Тугоплавкие металлы – список и их полезные свойства

Любознательных людей наверняка интересует вопрос, какой металл самый тугоплавкий? Прежде чем дать на него ответ, стоит разобраться с сами понятием тугоплавкости. Все известные науки металлы имеют разную температуру плавления в связи с различной степенью устойчивости связей между атомами в кристаллической решетке. Чем слабее эта связь, тем меньшая температура требуется, чтобы ее разорвать.

Самые тугоплавкие металлы в мире используются в чистом виде или в составе сплавов для производства деталей, которые работают в экстремальных термических условиях. Они позволяют эффективно противостоять высоким температурам и значительно продляют эксплуатационный период агрегатов. Но стойкость металлов данной группы к термическому воздействию заставляет металлургов прибегать к нестандартным методам их производства.

Что считать тугоплавким металлом

О признаке, по которому металл причисляют к группе, говорит название.

Тугоплавкие металлы – это химические элементы с температурой плавления выше большинства остальных:

• В классическом понимании это более 2200°С. Таким свойством наделены пять металлов.
• Однако термин «тугоплавкие» применяют и в отношении металлов с температурой плавления выше железа, т.е. от 1850°С. По этому параметру тугоплавкими металлами являются еще девять элементов.

Таким образом, список тугоплавких элементов включает 14 позиций.

Исторические сведения

Знаменитый шведский химик Карл Шееле, имеющий профессию аптекаря, в небольшой лаборатории, проводя многочисленные опыты, открыл марганец, барий, хлор и кислород. А незадолго до смерти в 1781 году выявил, что минерал тунгстен является солью неизвестной тогда кислоты. После двух лет работы его ученики, два брата д’Элуяр (испанские химики), выделили из минерала новый химический элемент и назвали его вольфрамом. Только через столетие вольфрам – самый тугоплавкий металл — произвел настоящий переворот в промышленности.

Физико-химические характеристики

Главная характеристика группы – тугоплавкость – обеспечивается структурой атомов. Электроны располагаются так близко, что для разрыва межатомных связок требуется температура до двух тысяч градусов.

Вторая общая черта – замедленность деформации ползучести. Чтобы они начали «расползаться», требуется нагрев 1500+°C. В отличие от легкоплавких металлов, которые растекаются при паре сотен градусов.

Однако большинство свойств тугоплавких металлов (плотность, твердость, сопротивляемость сжатию) разнятся из-за принадлежности к разным группам и отличий в структуре кристаллической решетки.

Больше схожести в химических свойствах:

• Легкость образования соединений с другими элементами, из-за чего обнаружить тугоплавы в чистом виде невозможно.
• На воздухе покрываются защитной пленкой. Скорость определяется температурой.
• При нагреве либо взаимодействии с газами (азотом, водородом, углеродом) первоначальные свойства утрачиваются, развивается коррозия, появляется хрупкость.
• Устойчивость перед воздействием кислот.

Учитывая такие характеристики, с элементами работают в вакууме. Самый распространенный пример – вольфрамовая нить накаливания внутри бытовой лампочки.

Понятие о шкале температур

Некоторые неметаллические предметы тоже обладают похожими свойствами. Самым распространённым является вода. Относительно свойств жидкости, занимающей господствующее положение на Земле, была разработана шкала температур. Реперными точками признаны температура изменения агрегатных состояний воды:

1. Превращения из жидкости в твердое вещество и наоборот приняты за ноль градусов.
2. Кипения (парообразования внутри жидкости) при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) принята за 100 ⁰С.

Внимание! Кроме шкалы Цельсия на практике измеряют температуру в градусах Фаренгейта и по абсолютной шкале Кельвина. Но при исследовании свойств металлических предметов другие шкалы используют довольно редко.

Технология получения

Исходник большинства тугоплавов – руда.

Процесс традиционен:

1. Из нее удаляют примеси.
2. Рафинируют (восстанавливают нужный элемент). Способ восстановления зависит от требуемой степени чистоты металла. Поэтому задействуют дугообразную, электронно-лучевую либо плазменную плавку.
3. Лучший продукт дает плазма. Он представляет собой мелкие гранулы, порошок либо заготовки (проволока, фольга, слитки, арматура, прокат).

Технология плавления специфична, поэтому таким сырьем занимаются специальные предприятия. В СССР их было всего два.

Обработка тугоплавких металлов возможна только методами порошковой металлургии.

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 оС. 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:

• ядерная энергетика;
• пиротехника;
• легирование металлов;
• медицина;
• изготовление биопосуды;
• конструкционный материал;
• как сверхпроводник.

