Тугоплавкость металлов: Тугоплавкие металлы и их сплавы

alexxlab | 14.03.2023 | 0 | Разное

Тугоплавкие металлы и их сплавы

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.

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.

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

Тугоплавкие сплавы на основе ниобия

Ниобий и его сплавы, благодаря высокой коррозионной стойкости, высокой жаропрочности (до 1300°C) и хорошей работе при нейтронном облучении, нашли широкое применение при изготовлении изделий атомной промышленности. В качестве примера сплавов на основе ниобия стоит назвать сплавы ВН2, ВН2А, ВН3.

Способы повышения жаропрочности и жаростойкости сплавов

Жаропрочность тугоплавких сплавов, как уже было сказано выше, повышают легированием элементами с более высокой температурой плавления, образующими в сплаве твердые растворы замещения. Большей эффективности повышения жаропрочности и в некоторых случаях износостойкости, удается добиться при дисперсионном твердении сплава с образованием карбидов (ZrC, NiC), нитридов (TiN) и оксидов (ZrO₂).

Все тугоплавкие металлы обладают низкой жаростойкостью, поэтому для их защиты при температурах выше 400°C используют интерметаллидные и керамические покрытия. Для молибдена и вольфрама используют покрытия на основе кремния (MoSi

2, WSi₂). [1]

Литература:

1. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева., Материаловедение, 1990

Недвижимости за рубежом, продажа, объявления на сайте Джейкет

Тугоплавкие металлы | это.

.. Что такое Тугоплавкие металлы?

H																		He
Li	Be												B	C	N	O	F	Ne
Na	Mg												Al	Si	P	S	Cl	Ar
K	Ca	Sc		Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
Rb	Sr	Y		Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
Cs	Ba	La	*	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
Fr	Ra	Ac	**	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg
			*	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu
			**	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr

Тугоплавкие металлы

Расширенная группа тугоплавких металлов[1]

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.

Содержание 1 Определение 2 Свойства 2.1 Физические свойства 2.2 Химические свойства 3 Применение 3.1 Вольфрам и его сплавы 3.2 Сплавы молибдена 3.3 Сплавы ниобия 3.4 Тантал 3.5 Сплавы рения 4 Общие свойства тугоплавких металлов 5 См. также 6 Примечания 7 Литература

Определение

Большинство определений термина тугоплавкие металлы определяют их как металлы имеющие высокие температуры плавления. По этому определению, необходимо, что бы металлы имели температуру плавления выше 2 200 °C. Это необходимо для их определения как тугоплавких металлов^[2]. Пять элементов — ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений входят в этот список как основные^[3], в то время как более широкое определение этих металлов позволяет включить в этот список еще и элементы имеющие температуру плавления 2123K (1850 °C) — титан, ванадий, хром, цирконий, гафний, рутений и осмий. Трансурановые элементы (все изотопы которых нестабильны и на земле их найти очень трудно) никогда не будут относиться к тугоплавким металлам^[4].

Свойства

Физические свойства

Свойства четвертой 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, г·см³	8,57	10,28	16,69	19,25	21,02
Модуль Юнга, ГПа	105	329	186	411	463
Твёрдость по Виккерсу, МПа	1320	1530	873	3430	2450

Температура плавления этих элементов самая высокая, исключая углерод и осмий. Данное свойство зависит не только от их свойств, но и от свойств их сплавов. Металлы имеют кубическую сингонию, исключая рений, у которого она принимает вид гексагональной плотнейшей упаковки. Большинство физических свойств элементов в этой группе существенно различается, потому что они являются членами различных групп

[5]^[6].

Сопротивление к деформации ползучести (англ.) является определяющим свойством тугоплавких металлов. У обычных металлов деформация начинается с температуры плавления металла, а отсюда деформация ползучести в алюминиевых сплавах начинается от 200 °C, в то время как у тугоплавких металлов она начинается от 1500 °C. Это сопротивление к деформации и высокая температура плавления позволяет тугоплавким металлам быть использованными, например, в качестве деталей реактивных двигателей или при ковке различных материалов^[7][8].

Химические свойства

На открытом воздухе подвергаются окислению. Эта реакция замедляется в связи с формированием пассивированного слоя. Оксид рения является очень неустойчивым, потому что при пропускании плотного потока кислорода его оксидная плёнка испаряется. Все они относительно устойчивы к воздействию кислот.^[5]

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.

Вольфрам и его сплавы

Основная статья: Вольфрам

Вольфрам был найден в 1781 году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов — 3422 °C.

