. Имеет хорошую твердость, устойчивость к коррозии, так как химически не активен. Также отличается великолепной биологической совместимостью с кожей человека и всего организма в целом. Это делает его ценным металлом для использования в медицине (инструменты, протезы и так далее).

Основные области применения циркония и его соединений, в том числе сплавов, следующие:

Из циркония и сплавов на его основе изготавливаются даже украшения, способные влиять на улучшение состояния здоровья человека.