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

Сферы применения

Применение тугоплавких металлов не ограничивается бытовыми лампочками.

Их свойства обеспечивают использование всеми отраслями промышленного комплекса, ВПК, в быту:

• Металлургия. Компонент-лигатура для сплавов.
• Судо-, авиа-, космостроение. Детали двигателей.
• Ядерный сектор. Материал деталей реакторов.
• Химпром. Катализатор, источник света.
• Электроника. Конденсаторы.

Материал популярен как база жаропрочных, повышенно устойчивых конструкций (огнеупоров) для указанных отраслей. Особенно если требуются детали сложной конфигурации.

Особняком стоит выращивание рубинов. Для этого в бесцветный кристалл добавляют микродозы хрома.

Почти всегда применяются сплавы. Например, ядерщиками и строителями космических аппаратов востребована молибденово-танталово-вольфрамовая композиция. Она не деформируется при температурах порядка 4000°С, упруга, пластична, невосприимчива к ржавлению.

Свойства сплавов

В практической деятельности вольфрам часто соединяют с группой иных металлов. Соединения вольфрама с хромом, кобальтом и никелем, обладающие повышенной стойкостью к кислотам, используют для изготовления хирургических инструментов. А особые жаропрочные сплавы, кроме вольфрама – самого тугоплавкого металла, содержат в своем составе хром, никель, алюминий, никель. Вольфрам, кобальт и железо входит в состав лучших марок магнитной стали.

Вольфрамсодержащие стали устойчивы к истиранию, не трескаются, неизменно сохраняют твердость. Режущие инструменты не только увеличивают скорость обработки металла, но и имеют длительный срок службы.

Классификация

В зависимости от температуры плавления тугоплавкие металлы причисляются к основной либо дополнительной группе.

Основная группа

Данный сегмент включает пять позиций: вольфрам, ниобий, тантал, молибден, рений. Плавятся при 2200°С+.
Свойства четвёртой группы элементов

Название	Ниобий	Молибден	Тантал	Вольфрам	Рений
Температура плавления	2750 K (2477 °C)	2896 K (2623 °C)	3290 K (3017 °C)	3695 K (3422 °C)	3459 K (3186 °C)
Температура кипения	5017 K (4744 °C)	4912 K (4639 °C)	5731 K (5458 °C)	5828 K (5555 °C)	5869 K (5596 °C)
Плотность	8,57 г·см³	10,28 г·см³	16,69 г·см³	19,25 г·см³	21,02 г·см³
Модуль Юнга	105 ГПа	329 ГПа	186 ГПа	411 ГПа	463 ГПа
Твёрдость по Виккерсу	1320 МПа	1530 МПа	873 МПа	3430 МПа	2450 МПа

Молибден

Самый востребованный из тугоплавких элементов.

Сфера использования номер один – металлургия:

• Молибденом «усиливают» сталь, чтобы получить твердый сплав.
• На пару с нержавеющей сталью применяют как материал инфраструктуры трубопроводов, деталей автомобилей, другой продукции машиностроения.
• Благодаря температуре плавления, износостойкости, малой истираемости используется как легирующая присадка.

Молибдену требуется пара процентов лигатур в составе, чтобы свойства сплава изменились.

Например, полпроцента титана плюс 0,08% циркония создают молибденовый сплав, не снижающий прочность до 1060°C.

Неординарные параметры по трению обусловили использование молибдена как долговечной смазки с высоким КПД.

Материал незаменим для ртутных реле, поскольку амальгама с данным металлом ртутью не формируется.

Вольфрам

Открыт в конце 18 века. Самый твердый и самый тугоплавкий (3422°C) металл.

Вместе с медью и железом используется как основа (до 80%) сплавов с рением, торием, никелем. Такие добавки повышают плотность, порог стойкости к ржавлению, надежность.

Востребован как материал систем электроснабжения, приборов, боеприпасов, ядерных боеголовок ракет. Никелевые сплавы как материал клюшек ценят поклонники гольфа.

Вольфрам, его сплавы востребованы там, где нужна повышенная плотность в условиях запредельных температур.

Тантал

Самый стойкий к кислотам, коррозии из сегмента тугоплавких металлов.

Поэтому используется в конденсаторах смартфонов, планшетов, других гаджетов.

Совместим с биологическими организмами (не меняется под воздействием природных кислот). Благодаря этому применяется медициной.