Вольфрам.

Рений используется в сплавах с вольфрамом в концентрации до 22 %, что позволяет повысить тугоплавкость и устойчивость к коррозии.

Торий применяется в качестве легирующего компонента вольфрама. Благодаря этому повышается износостойкость материалов. В порошковой металлургии компоненты могут быть использованы для спекания и последующего применения. Для получения тяжёлых сплавов вольфрама применяются никель и железо или никель и медь. Содержание вольфрама в данных сплавах как правило выше 90 %. Смешивание легирующего материала с ним низкое даже при спекании^[9].

Вольфрам и его сплавы по-прежнему используются там, где присутствуют высокие температуры, но нужна однако высокая твёрдость и где высокой плотностью можно пренебречь^[10]. Нити накаливания, состоящие из вольфрама, находят свое применение в быту и в приборостроении. Лампы более эффективно преобразовывают электроэнергию в свет с повышением температуры^[9]. В вольфрамовой газодуговой сварке (

англ.) оборудование используется постоянно, без плавления электрода. Высокая температура плавления вольфрама позволяет ему быть использованным при сварке без затрат^[11][12]. Высокая плотность и твёрдость позволяют вольфраму быть использованным в артиллерийских снарядах^[13]. Его высокая температура плавления применяется при строении ракетных сопел, примером может служить ракета «Поларис»^[14]. Иногда он находит свое применение благодаря своей плотности. Например, он находит свое применение в производстве клюшек для гольфа^[15][16]. В таких деталях применение не ограничивается вольфрамом, так как более дорогой осмий тоже может быть использован.

Сплавы молибдена

Основная статья: Молибден

Молибден.

Широкое применение находят сплавы молибдена. Наиболее часто используемый сплав — титан-цирконий-молибден — содержит в себе 0,5 % титана, 0,08 % циркония и остальное молибден. Сплав обладает повышенной прочностью при высоких температурах. Рабочая температура для сплава — 1060 °C. Высокое сопротивление сплава вольфрам-молибден (Mo 70 %, W 30 %) делает его идеальным материалом для отливки деталей из цинка, например, клапанов

[17].

Молибден используется в ртутных герконовых реле, так как ртуть не формирует амальгамы с молибденом^[18][19].

Молибден является самым часто используемым тугоплавким металлом. Наиболее важным является его использование в качестве усилителя сплавов стали. Применяется при изготовлении трубопроводов вместе с нержавеющей сталью. Высокая температура плавления молибдена, его сопротивляемость к износу и низкий коэффициент трения делают его очень полезным материалом для легирования. Его прекрасные показатели трения приводят его к использованию в качестве смазки где требуется надежность и производительность. Применяется при производстве ШРУСов в автомобилестроении. Большие месторождения молибдена находятся в Китае, США, Чили и Канаде

[20]^[21][22][23].

Сплавы ниобия

Основная статья: Ниобий

Ниобий.

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 путем 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 свое применение при создании сопел в жидкостных ракетных двигателях, например таких как Apollo CSM (англ.)^[24]. Применявшийся сплав не позволяет ниобию окисляться, так как реакция происходит при температуре от 400 °C^[24].

Тантал

Основная статья: Тантал (элемент)

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

Основная статья: Рений

Рений.

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^[25].

Общие свойства тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы и их сплавы привлекают внимание исследователей из-за их необычных свойств и будущих перспектив в применении.

Физические свойства тугоплавких металлов, таких как молибден, тантал и вольфрам, их показатели твёрдости и стабильность при высоких температурах делает их используемым материалом для горячей металлообработки материалов как в вакууме, так и без него. Многие детали основаны на их уникальных свойствах: например, вольфрамовые нити накаливания способны выдерживать температуры вплоть до 3073K.

Однако, их сопротивляемость к окислению вплоть до 500 °C делает это одним из главных недостатков этой группы. Контакт с воздухом может существенно повлиять на их высокотемпературные характеристики. Именно поэтому их используют в материалах, в которых они изолированы от кислорода (например лампочка).

Сплавы тугоплавких металлов — молибдена, тантала и вольфрама — применяются в деталях космических ядерных технологий. Эти компоненты были специально созданы в качестве материала способного выдержать высокие температуры (от 1350K до 1900K). Как было указано выше, они не должны контактировать с кислородом.

