тугоплавкие минералы содержат какие элементы
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:
Физические свойства тугоплавких металлов
Химические свойства также достаточно схожие:
К основным недостаткам тугоплавких металлов относятся:
Производство тугоплавких металлов
Все способы производства тугоплавких металлов основаны на методиках так называемой порошковой металлургии. Сам процесс происходит в несколько этапов:
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:
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:
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 — вольфрам, молибден, ниобий, тантал
Вольфрам входит в 4-ю группу периодической системы Менделеева. Его атомный номер 74, атомная масса 183,85. Природный вольфрам состоит из смеси пяти изотопов
Массовые числа изотопов: 180 182 183 184 186
Содержание природной смеси 0,13 26,31 14,28 30,64 28,64
Определение
Большинство определений термина тугоплавкие металлы определяют их как металлы имеющие высокие температуры плавления. По этому определению, необходимо, чтобы металлы имели температуру плавления выше 4,000 °F (2,200 °C). Это необходимо для их определения как тугоплавких металлов. Пять элементов — ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений входят в этот список как основные, в то время как более широкое определение этих металлов позволяет включить в этот список ещё и элементы имеющие температуру плавления 2123 K (1850 °C) — титан, ванадий, хром, цирконий, гафний, рутений и осмий. Трансурановые элементы (которые находятся за ураном, все изотопы которых нестабильны и на земле их найти очень трудно) никогда не будут относиться к тугоплавким металлам.
Тугоплавкие сплавы на основе вольфрама
Представителем таких сплавов является сплав вольфрама и ниобия ВВ2 с температурой жаропрочности до 1200°C. Для повышения коррозионной стойкости и тугоплавкости вольфрамовые сплавы легируют рением. А для повышения износостойкости торием.
Характеристика механических свойств металлов
Таблица прочности металлов поможет определить предел прочности тугоплавкого металла при растяжении, а также показатель прочности каждого вида.
Сплавы на основе молибдена
Молибден и его сплавы являются наверное самыми частоиспользуемыми из всех тугоплавких. В промышленности часто используются сплавы легированные цирконием, бором, титаном, ниобием: сплавы ЦМ3, ЦМ6, ЦМ2А, ВМ3
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) | — | — |
Применение
Тугоплавкие металлы используются в качестве источников света, деталей, смазочных материалов, в ядерной промышленности в качестве АРК, в качестве катализатора. Из-за того, что они имеют высокие температуры плавления, они никогда не используются в качестве материала для выплавки на открытом месте. В порошкообразном виде материал уплотняют с помощью плавильных печей. Тугоплавкие металлы можно переработать в проволоку, слиток, арматуру, жесть или фольгу.
Сплавы ниобия
Тёмная часть сопла Apollo CSM сделана из сплава титан-ниобий.
Ниобий почти всегда находится вместе с танталом; ниобий был назван в честь Ниобы, дочери Тантала в греческой мифологии. Ниобий находит множество путей для применения, некоторые он разделяет с тугоплавкими металлами. Его уникальность заключается в том, что он может быть разработан путём отжига для того, чтобы достичь широкого спектра показателей твёрдости и упругости; его показатель плотности самый малый по сравнению с остальными металлами данной группы. Он может применяться в электролитических конденсаторах и является самым частым металлом в суперпроводниковых сплавах. Ниобий может применяться в газовых турбинах воздушного судна, в электронных лампах и ядерных реакторах.
Сплав ниобия C103, который состоит из 89 % ниобия, 10 % гафния и 1 % титана, находит своё применение при создании сопел в жидкостных ракетных двигателях, например таких как Apollo CSM (англ.). Применявшийся сплав не позволяет ниобию окисляться, так как реакция происходит при температуре от 400 °C.
Тантал
Тантал является самым стойким к коррозии металлом из всех тугоплавких металлов.
Важное свойство тантала было выявлено благодаря его применению в медицине — он способен выдерживать кислую среду (организма). Иногда он используется в электролитических конденсаторах. Применяется в конденсаторах сотовых телефонов и компьютера.
Сплавы рения
Рений является самым последним открытым тугоплавким элементом из всей группы. Он находится в низких концентрациях в рудах других металлов данной группы — платины или меди. Может применяться в качестве легирующего компонента с другими металлами и придает сплавам хорошие характеристики — ковкость и увеличивает предел прочности. Сплавы с рением могут применяться в компонентах электронных приборов, гироскопах и ядерных реакторах. Самое главное применение находит в качестве катализатора. Может применяться при алкилировании, деалкилировании, гидрогенизации и окислении. Его столь редкое присутствие в природе делает его самым дорогим из всех тугоплавких металлов.
