Тугоплавкие металлы:свойства, типы и применение

Тугоплавкие металлы широко используются из-за их уникальных и желательных свойств и поведения, особенно их устойчивости к коррозии и их исключительной стойкости к износу и нагреву.

Эти металлы в основном используются в области машиностроения, науки и металлургии. К пяти основным элементам, принадлежащим к этому классу металлов, относятся следующие:

• Молибден (Mo)
• Рений (Re)
• Ниобий (Nb)
• Вольфрам (W)
• Тантал (Та)

Эти пять из этих элементов имеют несколько общих ключевых свойств, таких как высокий уровень твердости при комнатной температуре и высокая температура плавления, особенно при температуре выше 3600 градусов по Фаренгейту (2000 градусов по Цельсию). (Подробнее о повышении твердости см. в разделе Азотирование для повышения коррозионной стойкости и износостойкости.)

Тугоплавкие металлы также имеют высокую плотность и химически инертны. Их высокие температуры плавления уступают место порошковой металлургии в качестве выбора для производства различных компонентов.

Некоторые из наиболее распространенных применений тугоплавких металлов включают проволочные нити, инструменты, химические сосуды в агрессивных средах и литейные формы. Благодаря очень высокой температуре плавления тугоплавкие металлы очень стабильны.

Теперь давайте более подробно рассмотрим тугоплавкие металлы, включая их характеристики, свойства, преимущества и области применения:

Основные характеристики тугоплавких металлов

Одним из основных определяющих факторов тугоплавких металлов является жаростойкость. Все пять металлов этого класса характеризуются температурой плавления выше 3632 градусов по Фаренгейту (2000 градусов по Цельсию).

Тугоплавкие металлы также остаются прочными при экстремально высоких температурах и по своей природе твердые, что делает их идеальными для сверления и режущих инструментов. Тугоплавкие металлы обладают высокой устойчивостью к таким факторам, как термический удар. Это означает, что они не будут трескаться, расширяться или напрягаться при неоднократном охлаждении и нагревании. (Подробнее о металлах при нагревании см.: Пять главных соображений при нанесении покрытия на высокотемпературные поверхности .)

Более того, все пять металлов этой группы обладают высокой плотностью и хорошими тепловыми и электрическими свойствами. Они также устойчивы к ползучести, поэтому подвергаются медленной деформации при воздействии очень напряженных сред или условий. Это связано с тем, что тугоплавкие металлы могут образовывать защитный слой, делая их устойчивыми к коррозии, несмотря на то, что они могут подвергаться окислению при высоких температурах.

Физические и химические свойства тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы можно классифицировать по их уникальным физическим и химическим свойствам. И чтобы получить максимальную отдачу от этих элементов, очень важно полностью их понять.

Физические свойства тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы отличаются следующими ключевыми физическими свойствами:

• Высокая температура кипения. Температура плавления тугоплавких металлов выше, чем у всех других металлов, кроме углерода, осмия и иридия.
• Объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура.
• Высокое сопротивление ползучести.

Тем не менее, конкретные характеристики тугоплавких металлов довольно сильно различаются, поскольку они принадлежат к разным группам периодической таблицы.

Например, из всех пяти тугоплавких металлов рений имеет самую высокую температуру плавления — 5757 градусов по Фаренгейту (3186 градусов по Цельсию), а самую низкую — 4491 градусов по Фаренгейту (2477 °C) у ниобия. Что касается температуры кипения, ниобий имеет температуру 8 572 градуса по Фаренгейту (4 744 градуса по Цельсию), а рений — 10 105 градусов по Фаренгейту (5 596 градусов по Цельсию). (Дополнительную информацию о применении высокотемпературных материалов см. в разделе: Все на пару:множество типов и способов использования Steam .)

То же самое касается сопротивления ползучести; есть металлы, которые начинают формировать ползучесть при 1832 градусах по Фаренгейту (1000 градусов по Цельсию), а есть металлы, которые начинают формировать ползучесть при температуре менее 932 градусов по Фаренгейту (500 градусов по Цельсию).

