Тугоплавкие металлы – список и их полезные свойства

Название тугоплавких металлов напрямую говорит об их особенностях. Многие из них стали известны еще в конце 19 века, но не сразу нашли свое применение. Редкое исключение составили некоторые соединения, которые были востребованы в электротехнике. Ситуация резко изменилась в средине прошлого века по причине активного развития ракетостроения и сверхзвуковой авиации. Именно в этих отраслях промышленности наиболее востребованы тугоплавкие металлы, способные выдержать высокие нагрузки при температуре рабочей среды выше 1000 градусов по шкале Цельсия.

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.

Рекорды для неорганических веществ

Самым сильным стабильным окислителем

, является комплекс дифторида криптона и пентафторида сурьмы. Из-за сильного окисляющего действия (окисляет все элементы в высшие степени окисления, в том числе кислород и азот воздуха) для него очень трудно измерить электродный потенциал. Единственный растворитель, который реагирует с ним достаточно медленно – безводный фтористый водород.

Самым плотным веществом

, является осмий. Его плотность составляет 22,5 г/см 3 .

Самый легкий металл

– это литий. Его плотность составляет 0,543 г/см 3 .

Самый дорогой металл

– это калифорний. Его стоимость в настоящее время составляет 6 500 000 долларов за 1 грамм.

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.

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.

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.

Рекомендации

1. «Международный журнал тугоплавких металлов и твердых материалов». Эльзевир. Получено 2010-02-07.
2. Бауччо, Майкл; Американское общество металлов (1993). «Тугоплавкие металлы». Справочник по металлам ASM
   . ASM International. С. 120–122. ISBN 978-0-87170-478-8 .
3. Металлы, поведение; Уилсон, Дж. У (1965-06-01). «Общее поведение тугоплавких металлов». Поведение и свойства тугоплавких металлов
   . С. 1–28. ISBN 978-0-8047-0162-4 .
4. Дэвис, Джозеф Р. (2001). Легирование: понимание основ
   . С. 308–333. ISBN 978-0-87170-744-4 .
5. ^ аб
   Борисенко, В. А. (1963). «Исследование температурной зависимости твердости молибдена в диапазоне 20–2500 ° С».
   Советская порошковая металлургия и металлокерамика
   .
   1
   (3): 182. Дои:10.1007 / BF00775076.
6. Фатхи, Хабаши (2001). «Историческое введение в тугоплавкие металлы». Обзор переработки полезных ископаемых и добывающей металлургии
   .
   22
   (1): 25–53. Дои:10.1080/08827509808962488.
7. Шмид, Калпакчян (2006). «Слизняк». Технологии производства и технологии
   . Пирсон Прентис Холл. С. 86–93. ISBN 978-7-302-12535-8 .
8. Веронски, Анджей; Hejwowski, Tadeusz (1991). «Ползучие материалы». Термическая усталость металлов
   . CRC Press. С. 81–93. ISBN 978-0-8247-7726-5 .
9. Смоллвуд, Роберт Э. (1984). «Молибденовый сплав ТЗМ». Специальная техническая публикация ASTM 849: Тугоплавкие металлы и их промышленное применение: симпозиум
   . ASTM International. п. 9. ISBN 978-0-8031-0203-3 .
10. Козбагарова, Г. А .; Мусина, А. С .; Михалева, В. А. (2003). «Коррозионная стойкость молибдена в ртути». Защита металлов
    .
    39
    (4): 374–376. Дои:10.1023 / А: 1024903616630.
11. Гупта, К. К. (1992). «Электрическая и электронная промышленность». Добывающая металлургия молибдена
    . CRC Press. С. 48–49. ISBN 978-0-8493-4758-0 .
12. Мадьяр, Майкл Дж. «Товарный обзор 2009: молибден» (PDF). Геологическая служба США. Получено 2010-04-01.
13. Эрвин, Д. Р .; Bourell, D. L .; Persad, C .; Рабенберг, Л. (1988). «Структура и свойства высокоэнергетического, высокопрочного консолидированного молибденового сплава ТЗМ». Материаловедение и инженерия: A
    .
    102
    : 25. Дои:10.1016/0025-5416(88)90529-0.
14. Олег Д., Нейков (2009). «Свойства порошка молибдена и молибденовых сплавов». Справочник по порошкам цветных металлов: технологии и применение
    . Эльзевир. С. 464–466. ISBN 978-1-85617-422-0 .
15. Дэвис, Джозеф Р. (1997). «Огнеупорные металлы и сплавы». Справочник по специальности ASM: Термостойкие материалы
    . С. 361–382. ISBN 978-0-87170-596-9 .
16. Ласснер, Эрик; Шуберт, Вольф-Дитер (1999). Вольфрам: свойства, химия, технология элемента, сплавы и химические соединения
    . Springer. С. 255–282. ISBN 978-0-306-45053-2 .
17. Национальный исследовательский совет (США), Группа по вольфраму, Комитет по техническим аспектам критических и стратегических материалов (1973). Тенденции использования вольфрама: отчет
    . Национальный исследовательский совет, Национальная академия наук — Национальная инженерная академия. С. 1–3.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
18. Ласснер, Эрик; Шуберт, Вольф-Дитер (1999). Вольфрам: свойства, химия, технология элемента, сплавы и химические соединения
    . Springer. ISBN 978-0-306-45053-2 .
19. Харрис, Майкл К. (2002). «Здоровье и безопасность при сварке». Здоровье и безопасность при сварке: практическое руководство для профессионалов в области OEHS
    . АМСЗ. п. 28. ISBN 978-1-931504-28-7 .
20. Гальвери, Уильям Л .; Марлоу, Фрэнк М. (2001). Основы сварки: вопросы и ответы
    . Industrial Press Inc. стр.185. ISBN 978-0-8311-3151-7 .
21. Lanz, W .; Odermatt, W .; Weihrauch3, G. (7–11 мая 2001 г.). КИНЕТИЧЕСКИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЕКТЫ: ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ, ТЕНДЕНЦИИ
    (PDF). 19-й Международный симпозиум по баллистике. Интерлакен, Швейцария.
22. Рамакришнан, П. (01.01.2007). «Порошковая металлургия для аэрокосмической промышленности». Порошковая металлургия: обработка для автомобильной, электротехнической / электронной и машиностроительной промышленности
    . New Age International. п. 38. ISBN 81-224-2030-3 .
23. Арора, Арран (2004). «Тяжелый вольфрамовый сплав для оборонных целей». Технология материалов
    .
    19
    (4): 210–216.
24. Moxson, V.S .; (Сэм) Froes, F.H. (2001). «Изготовление компонентов спортивного инвентаря методом порошковой металлургии». JOM
    .
    53
    (4): 39. Bibcode:2001JOM …. 53d..39M. Дои:10.1007 / s11837-001-0147-z.
25. ^ аб
    Хебда, Джон (2001-05-02). «Ниобиевые сплавы и применение при высоких температурах» (PDF).
    Наука и технология ниобия: Материалы международного симпозиума Niobium 2001 (Орландо, Флорида, США)
    . Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração. Архивировано из оригинал (pdf) 17 декабря 2008 г.
26. Уилсон, Дж. У. (1965). «Рений». Поведение и свойства тугоплавких металлов
    . Издательство Стэнфордского университета. ISBN 978-0-8047-0162-4 .

