Какие металлы тугоплавкие

К тугоплавким относятся металлы с температурой плавления выше 1700 ° С: вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром, цирконий, рений. Чаще всего их получают методами порошковой металлургии с использованием электровакуумных технологий выплавки и очистки.

Применение тугоплавких металлов: • изделия электровакуумной техники; • нагревательные элементы; • испарители в установках термического осаждения для получения тонких высокопроводящих и резистивных пленок; • тонкопленочные резисторы; • термопары для измерения высоких температур. Все тугоплавкие металлы при нагревании на воздухе до температур выше 600 ° С интенсивно окисляются с образованием летучих оксидов.

Поэтому в качестве нагревательных элементов они работают в вакууме или в защитной инертной среде, например в аргоне. Тугоплавкие металлы имеют ничтожно малое давление насыщенных паров — важное качество для материала испарителя при получении тонких пленок.

Вольфрам (W) — наиболее тугоплавкий из всех металлов (Т пл = 3400 ° С), имеет высокую твердость, хорошую проводимость ( ρ = 0,055 мкОм·м). Вольфрам — один из важнейших материалов электровакуумной техники. Благодаря волокнистой структуре, приобретаемой в результате обработки ковкой и волочением, тонкая вольфрамовая проволока диаметром до 0,01мм обладает высокой гибкостью.

Как Расплавить САМЫЙ ТУГОПЛАВКИЙ МЕТАЛЛ?

Вольфрам — основной материал для изготовления нитей ламп накаливания. Однако проволока и спирали из чистого вольфрама при высоких температурах становятся хрупкими вследствие процессов рекристаллизации, сопровождающихся интенсивным ростом зерна до размеров поперечного сечения проволоки. Для улучшения свойств чистого вольфрама в него вводят различные присадки. Оксид тория Th 2 O 3 замедляет процесс рекристаллизации и препятствует росту зерна, добавки оксидов кремния SiO 2 и алюминия Al 2 O 3 улучшают формоустойчивость вольфрамовой проволоки. В элек- 35

тровакуумном производстве применяют вольфрам марок ВА (с кремне-алюминиевой присадкой) и ВТ (с присадкой оксида тория). Из вольфрама изготовляют катоды высокого напряжения мощных генераторных ламп, рентгеновских трубок с рабочей температурой 2200…2800 К. Вольфрамовые катоды обладают стабильной эмиссией электронов и способностью работать в высоком вакууме.

Катоды из торированного вольфрама ВТ имеют более высокие эмиссионные свойства. Вольфрам обладает наименьшим температурным коэффициентом линейного расширения среди всех чистых металлов (α l = = 4,4 10 -6 К -1 ). Это свойство используется для изготовления термически стойких спаев вольфрама с тугоплавкими стеклами.

Вольфрам и его сплавы с молибденом, иридием, рением используют также для нагревательных элементов, работающих при температурах выше 1200 ° С, и для высокотемпературных термопар. Благодаря высокой твердости, дугостойкости, электроэрозионной стойкости и низкой свариваемости вольфрам широко используется в высоконагруженных разрывных контактах.

Молибден (Mo) — аналог вольфрама, но несколько менее тугоплавкий ( Т пл = 2620 ° С) и менее твердый. Отожженный молибден с мелкозернистой структурой значительно пластичнее вольфрама, он широко используется для различных деталей сложной конфигурации. Среди всех тугоплавких металлов молибден обладает наименьшим удельным сопротивлением ( ρ = 0,05 мкОм·м).

Вольфрам — Самый ТУГОПЛАВКИЙ Металл На ЗЕМЛЕ!

Молибден используется для нагревательных элементов в высокотемпературных (до 1700 ° С) электрических печах, работающих в защитной атмосфере. Из молибдена изготовляют сетки и электроды электронных ламп и другие вспомогательные детали электровакуумных приборов (крючки, нити, подвески), работающие в напряженном тепловом режиме. Большое практическое значение имеют сплавы вольфрама с молибденом , которые образуют структуру твердого раствора во всем диапазоне концентраций. Сплавы, содержащие 45%Мо, обладают максимальным удельным сопротивлением и твердостью, высокой эрозионной стойкостью. Их применяют для высоконагруженных контактов в защитной среде. W-Mo-сплавы используют также

для нитей накаливания электроламп и катодов подогрева, так как они имеют более высокие механические свойства, чем чистый вольфрам, хотя и более низкие допустимые рабочие температуры. Рений (Re) — редкий и тяжелый металл с температурой плавления, близкой к температуре плавления вольфрама ( Т пл = 3180 ° С).