Химические свойства тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы обладают широким спектром химических свойств, поскольку каждый из них относится к разным классам периодической таблицы.

Обычно эти металлы легко окисляются; но реакцию можно контролировать, создавая стабильные оксидные слои поверх металла. Это особенно верно в отношении рения, поскольку он очень летуч. Таким образом, он может потерять свою устойчивость к воздействию кислорода при высоких температурах по мере испарения оксидного слоя.

Однако все тугоплавкие металлы сравнительно устойчивы к таким веществам, как кислоты.

Каковы преимущества использования тугоплавких металлов?

Благодаря своим уникальным качествам тугоплавкие металлы очень полезны для различных применений и отраслей промышленности. Их основные преимущества включают в себя:

Очень высокая точка плавления

Тугоплавкие металлы, такие как вольфрам, молибден и тантал, имеют очень высокие температуры плавления, что делает их полезными при производстве стекла.

Высокая надежность

Тугоплавкие металлы обладают уникальной прочностью даже при сверхвысоких температурах.

Например, обтекатели ракет, сделанные из вольфрама, обладают вдвое большей прочностью на растяжение, чем железо, при нормальных температурах. (Подробнее по этой теме см.:В чем разница между прочностью и стойкостью? )

Выдающаяся стойкость к истиранию и износу

Тугоплавкие металлы, особенно сплавы, могут продлить срок службы седел клапанов, уплотнений, форсунок и других деталей, подверженных сильному износу.

Отличная коррозионная стойкость

Трубопроводы на химических предприятиях обычно изготавливаются из тугоплавких металлов, что обеспечивает более высокую степень коррозионной стойкости по сравнению с нержавеющей сталью.

Стойкость к тепловому удару

Такие металлы, как вольфрам, могут противостоять нагрузкам, вызванным быстрым расширением из-за нагрева.

Вольфрам имеет очень высокую температуру плавления и может выдерживать серию циклов включения и выключения, не нарушая своей целостности.

Тепло- и электропроводность

Тугоплавкие металлы, такие как вольфрам и молибден, могут использоваться не только в электронике и электротехнике, но и в качестве хороших теплоотводов.

Чрезвычайная жесткость

Сегодня наиболее широко используемые режущие инструменты изготавливаются из таких материалов, как карбид вольфрама.

Тугоплавкие металлы также отлично подходят для формовки металлов и стали, а также при добыче полезных ископаемых и бурении газовых или нефтяных скважин. (Подробнее о нефтегазовой отрасли см.: Системы удаленного мониторинга коррозии в нефтегазовой промышленности .)

Высокая плотность и удельный вес

Большинство тугоплавких металлов имеют высокую плотность, поэтому их можно использовать для изготовления головок клюшек для гольфа и авиационных гироскопов.

Уникальные возможности

Некоторые тугоплавкие металлы, обладающие сверхполезными свойствами, например, выступающие в качестве защитного экрана от радиации и химических катализаторов.

Типы тугоплавких металлов и их применение

Есть пять тугоплавких металлов; и у каждого из них есть свои свойства и приложения.

Повсеместно тугоплавкие металлы часто используются для изготовления проволочных нитей, инструментов, химических сосудов в агрессивных средах и литейных форм. Благодаря очень высокой температуре плавления тугоплавкие металлы очень стабильны.

Вот более конкретные области применения каждого из пяти тугоплавких металлов:

Вольфрам

Вольфрам является наиболее распространенным среди тугоплавких металлов. Он имеет самую высокую температуру плавления и одну из самых высоких плотностей металла среди тугоплавких металлов. Это может быть очень сложно в сочетании с другими элементами, такими как углерод. Он также обладает высокой устойчивостью к коррозии.

Приложения для освещения

Вольфрам широко используется в проволочных нитях, например, в большинстве ламп накаливания, используемых в домах. Но это также распространено в промышленных дуговых лампах и осветительных приборах. (Подробнее о промышленных применениях см.: 8 вещей, которые нужно знать о покрытиях из полимочевины .)