См. также

• Огнеупорные материалы
• Тугоплавкие сплавы

Примечания

1. ↑ H. Ortner International Journal of Refractory Metals and Hard Materials  (англ.). Elsevier. Архивировано из первоисточника 20 июня 2012. Проверено 26 сентября 2010.
2. ↑ Michael Bauccio Refractory metals // ASM metals reference book / American Society for Metals. — ASM International, 1993. — С. 120—122. — ISBN 19939780871704788
3. ↑ Wilson, J. W General Behaviour of Refractory Metals // Behavior and Properties of Refractory Metals. — Stanford University Press, 1965. — С. 1—28. — 419 с.  — ISBN 9780804701624
4. ↑ Joseph R. Davis Alloying: understanding the basics. — ASM International, 2001. — С. 308—333. — 647 с. — ISBN 9780871707444
5. ↑ ^{1 2} Borisenko, V. A. Investigation of the temperature dependence of the hardness of molybdenum in the range of 20—2500 °C // Журнал Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics. — 1963. — С. 182. — DOI:10.1007/BF00775076
6. ↑ Fathi, Habashi Historical Introduction to Refractory Metals // Журнал Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. — 2001. — С. 25—53. — DOI:10.1080/08827509808962488
7. ↑ Schmid, Kalpakjian Creep // Manufacturing engineering and technology. — Pearson Prentice Hall, 2006. — С. 86—93. — 1326 с. — ISBN 9787302125358
8. ↑ Weroński, Andrzej; Hejwowski, Tadeusz Creep-Resisting Materials // Thermal fatigue of metals. — CRC Press, 1991. — С. 81—93. — 366 с. — ISBN 9780824777265
9. ↑ ^{1 2} Erik Lassner, Wolf-Dieter Schubert Tungsten: properties, chemistry, technology of the element, alloys, and chemical compounds.  — Springer, 1999. — С. 255—282. — 422 с. — ISBN 9780306450532
10. ↑ National Research Council (U.S.), Panel on Tungsten, Committee on Technical Aspects of Critical and Strategic Material Trends in Usage of Tungsten: Report. — National Research Council, National Academy of Sciences-National Academy of Engineering, 1973. — С. 1—3. — 90 с.
11. ↑ Michael K. Harris Welding Health and Safety // Welding health and safety: a field guide for OEHS professionals. — AIHA, 2002. — С. 28. — 222 с. — ISBN 9781931504287
12. ↑ William L. Galvery, Frank M. Marlow Welding essentials: questions & answers. — Industrial Press Inc., 2001. — С. 185. — 469 с. — ISBN 9780831131517
13. ↑ W. Lanz, W. Odermatt, G. Weihrauch (7—11 мая 2001). “KINETIC ENERGY PROJECTILES: DEVELOPMENT HISTORY, STATE OF THE ART, TRENDS” in 19th International Symposium of Ballistics.. 
14. ↑ P. Ramakrishnan Powder metallurgyfor Aerospace Applications // Powder metallurgy: processing for automotive, electrical/electronic and engineering industry.  — New Age International, 2007. — С. 38. — 381 с. — ISBN 8122420303
15. ↑ Arora, Arran Tungsten Heavy Alloy For Defence Applications // Журнал Materials Technology. — 2004. — В. 19. — № 4. — С. 210—216.
16. ↑ V. S. Moxson, F. H. Froes Fabricating sports equipment components via powder metallurgy // Журнал JOM. — 2001. — В. 53. — С. 39. — DOI:10.1007/s11837-001-0147-z
17. ↑ Robert E. Smallwood TZM Moly Alloy // ASTM special technical publication 849: Refractory metals and their industrial applications: a symposium. — ASTM International, 1984. — С. 9. — 120 с. — ISBN 19849780803102033
18. ↑ Kozbagarova, G. A.; Musina, A. S.; Mikhaleva, V. A. Corrosion Resistance of Molybdenum in Mercury // Журнал Protection of Metals. — 2003. — В. 39. — С. 374—376. — DOI:10.1023/A:1024903616630
19. ↑ Gupta, C. K. Electric and Electronic Industry // Extractive Metallurgy of Molybdenum. — CRC Press, 1992.  — С. 48—49. — 404 с. — ISBN 9780849347580
20. ↑ Michael J. Magyar Commodity Summary 2009:Molybdenum. United States Geological Survey. Архивировано из первоисточника 20 июня 2012. Проверено 26 сентября 2010.
21. ↑ D.R. Ervin, D.L. Bourell, C. Persad, L. Rabenberg Structure and properties of high energy, high rate consolidated molybdenum alloy TZM // Журнал Materials Science and Engineering: A. — 1988. — В. 102. — С. 25.
22. ↑ Neikov Oleg D. Properties of Molybdenum and Molybdenum Alloys powder // Handbook of Non-Ferrous Metal Powders: Technologies and Applications. — Elsevier, 2009. — С. 464—466. — 621 с. — ISBN 9781856174220
23. ↑ Joseph R. Davis Refractory Metalls and Alloys // ASM specialty handbook: Heat-resistant materials. — ASM International, 1997. — С. 361—382. — 591 с. — ISBN 9780871705969
24. ↑ ^{1 2} John Hebda Niobium alloys and high Temperature Applications // Журнал Niobium Science & Technology: Proceedings of the International Symposium Niobium 2001 (Orlando, Florida, USA).  — Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração, 2001.
25. ↑ J. W. Wilson Rhenium // Behavior and Properties of Refractory Metals. — Stanford University Press, 1965. — ISBN 9780804701624