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.
Общие свойства тугоплавких металлов
| 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 |
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:
Самый тугоплавкий металл
Тугоплавкость металлов
Внимание этой характеристике уделяют все инженеры и конструкторы, работающие в машиностроении. В зависимости от величины этой характеристики, человек может рассчитать и определить в какую конструкцию можно применить те или иные тугоплавкие материалы.
Материалы, температура плавления который выше температуры плавления железа, равной 1539 °С, называются тугоплавкими. Самые тугоплавкие материалы:
Полный список содержит больше химических элементов, но не все из них получили распространенное применение в производстве и некоторые обладают меньшими температурами плавления или радиоактивны.
Вольфрам – самый тугоплавкий металл. На вид он светло-серого цвета, твердость и вес достаточно велики. Однако, он становится хрупким при низких температурах и его легко сломать (хладноломкость). Если нагреть вольфрам больше 400 °С, он станет пластичным. С другими веществами вольфрам плохо соединяется. Добывают его из сложных и редких минералов руд, таких как:
Переработка руды очень сложный и дорогостоящий процесс. Извлеченный материал формируют в бруски или готовые детали.
Вольфрам был открыт в XVIII веке, но долгое время не существовало печей, способных нагреваться до температуры плавления этого тугоплавкого металла. Ученые провели множество исследований и подтвердили, что вольфрам самый тугоплавкий металл. Стоит отметить, что по одной из теорий, сиборгий имеет большую температуру плавления, но не удается провести достаточное количество исследований, т.к. он радиоактивен и нестабилен.
Добавление вольфрама в сталь увеличивает ее твердость, поэтому его стали применять в изготовлении режущего инструмента, что увеличило скорость резания и тем самым привело к росту производства.
Высокая стоимость и трудность обработки этого тугоплавкого металла сказываются на сферах его применения. Он используется в тех случаях, когда нет возможности применить другой. Его достоинства:
Переработка металлической руды
Все эти характеристики помогают вольфраму найти широкое применение в различных сферах, таких как:
Такой перечень отраслей, где используется этот тугоплавкий металл говорит о том, что его значение для человечества очень велико. Ежегодно по всему миру изготавливают десятки тысяч тон чистого вольфрама и с каждым годом потребность в нем растет.
Получение тугоплавких материалов
Основная трудность, встречающаяся при получении тугоплавких металлов и сплавов, это их высокая химическая активность, которая мешает быть элементу в чистом виде.
Установка для получения тугоплавких металлов
Наиболее распространенной технологией получения считается порошковая металлургия. Существует несколько способов получить порошок тугоплавкого металла.
Производство тугоплавких металлов
Полученный этими способами порошок в дальнейшем подвергают к спеканию в специальные формы, для дальнейшей транспортировки и хранения.
На сегодняшний день, эти способы получения чистых тугоплавких металлов продолжают дорабатываться и применяются новые техники извлечения материала из горных пород. С развитием ядерной энергетики, космической отрасли, металлургии, мы в скором времени сможем наблюдать появление новых методов, возможно более дешевых и простых.
Применение тугоплавких материалов
Сферы, в которых применяются тугоплавкие металлы и сплавы:
Объединяет все эти сферы использование новейших технологий и процессов. В основном используются в электрических приборах, лампах, электродах, катодах, предохранителях и многом другом.
Нашли они свое применение и в ядерной энергетике. Тугоплавкие металлы применяют для производства труб ядерных реакторов, оболочек и других элементов АЭС.
В химической промышленности нашли свое применение вольфрам, для окраски тканей, и тантал, антикоррозионные свойства которого применяются при изготовлении посуды и аппаратуры.
Использование тугоплавких металлов в составе прокатных сталей усиливает определенные свойства тех. Это способствует увеличению прочности, температуре плавления и многим другим свойствам.
Ежегодно выпускается миллионы тонн тугоплавких металлов по всему миру. Они используются в составе различных сплавов и сталей. Без них невозможно изготовить качественный инструмент и материал. Развитие военно-промышленного комплекса, самолетостроения, кораблестроения, создание космических кораблей, безопасность в атомной промышленности невозможна без их применения.