Рений твердый и прочный, как вольфрам, и пластичный, как молибден, имеет высокое удельное сопротивление ( ρ = 0,214 мкОм·м), стоек к дуге постоянного тока. Рений часто применяют в сплавах для высоконагруженных разрывных контактов, например, сплавы W+15. 20%Re отличаются повышенной износостойкостью.

Рений и его сплавы с вольфрамом применяют в производстве электровакуумных приборов взамен вольфрама, так как он меньше испаряется в атмосфере водорода, отличается более длительным сроком службы. Re- и W-Re-сплавы используются для термопар до 2500…2800 ° С в защитной среде. В радиоэлектронике рений применяют для защиты от коррозии и износа деталей из меди, вольфрама и молибдена.

Тонкие пленки рения используются для прецизионных резисторов в интегральных схемах. Тантал (Та) по тугоплавкости несколько уступает вольфраму ( Т пл = 3000 ° С), но значительно превосходит его по пластичности, что позволяет изготовлять фасонные детали, проволоку и фольгу толщиной до 10 мкм.

Тантал образует на поверхности плотную оксидную пленку Та 2 О 5 , устойчивую до температуры 1500 ° С. Это свойство используется при производстве электролитических и тонкопленочных конденсаторов высокой удельной емкости, получаемых путем анодного оксидирования. Тантал широко используется в электровакуумной технике для ответственных деталей: анодов и сеток генераторных ламп, катодов накаливания. Благодаря своей способности поглощать газы в диапазоне температур 600…1200 ° С, тантал применяют в вакуумной аппаратуре в качестве стабилизатора высокого вакуума (геттера). Тантал используется также в тонкопленочных технологиях при производстве резисторов. На воздухе происходит активное растворение азота в танталовой пленке с образованием нитридной пленки Та 2 N, обладающей высокой стабильностью свойств.

Ниобий (Nb) — металл, близкий по свойствам к танталу, но более легкоплавкий ( Т пл = 2500 ° С), обладает высокой газопоглощающей способностью в температурном интервале 400…900 ° С. Поэтому в электровакуумных приборах детали из ниобия одновременно выполняют функции геттера. У ниобия среди всех тугоплавких металлов наименьшая работа выхода электронов, его применяют в качестве катодов накаливания в мощных генераторных лампах.

Среди всех химических элементов ниобий обладает самой высокой критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние ( Т св = = 9,2 К). Поэтому ниобий, как и тантал ( Т св = 4,5 К), применяют в криогенной технике.

Хром (Cr) обладает сравнительно невысокой температурой плавления ( Т пл = 1900 ° С) по сравнению с другими тугоплавкими металлами, но в противоположность остальным металлам этой группы является весьма распространенным в земной коре. Его отличительная особенность — высокая стойкость к окислению, поэтому хром используется для защитных покрытий изделий (хромирование), в том числе эксплуатируемых при повышенных температурах. Хром обладает хорошей адгезионной способностью к стеклу, керамике, ситаллам и хорошо совместим с другими проводящими материалами. Поэтому технология осаждения тонких пленок хрома на подложку широко используется в микроэлектронике при изготовлении резисторов, адгезионных подслоев для контактных площадок и токопроводящих соединений.

2.2.5. Сверхпроводящие металлы и сплавы

Сверхпроводимость — это состояние вещества, характеризуемое отсутствием электрического сопротивления. Сверхпроводимость наблюдается у ряда металлов и сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю. Температура перехода в сверхпрово- дящее состояние называется критической температурой сверхпроводимости — Т св . При температуре ниже Т св электрический ток, наведенный в сверхпроводящем контуре, будет циркулировать бесконечно долго, не убывая, при условии поддержания низкой температуры. Удель-

ное сопротивление материала в сверхпроводящем состоянии составляет порядка 10 -25 Ом·м, что в 10 17 раз меньше, чем у меди. Физическая природа сверхпроводимости.

Впервые явление сверхпроводимости было обнаружено у ртути ( Т св = 4,2 К) голландским физиком Камерлинком-Онессом в 1911 г. Современная теория сверхпроводимости, основанная на квантовых представлениях, была предложена в 1957 г. американскими учеными Бардиным, Купером и Шриффером. Значительный вклад в развитие теории сверхпроводимости внесли работы советского академика Н.Н.Боголюбова.

В металле свободные электроны, движущиеся в среде положительно заряженных ионов, взаимодействуют с тепловыми колебаниями решетки, обмениваясь с ней квантами тепловой энергии — фононами, при этом электроны могут поглощать или отдавать энергию, т.е. изменять свой импульс. Обмен фононами между электронами при участии решетки происходит непрерывно.

В результате обменного фононного взаимодействия пара электронов с разными импульсами и антипараллельными спинами испытывают взаимное притяжение и образуют так называемую куперовскую пару . Рассмотрим упрощенную схему (рис. 9).