Сценическое освещение используется в телевизионных студиях и на звуковых сценах, а также в местах проведения театральных постановок, концертов и других живых мероприятий. И хотя в сценическом освещении по-прежнему используется технология ламп накаливания, обычно это запатентованные высокоэффективные вольфрамово-галогенные (или кварцево-галогенные) лампы с тщательно откалиброванными значениями цветовой температуры для контроля общего воспроизведения сцены.

Коронный разряд

Коронный разряд — это плазменная завеса, возникающая при ионизации воздуха вокруг проводника.

Коронный разряд часто и лучше всего выполняется с помощью вольфрамовой проволоки. Для фильтрации воздуха, принтеров, копировальных аппаратов и других приложений только вольфрамовая проволока обеспечивает достаточную ионизацию и модификацию поверхности.

Печи

Вольфрамовая проволока широко используется для обеспечения поддержки или натяжения в промышленных печах.

Это связано с непрогибаемостью вольфрамовой проволоки и ее термостойкостью. Например, вольфрамовая проволока часто вплетается в маты, используемые для позиционирования и удержания объектов на месте в специальной горячей зоне промышленных печей, горнов и печей.

Проверки

Жесткость вольфрамовой проволоки, даже при очень малых диаметрах, является решающим фактором, позволяющим использовать ее в различных типах датчиков, в том числе в консольных полупроводниковых тестовых датчиках, используемых для тестирования кремниевых пластин в производстве полупроводников.

Жесткость также является преимуществом вольфрамовой проволоки для нейронных зондов, используемых в медицинской диагностике и лечении. (Подробнее о материаловедение в здравоохранении см.: Как начать карьеру ученого-материаловеда .)

Режущие инструменты и детали

Режущие инструменты и детали требуют высокой стойкости к истиранию и поэтому изготавливаются из карбида вольфрама.

Вставки из карбида вольфрама со шлифованными режущими кромками прикрепляются к корпусам стальных инструментов пайкой или механическим креплением. Использование инструментов из карбида вольфрама обеспечивает более высокие скорости резания и более длительный срок службы инструмента. Карбид-вольфрамовые красители обычно используются для волочения проволоки.

Молибден

Молибден является наиболее часто используемым тугоплавким металлом, потому что он менее дорог, чем большинство других, и в сплаве может быть очень устойчивым к ползучести и высоким температурам.

Этот металл также не образует амальгамы, что делает его устойчивым к коррозии. Он в основном используется для упрочнения стальных сплавов, особенно в конструкционных трубах и трубах. Молибден также обладает превосходными антифрикционными свойствами, что делает его идеальным компонентом масел и смазок, используемых в автомобилях. (Подробнее о коррозии в автомобильной промышленности см.: Коррозия легких материалов, используемых в автомобилестроении .)

Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь устойчива к коррозии, поскольку содержащийся в ней хром спонтанно образует тонкую защитную пассивную пленку на поверхности стали.

Молибден усиливает эту пассивную пленку, делая ее прочнее и помогая ей быстро восстанавливаться, если она разрушается хлоридами. Увеличение содержания молибдена в нержавеющих сталях повышает их стойкость к точечной и щелевой коррозии.

Инструменты и быстрорежущая сталь

Молибден в инструментальных сталях повышает их твердость и износостойкость. Снижая критическую скорость охлаждения, молибден способствует формированию оптимальной мартенситной матрицы даже в массивных и сложных формах, которые невозможно быстро охладить без деформации или растрескивания.

Добавление молибдена в количестве от 5 до 10 % может эффективно максимизировать твердость и ударную вязкость быстрорежущих сталей и поддерживать эти свойства при высоких температурах, возникающих при резке металлов. (Подробнее о резке металлов см.: Как короткое замыкание и сварка влияют на коррозию металлов .)

подавители дыма

В электронной технике изоляция проводов и кабелей представляет опасность пожара и дыма для пожарных, а также для тех, кто находится в пределах границ самолетов и больниц. Октамолибдат аммония используется с ПВХ для подавления образования дыма.

Поскольку молибден имеет модуль упругости 47 * 10 ^ 6 фунтов на квадратный дюйм при комнатной температуре, он используется для расточных оправок и игл для высокоскоростных внутренних шлифовальных станков. Это гарантирует отсутствие вибрации и вибрации.