В природе ниобий и тантал соседи. Не случайно названы по именам отца и дочери – Тантала и Ниобы, персонажей древнегреческих мифов.

Ниобий

Металл с небанальными характеристиками:

• Самый легкий (малой плотности) в сегменте.
• Уникален благодаря свойству менять коэффициент твердости и упругости в зависимости от степени отжига.
• Самый частый в сплавах-суперпроводниках.

Применяется как материал конденсаторов, газовых турбин ракет, самолетов. А также элемент ядерных реакторов и ламп электронных приборов.

Вместе с гафнием и титаном – материал двигателей космических аппаратов (например, американского Аполлона).

Режущие свойства вольфрама

В 1864 году английский ученый Роберт Мюшет использовал вольфрам как легирующую добавку к стали, которая выдерживала красное каление и еще больше увеличивала твердость. Резцы, которые изготовляли из полученной стали, увеличили скорость резания металла в 1,5 раза, и она стала составлять 7,5 метра в минуту.

Работая в этом направлении, ученые получали все новые технологии, увеличивая скорость обработки металла с использованием вольфрама. В 1907 году появилось новое соединение вольфрама с кобальтом и хромом, которое стало основоположником твердых сплавов, способных увеличивать скорость резания. В настоящее время она возросла до 2000 метров в минуту, и все это благодаря вольфраму – самому тугоплавкому металлу.

Марки жаропрочной стали мартенситного типа

Самые популярные марки:

• X5. Предназначается для труб, используемых при температурном режиме 650 градусов. На большую температуру данная марка не рассчитана.
• 1Х8ВФ. Применяется для изготовления деталей паровых турбин. Выдерживает температуру 500 градусов. При этом срок их эксплуатации равен 10 000 часам.
• Несколько марок объединены в одну группу, так как имеют схожие характеристики: Х5М, Х5ВФ, 1 Х8ВФ, Х6СМ, 1 Х12Н2ВМФ. Предназначаются для элементов, изготовленных для эксплуатации при температурном режиме от 500 до 600 градусов. Срок службы деталей варьируется от 1000 часов до 10 000 часов.
• Ещё две марки объединены по общим показателям: 3Х13Н7С2, 4Х9С2. Из них изготавливаются клапаны транспортных двигателей. Способны выдержать температуру от 850 до 950 градусов.

• Х13Н7С2.
• Х6СМ.
• Х6С.
• Х10С2М.
• Х7СМ.
• Х9С2.

Принцип производства мартенситных сталей заключается в соединении составных элементов и дальнейшей их закалки при температуре 1000 градусов. Для повышения уровня жаропрочности происходит отпуск сплава при температурном режиме 8100 градусов. Именно эта процедура позволяет стали выдерживать длительное нагревание.

Ванадий

Серый металл с серебристым блеском. Обладает достаточно высоким показателем плавкости (1920 оС). Используется в основном как катализатор во многих процессах, благодаря своей инертности. Применяется в энергетике как химический источник тока, в производствах неорганических кислот. Основное значение имеет не чистый металл, а именно некоторые его соединения.

Железо и сталь

Как чистое вещество железо не такое твердое по сравнению с другими участниками рейтинга. Но из-за минимальных затрат на добычу оно часто комбинируется с другими элементами для производства стали.

Сталь — это очень прочный сплав из железа и других элементов, таких как углерод. Это наиболее часто используемый материал в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности. И даже если вы не имеете к ним никакого отношения, то все равно используете сталь каждый раз, когда режете продукты ножом (если он, конечно, не керамический).

Бериллий

А вот к этому металлическому красавцу лучше не приближаться без средств защиты. Потому что бериллий высокотоксичен, и обладает канцерогенным и аллергическим действием. Если вдыхать воздух, содержащий пыль или пары бериллия, то возникнет заболевание бериллиоз, поражающее легкие.

Однако бериллий несет не только вред, но и благо. Например, добавьте всего 0,5 % бериллия в сталь и получите пружины, которые будут упругими даже если довести их до температуры красного каления. Они выдерживают миллиарды циклов нагрузки.

Бериллий применяют в аэрокосмической промышленности для создания тепловых экранов и систем наведения, для создания огнеупорных материалов. И даже вакуумная труба Большого Адронного Коллайдера сделана из бериллия.

выпускает слитки из дорогих металлов в форме шоколадных плиток

Такой слиток можно наломать на несколько маленьких частей (примерно 1 грамм) и подарить близким и родным. Другой вариант использования – оплачивать покупки в магазинах, где принимают такой вид оплаты, конечно.