Литература

• Levitin, Valim High Temperature Strain of Metals and Alloys: Physical Fundamentals. — WILEY-VCH, 2006. — ISBN 978-3-527-31338-9
• Brunner, T. Chemical and structural analyses of aerosol and fly-ash particles from fixed-bed biomass combustion plants by electron microscopy, 1st World Conference on Biomass for Energy and Industry: proceedings of the conference held in Sevilla, Spain, 5—9 June 2000, London: James & James Ltd (2000). Проверено 26 сентября 2010.
• Donald Spink Reactive Metals. Zirconium, Hafnium, and Titanium // Журнал Industrial & Engineering Chemistry. — 1961. — В. 53. — № 2. — С. 97—104. — DOI:10.1021/ie50614a019
• Earl Hayes Chromium and Vanadium // Журнал Industrial & Engineering Chemistry.  — 1961. — В. 53. — № 2. — С. 105—107. — DOI:10.1021/ie50614a020

Тугоплавкие металлы | All Metals & Forge Group

Тугоплавкие металлы характеризуются чрезвычайно высокими температурами плавления, которые намного выше, чем у железа, кобальта и никеля. Они используются в сложных условиях, требующих жаропрочности и коррозионной стойкости. Наиболее широко используемыми из этих металлов являются вольфрам, тантал, молибден и колумбий (ниобий). Они взаимно растворимы и образуют между собой твердорастворные сплавы в любом соотношении. Эти четыре тугоплавких металла и их сплавы доступны в форме мельниц, а также в виде таких продуктов, как винты, болты, шпильки и трубки.

Хотя температуры плавления всех этих металлов значительно выше 4000°F, они окисляются при гораздо более низких температурах. Ускоренное окисление на воздухе происходит при 190°С для вольфрама, 395°С для молибдена, 425°С для тантала и колумбия. Поэтому на эти металлы необходимо наносить защитные покрытия, если они будут использоваться при более высоких температурах. Прочность на растяжение и предел текучести тугоплавких металлов в основном сохраняются при высокой температуре.

Колумбий и тантал: Эти металлы обычно рассматриваются вместе, поскольку большинство их рабочих характеристик схожи. Они могут быть изготовлены большинством обычных методов при комнатной температуре. Тяжелые профили для ковки можно нагревать без защиты примерно до 425°C.

Из нескольких танталовых сплавов товарного качества те, которые содержат вольфрам, колумбий и молибден, обычно сохраняют коррозионную стойкость тантала и обеспечивают более высокие механические свойства. Колумбий также доступен в сплавах, содержащих тантал, вольфрам, молибден, ванадий, гафний, цирконий или углерод. Сплавы обеспечивают улучшенные свойства при растяжении, текучести и ползучести, особенно в диапазоне температур от 1100 до 1650°C.

Большая часть листового металла из колумбия и тантала производится в диапазоне толщин от 0,004 до 0,060 дюйма. Колумбий, как и тантал, может быть сварен сам с собой и с некоторыми другими металлами контактной сваркой, сваркой вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG) , а к себе дуговой сваркой в ​​среде инертного газа. Электронно-лучевая сварка также может использоваться, в частности, для соединения с другими металлами. Однако поверхности, нагретые во время сварки выше 315°C, должны быть защищены инертным газом для предотвращения охрупчивания.

В основном тантал применяется в анодах конденсаторов, нитях накала, газопоглотительных устройствах, оборудовании для химических процессов и компонентах высокотемпературных аэрокосмических двигателей. Колумбий используется в сверхпроводящих материалах, тонкопленочных подложках, электрических контактах, теплоотводах, а также в качестве легирующей добавки в сталях и жаропрочных сплавах.