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.

Ниобий и его сплавы

Nb, или ниобий, – при обычных условиях серебристо-белый блестящий металл. Он также является тугоплавким, поскольку температура перехода в жидкое состояние для него составляет 2477 оС. Именно это качество, а также сочетание низкой химической активности и сверхпроводимости позволяет ниобию становиться все более популярным в практической деятельности человека с каждым годом. Сегодня этот металл используется в таких отраслях, как:

• ракетостроение;
• авиационная и космическая промышленность;
• атомная энергетика;
• химическое аппаратостроение;
• радиотехника.

Этот металл сохраняет свои физические свойства даже при очень низких температурах. Изделия на его основе отличаются коррозионной устойчивостью, жаростойкостью, прочностью, отличной проводимостью.

Этот металл добавляют к алюминиевым материалам для повышения химической стойкости. Из него изготовляют катоды и аноды, им легируют цветные сплавы. Даже монеты в некоторых странах делают с содержанием ниобия.

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

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).

Где и как применяются

Для всех сфер применения решающее преимущество данной группы – низкая температура плавления.

Особенности использования

На основании этого свойства легкоплавких металлов определены способы использования:

• Мягкие легкоплавы – материал пайки микросхем. Пайка обычным припоем исключена, поскольку создает перегрев, который их расплавит.
• Гораздо чаще используются сплавы. Они легкоплавки, но плотные, прочные на разрыв, химически инертны.
• Самые востребованные соединения: свинцовые, оловянные, кадмиевые, цинковые, ртутные. А также с висмутом, таллием, индием, галлием как базисным компонентом.

Области применения

Сферы применения материала: энергетика, машиностроение, электро-, радиотехника, химпром:

• Основа жидких теплоносителей, смазка.
• Выплавка моделей сложной конфигурации.
• Пожарный сегмент: термодатчики, клапаны тушения огня, другая аппаратура раннего оповещения о возгораниях.
• Основа термометров разных видов и предназначения.
• Верхний слой, предохранители, термодатчики микроэлектроники.
• Медицина. Материал протезов, фиксатор при переломах.

Это также проводники, антикоррозионные покрытия, компонент антифрикционных сплавов.

Используются уникальные свойства отдельных позиций из списка легкоплавов:

• Свинец – материал подшипников, предохранителей, аккумуляторов, оболочка кабеля. Это щит от радиоактивного излучения.
• Олово – защитный слой стали.
• Цинк – компонент латуней, анодное покрытие стальных изделий с высоким КПД.
• Галлий – заменитель ртути, сохраняющий вакуум в аппаратуре.

Легко плавящиеся сплавы образуют также щелочные металлы. На практике такие материалы используются мало из-за чрезмерной химической активности.