Электрон 1, движущийся между ионами, притягивает ближайшие ионы, создавая по траектории движения локальную зону повышенной плотности положительного заряда. Электрон 2, движущийся вслед за первым, притягивается этой зоной. В результате, косвенным образом, через решетку, между электронами возникают силы притяжения.

Силы притяжения невелики, парные образования слабо локализованы в пространстве, они постоянно распадаются и создаются, образуя электронный конденсат. При низких температурах (< Т св ) энергия тепловых колебаний решетки чрезвычайно мала и спаренные электроны не рассеиваются на дефектах структуры. Особенность куперовских пар — их импульсная упорядоченность. Электронные волны, описывающие движение пар, имеют одинаковую длину и фазу. Фактически движение всех электронных пар можно рассматривать как распространение одной электронной волны, которая не рассеивается решеткой, «обтекает» дефекты структуры.

Рис. 9. Схема образования электронных пар в сверхпроводнике При температуре абсолютного нуля все электроны, расположенные вблизи уровня Ферми, связаны в пары. При повышении температуры часть электронных пар распадается. Неспаренные электроны переходят с основных уровней на возбужденные, и их движение затрудняется рассеянием на дефектах структуры.

При температуре Т св происходит полный разрыв всех куперовских пар, и состояние сверхпроводимости исчезает. Сверхпроводники обладают специфическими магнитными свойствами. Поскольку электроны с противоположно направленными спинами связаны в пары, результирующий спиновый момент пары равен нулю, и сверхпроводник становится идеальным диамагнетиком.

Как всякие диамагнетики, сверхпроводники выталкиваются из магнитного поля. Внешнее магнитное поле совершенно не проникает в толщину образца, затухая в тончайшем поверхностном слое (10 -7 …10 -8 м). Эффект выталкивания выражен столь сильно, что с помощью магнитного поля можно удерживать постоянный магнит над кольцом из сверхпроводящего материала. Однако состояние сверхпроводимости может быть разрушено, если напряженность магнитного поля превысит некоторое критическое значение Н св . В настоящее время известно более 30 металлов, обладающих сверхпроводимостью при криогенных температурах, и более 1000 40

8,5…11,5%Zr) и 35БТ (60…64%Ti + 33,5…36,5%Nb + 1,7…4,3%Zr). Например, сплав 65БТ имеет критическое значение плотности тока 2,8 . 10 6 А/м 2 . В 1986 г. было обнаружено явление высокотемпературной сверхпроводимости, которой обладают некоторые виды керамики на основе редкоземельных металлов с характерным расположением атомов.

Например, соединения лантана La 2 -xМхСuО 4 (где М = Ва, Sr) переходят в сверхпроводящее состояние при температуре, близкой к температуре жидкого азота. В сплавах иттрия YВа 2 Сu 3 О 7 переход в сверхпроводящее состояние происходит при температуре — 173 ° С и выше.

Разрабатываются новые материалы, обладающие большей плотностью тока и более высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние. Перспективными в этом отношении являются так называемые висмутовые системы с химической формулой Bi 2 Sr 2 Са 2 Сu 2 О х , температура перехода которых достигает -158 ° С. Сверхпроводящие элементы и устройства находят все более широкое применение в самых различных областях науки и техники.

Для достижения сверхпроводящего состояния в этих устройствах используется среда жидкого гелия или более дешевый хладоагент — жидкий водород. Одно из главных применений сверхпроводников связано с получением сверхсильных магнитных полей напряженностью свыше 10 7 А/м.

Это позволяет изготовлять обмотки мощных генераторов, электрических машин и трансформаторов с малой массой, размерами и очень высоким КПД. В сверхпроводящих системах не требуется внешний источник питания. Они применяются также для кабелей мощных линий электропередач, волноводов с малым затуханием, устройств памяти и управления. Сверхпроводники используют для изготовления мощных магнитов (например, поезда на магнитной подушке), криогенных гироскопов, якорь которых «плавает» в магнитном поле (опоры без трения).

Источник: studfile.net

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.

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.

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.

Источник: prompriem.ru

Наиболее тугоплавкий металл. Характеристика металлов

Металлы — это самый распространенный материал (наряду с пластмассами и стеклом), который применяется людьми с древних времен. Уже тогда человеку была известна характеристика металлов, он с выгодой использовал все их свойства для создания прекрасных произведений искусства, посуды, предметов быта, сооружений.

Одной из главных черт при рассмотрении этих веществ является их твердость и тугоплавкость. Именно эти качества позволяют определять область использования того или иного металла. Поэтому рассмотрим все физические свойства и особое внимание уделим вопросам плавкости.

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.

Легкоплавкие и тугоплавкие металлы