Молибден: Вероятно, самый универсальный из тугоплавких металлов, молибден также является природным ресурсом Соединенных Штатов. Это превосходный конструкционный материал для применений, требующих высокой прочности и жесткости при температурах до 3000°F, где он может работать в вакууме или в инертной или восстановительной атмосфере.

Молибден нелегированный и его основной сплав ТЗМ получают методами порошковой металлургии и вакуумно-дуговой плавки. Оба они коммерчески доступны в обычных формах проката: поковочные заготовки, стержни, прутки, проволока, бесшовные трубы, пластины, полосы и тонкая фольга. По сравнению с нелегированным молибденом сплав TZM (Mo-0,5%Ti-0,1%Zr) развивает более высокую прочность при комнатной температуре и значительно более высокие свойства сопротивления разрушению и ползучести при всех повышенных температурах. При температуре от 1800 до 2000°F TZM может выдерживать давление 30 000 фунтов на квадратный дюйм в течение более 100 часов, что в три раза больше, чем для нелегированного молибдена.

Молибден и TZM легко обрабатываются обычными инструментами. Лист может обрабатываться штамповкой, штамповкой, центрифугированием и глубокой вытяжкой. Некоторые детали могут быть выкованы по форме. Молибденовую проволоку и порошок можно напылять пламенем на стальные подложки для спасения изношенных деталей или для изготовления износостойких поверхностей с низким коэффициентом трения для инструментов.

В неокисляющих средах металл устойчив к воздействию соляной, плавиковой, серной и фосфорной кислот. Молибден окисляется при высоких температурах с образованием летучего нетоксичного триоксида молибдена; однако такие детали, как шарнирные сопла, успешно использовались в ракетах и ​​системах наведения ракет, когда время воздействия очень высоких температур баллистических газов было коротким.

Детали из молибдена можно сваривать инерционным, контактным и точечным способами на воздухе; сваркой TIG и MIG в инертной атмосфере; и электронно-лучевой сваркой в ​​вакууме. Наилучшие швы получают сваркой инерцией (трением) и электронно-лучевой сваркой; сварные швы, выполненные другими методами, менее пластичны. Как правило, металл дуговой отливки дает лучшие сварные швы, чем изделия порошковой металлургии. Тяжелые секции из молибдена должны быть предварительно нагреты и подвергнуты последующему нагреву при сварке, чтобы уменьшить термические напряжения.

Поскольку модуль упругости молибдена составляет 47–106 фунтов на квадратный дюйм при комнатной температуре, он используется для расточных оправок и пиноли высокоскоростных внутренних шлифовальных станков, чтобы избежать вибрации и вибрации. Его относительно высокая электропроводность делает нелегированный молибден полезным для электрических и электронных применений. Он используется в производстве ламп накаливания, в качестве подложек в твердотельных электронных устройствах, в качестве электродов для оборудования электроэрозионной обработки и для плавки стекла, а также в качестве нагревательных элементов и отражателей или радиационных экранов для высокотемпературных вакуумных печей.

Поскольку он сохраняет полезную прочность при повышенных температурах, имеет низкий коэффициент теплового расширения и устойчив к эрозии расплавленными металлами, сплав TZM используется для изготовления стержней при литье алюминия под давлением и для полостей штампов при литье латуни, бронзы, и даже из нержавейки. Штампы из сплава ТЗМ массой в несколько тысяч фунтов используются для изотермической штамповки деталей из жаропрочных сплавов для авиационных газовых турбин, а штамповые вставки из ТЗМ – для штамповки стальных профилей. Прошивные наконечники TZM используются для производства бесшовных труб из нержавеющей стали.

Вольфрам: Во многих отношениях вольфрам подобен молибдену. Два металла имеют примерно одинаковую электропроводность и удельное сопротивление, коэффициент теплового расширения и примерно одинаковую стойкость к коррозии минеральными кислотами. Оба обладают высокой прочностью при температурах выше 2000°F, но поскольку температура плавления вольфрама выше, он сохраняет значительную прочность при более высоких температурах, чем молибден. Модуль упругости вольфрама примерно на 25% выше, чем у молибдена, а его плотность почти вдвое больше, чем у молибдена. Весь товарный нелегированный вольфрам производится методами порошковой металлургии; он доступен в виде стержня, проволоки, пластины, листа и некоторых кованых форм. Для некоторых специальных применений можно производить вольфрам с вакуумно-дуговым плавлением, но это дорого и ограничено относительно небольшими участками.

Несколько вольфрамовых сплавов получают путем жидкофазного спекания прессовок вольфрамового порошка со связующими из комбинаций никель-медь, железо-никель, железо-медь или никель-кобальт-молибден; вольфрам обычно составляет от 85 до 95% сплава по весу. Эти сплавы часто называют тяжелыми металлами или обрабатываемыми вольфрамовыми сплавами. В компактных формах сплавы можно обрабатывать точением, сверлением, расточкой, фрезерованием и формообразованием; они не доступны в форме продуктов проката, потому что они не могут быть обработаны при любой температуре.

Сплавы тяжелых металлов особенно подходят для противовесов самолетов и в качестве грузов в гирационных компасе. Вставки из тяжелых металлов используются в качестве сердечников тяжелых боевых снарядов. Вольфрамовые сплавы широко используются в качестве противовесов в спортивном оборудовании, таком как клюшки для гольфа и теннисные ракетки. Защита от рентгеновских лучей – еще одно важное применение вольфрамовых сплавов.

Нити накаливания для ламп накаливания обычно представляют собой катушки из очень тонкой нелегированной вольфрамовой проволоки. Электронные лампы часто изготавливаются из вольфрама в качестве нагревателей; в некоторых современных лампах используются нагреватели из вольфрамового сплава, содержащего 3% рения. Термопара, рассчитанная на 4350°F, состоит из одной вольфрамовой проволоки, легированной 25% рения, и другой проволоки, легированной 5% рения.

Сопловые горловины из кованого и обработанного нелегированного вольфрама используются в твердотопливных ракетных двигателях; одно время из пористых сростков вольфрамового порошка, пропитанных серебром, вырезали горловины для воздействия газов при температурах около 3500 °С. Нелегированный вольфрам используется для рентгеновских мишеней, для нитей накала в печах вакуумной металлизации и для электрических контактов, таких как точки распределения в автомобильных системах зажигания. Вольфрамовые электроды составляют основу сварки TIG. Водоохлаждаемые вольфрамовые наконечники применяются для вакуумно-дуговой плавки сплавов неплавящимся электродом.

Режущие инструменты и детали, которые должны противостоять сильному истиранию, часто изготавливаются из карбида вольфрама. Стружка или вставки из карбида вольфрама со шлифованными режущими кромками прикрепляются к корпусам стальных инструментов пайкой или винтами. Более высокие скорости резания и более длительный срок службы инструмента, ставшие возможными благодаря использованию инструментов из карбида вольфрама, таковы, что пластины выбрасываются после одного использования.

Матрицы из карбида вольфрама уже много лет используются для волочения проволоки. Вставки из карбида вольфрама используются во вращающихся долотах для бурения нефтяных и газовых скважин и при добыче полезных ископаемых. Плавленый карбид вольфрама наносится на поверхности горнодобывающей техники, подверженной сильному износу.

Все, что вам нужно знать о тугоплавких металлах

Все, что вам нужно знать о тугоплавких металлах

---

---

0 Комментарий админ

просмотров сообщений: 4,546

Хотите узнать больше о тугоплавких металлах? Тогда вы пришли в нужное место. В этой статье вы найдете все, что вам нужно знать о тугоплавких металлах .

Все, что вам нужно знать о тугоплавких металлах

Прежде всего, что такое тугоплавкие металлы?

Тугоплавкие металлы относятся к металлам с температурой плавления выше 3632°F и определенным количеством запасов, включая вольфрам, тантал, молибден, ниобий, гафний, хром, ванадий, цирконий и титан.

Обычно тугоплавкие металлы имеют большую плотность и большой вес. Сплавы с тугоплавким металлом в качестве матрицы, сплавы с добавлением других элементов называются сплавами тугоплавких металлов, включая сплавы вольфрама, сплавы молибдена, сплавы ниобия, сплавы титана, сплавы ванадия, сплавы хрома, сплавы рения, сплавы хрома и циркония, сплавы тантала и пуговиц. и т. д.

Кроме того, тугоплавкие металлы обычно могут быть изготовлены в виде листов, полос, фольги, труб, стержней, нитей, профилей и продуктов порошковой металлургии, таких как танталовый стержень , молибденовая проволока , вольфрамовая пластина , и скоро.

Все, что вам нужно знать о тугоплавких металлах –  Открытие

Поскольку тугоплавкие металлы обладают очень активными химическими свойствами, а процессы их извлечения сложны, люди впервые открыли тугоплавкие металлы поздно.

Молибден был впервые обнаружен в 1782 году шведским химиком Джиммером (П.Дж.Хьельм). Вольфрамовый порошок был впервые извлечен испанскими братьями де Люр в 1783 году методом углеродного восстановления. Хром был извлечен французским химиком Л. Н. Вокленом в 1798 г. В 1866 г. Ч. В. Бломстранд открыл ниобий путем восстановления хлорида ниобия водородом. Пластический тантал был впервые добыт в Германии по имени Болтон в 1903 году. Металлический цирконий и титан были впервые обнаружены соответственно в 1824 и 1910 годах. Металлический рений не был открыт до 19 века.25.

Все, что вам нужно знать о тугоплавких металлах –  Разработка

До 20 века тугоплавкие металлы широко использовались. В 1909 г. американец У. Д. Кулидж впервые применил метод порошковой металлургии для получения вольфрамовой заготовки. После обжатия и растяжения материал стал вольфрамовой проволокой для лампочек.

В 1910 г. молибден перерабатывался в стержни, детали и проволоку. В середине 1940-х годов бурное развитие тугоплавких металлических материалов и технологии их обработки быстро развиваются в связи с потребностями авиации, аэрокосмической техники, электроники и атомной энергетики.

Таким образом, получили развитие плавка тугоплавких металлов, порошковая металлургия и обработка пластмасс. В 1940-х годах появилась первая вакуумная электродуговая печь белого цвета. В 1950-х годах была изобретена электронно-лучевая плавильная печь.

Электронно-лучевая плавильная печь

С 1960-х годов появилось много новых технологий, в том числе холодное, горячее изостатическое прессование, прецизионное литье, изотермическая деформация, сварка и ряд порошковой металлургии, литье, обработка пластмасс, термообработка и так далее.

С помощью этих передовых технологий было произведено большое количество материалов из тугоплавких металлов и тугоплавких сплавов. В 1956 году А. Каверли извлек монокристаллы вольфрама, молибдена и рения чистотой выше 4N с помощью технологии электронно-лучевой подвесной плавки.

Все, что вам нужно знать о тугоплавких металлах – Свойства

Низкотемпературная хрупкость

Тугоплавкие металлы не треснут и не сломаются при высоких температурах и могут выдерживать многократный нагрев или тепловой удар. Вольфрам, молибден, хром и другие тугоплавкие металлы при низких температурах склонны становиться хрупкими, а при высоких температурах превращаться в пластичные.

Температура вязко-хрупкого перехода (DBTT) является важным показателем пластичности обработки и использования тугоплавких металлов. На DBTT могут влиять многие факторы, такие как чистота материала, состав сплавов, методы обработки и структуры. Есть два способа уменьшить DBTT. Одним из них является добавление легирующих элементов в тугоплавкие металлы.

Например, в вольфрам можно добавить рений. Другой путь — выбор более разумных методов обработки, например, технологии переработки пластика.

Стойкость к окислению

Тугоплавкие металлы высокой плотности очень стабильны при комнатной температуре и не легко окисляются на воздухе. Однако тугоплавкие металлы быстро окисляются при высоких температурах.

Вольфрам и молибден начинают окисляться при температуре около 752°F. Они будут окисляться и превращаться соответственно в WO3 и MoO3 при повышении температуры. Когда температура достигает 1562°F и 1112°F, материалы заметно сублимируются. Рений начинает окисляться при 572°F и превращается в Re2O7 при температуре 662°F.

Тантал и ниобий начинают окисляться при температурах 536°F и 392°F. Когда температура превышает 932°F, они превращаются в Ta2O5 и Nb2O5. Титан и цирконий могут быстро окисляться при температуре от 1112℉ до 1292℉. Порошок циркония и титана может самовоспламеняться на воздухе и даже гореть со взрывом.

Чтобы решить проблему окисления, есть две меры. Первый занимается производством сплавов-антиоксидантов, а второй – покрывает тугоплавкие металлы антиокислительными покрытиями.

Однако проблема окисления тугоплавких металлов при высоких температурах до сих пор полностью не решена.

Стойкость к окислению

Стойкость к окислению

Вольфрам, молибден, рений не реагируют с водородом, но их оксиды могут быть восстановлены до металла водородом при определенной температуре. Вольфрам, молибден и рений могут стать хрупкими при поглощении водорода. Когда температура достигает от 572 ° F до 932 ° F, эти металлы будут поглощать большое количество водорода и превращаться в хрупкий гидрид металла.

В условиях высокого вакуума выделяется водород. Поэтому эту особенность тугоплавких металлов можно использовать для получения порошка сплава титана, циркония, тантала и ниобия.

Водородная реакция

Коррозионная стойкость

Тугоплавкие металлы обладают хорошей коррозионной стойкостью. При температуре ниже 302°F на поверхности тантала образуется плотная и стабильная оксидная пленка. Поэтому химические свойства тантала очень стабильны.

Тантал обладает отличной стойкостью к серной, соляной, азотной, фосфорной, органическим кислотам и гидрохлориду азотной кислоты, но плавится в плавиковой кислоте, концентрированном растворе щелочи и расплавленном основании.

Коррозионная стойкость ниобия аналогична стойкости тантала, но не так хороша, как Ta. Вольфрам очень стабилен при комнатной температуре в соляной, серной, азотной, плавиковой кислоте и царской водке, но легко подвергается коррозии нитратом натрия. Молибден похож на вольфрам, но не так хорош в коррозионной стойкости.

В общем, тантал, ниобий, титан, цирконий и другие тугоплавкие металлы являются отличными антикоррозионными материалами для работы в качестве защитных слоев.

Все, что вам нужно знать о тугоплавких металлах –  Применение

С развитием науки и техники к материалам предъявляются все более жесткие требования. В настоящее время традиционные материалы не могут удовлетворить эти новые потребности, но огнеупорных материалов играют незаменимую роль в областях национальной обороны и военной промышленности, аэрокосмической промышленности, электронной информации, энергетики, химической защиты, металлургии и атомной промышленности.

Атомная промышленность

Применение тугоплавких металлов в атомной промышленности в основном трубы из циркония , за которыми следуют вольфрам и молибден. Цирконий обладает хорошей стойкостью к радиационной и водной коррозии, поэтому он особенно подходит для различных трубопроводов в реакторах «Чистая вода».

В целях повышения ядерной безопасности и предотвращения ядерной утечки инерционный накопитель энергии из высокоплотного сплава на основе вольфрама, используемый в ядерных реакторах нового поколения, может поддерживать цикл охлаждения 3-5 мин без питания после аварии .

Таким образом, мы можем выиграть ценное аварийное время для устранения аварий и предотвратить прогорание ядерного реактора и утечку ядерных материалов. Кроме того, тугоплавкие металлы и сплавы часто используются в качестве резервуаров для хранения ядерных отходов.

Электронные информационные технологии

В новом поколении интегральных схем потребность в рассеивании тепла и устойчивости к температуре будет увеличивать спрос на вольфрамовые и молибденовые подложки по мере того, как проводка становится все тоньше и тоньше (в настоящее время до 0,2 мкм). Огнеупорные материалы также широко используются в опорных деталях, стопорных кольцах и базовых опорах в электронной промышленности.

Сплав вольфрама и композитные материалы W-Cu являются хорошими электродными материалами, поскольку вольфрам обладает хорошей функцией электронной эмиссии, которая широко используется в электроэрозионной обработке, направляющем блоке электровоза, переключателе сверхвысокого напряжения и сварке в энергетике.

Кроме того, сплав W-Re во многих случаях заменил платину в качестве термопары для измерения температуры, а высокопроизводительная вольфрам-рениевая проволока также использовалась в качестве кинескопа для передачи электронов в тысячи домов.

Космос, океан и медицина

В 21 веке многие страны активно готовятся к строительству космических станций и подводных миров в надежде на мирное использование космического пространства и морских сокровищниц.

В космическом пространстве много пылевых частиц и космического мусора, которые требуют высокоинтенсивных материалов и в то же время могут противостоять излучению высокоэнергетических лучей во Вселенной. Здесь огнеупорные материалы имеют уникальные преимущества. Например, космическая станция «Мир» бывшего Советского Союза и космический шаттл США использовали много огнеупорных материалов.

Точно так же коррозионное воздействие морской воды недопустимо для обычных материалов. Титан — лучший выбор для создания постоянной среды обитания человека на дне океана. Он не только легкий по весу и обладает высокой прочностью, но и обладает хорошей коррозионной стойкостью.

Ниобиевый сплав обладает хорошей устойчивостью к коррозии крови и может использоваться для изготовления сосудистых каркасов. W, W-Mo, W-Re и W-графит использовались в качестве мишеней для рентгеновских лучей в медицине, спасая бесчисленное количество жизней. Тугоплавкие металлы также используются в ультразвуковом электроде для дробления камня, многомерной самосборной лучевой решетке, гамма-ноже и коллиматоре ультразвукового ножа-концентратора и других передовых медицинских учреждениях.