Тантал

Тантал — самый устойчивый к коррозии тугоплавкий металл.

Он часто применяется в медицинских и хирургических учреждениях и в очень кислотных средах. Тантал также является основным компонентом компьютерных и телефонных цепей или конденсаторов.

Хотя тантал значительно дороже алюминия, он имеет перед ним два ключевых преимущества:

1. У него более высокая диэлектрическая проницаемость, что позволяет уменьшить размер конденсаторов.
2. Его оксидный слой более стабилен, что дает танталовым конденсаторам преимущество в приложениях, требующих высокой надежности.

Тантал также используется в электронной промышленности в качестве барьера для предотвращения загрязнения кремния медью в таких продуктах, как компьютерные чипы и устройства хранения данных. Это разделение необходимо, потому что присутствие меди в кремнии приводит к деградации и выходу устройства из строя. (Подробнее о коррозии меди см.: Объяснение повышенной скорости коррозии меди в зоне аэрации .)

Медицинские приложения

Тантал используется в хирургии и биомедицине из-за его биоинертности, что, в свою очередь, связано с адгезионным оксидным слоем, который самопроизвольно образуется на поверхности металлического тантала при контакте с воздухом.

Кроме того, тантал инертен в жидкостях организма и обладает хорошими механическими свойствами. Примеры его применения в медицине включают:

• Хирургические зажимы.
• Костные трансплантаты.
• Пластины для краниопластики.
• Сетка для реконструкции брюшной стенки.
• Зубные имплантаты.

Оборудование химического завода

Пластичность тантала и превосходная коррозионная стойкость делают его пригодным для использования в химическом технологическом оборудовании, работающем в агрессивных условиях при повышенных температурах.

Коррозионная стойкость металла служит как для защиты оборудования, так и для поддержания чистоты обрабатываемых химикатов. Тантал и его сплавы можно использовать для обработки соляной, бромистоводородной, азотной и серной кислотами. Примеры оборудования химического завода, в котором может использоваться тантал:

• Теплообменники.
• Клапаны.
• Сосуды.
• Трубы. (Подробнее о коррозии труб см.: 21 тип коррозии и разрушения труб .)

Ниобий

Ниобий всегда используется вместе с танталом. Он в высшей степени уникален, и с ним можно легко работать, чтобы получить высокую эластичность и прочность.

Черная металлургия

Ниобий в основном используется в черной металлургии.

Около 75% мирового производства ниобия используется сталелитейной промышленностью для производства различных стальных сплавов, содержащих небольшое количество других металлов (микролегированных и низколегированных сталей) для улучшения, среди прочего, коррозионной стойкости, прочности и ударной вязкости.

Ниобий действует как измельчитель зерна и дисперсионный упрочнитель в высокопрочной низколегированной и микролегированной стали, одновременно повышая механическую прочность, жаропрочность, ударную вязкость и коррозионную стойкость.

Эти стали используются в трубопроводах, на транспорте и в строительных конструкциях. (Подробнее о транспорте см.: Временная защита от коррозии при хранении, транспортировке и обращении .)

Сверхпроводящие магниты

Сплавы ниобия также используются для изготовления сверхпроводящих магнитов. Эти сверхпроводящие магниты используются в:

• Магнитно-резонансная томография (МРТ).
• Приборы ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
• Ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер в Европе, который содержит самые большие в мире сверхпроводящие магниты.
• Электролитические конденсаторы и сверхпроводники.

Сплавы ниобия предпочтительнее других тугоплавких металлов до 3300 градусов по Фаренгейту. Ниобиевые сплавы из-за их низкой стойкости к окислению ограничены для использования в конструкционных применениях при повышенных температурах.

Рений

Рений — самый недавно обнаруженный тугоплавкий металл.

Его можно найти с другими металлами в сверхнизких концентрациях. Он также присутствует в рудах других упорных металлов. Рений известен своей высокой прочностью на растяжение и пластичностью.

Рений также очень редок и поэтому может быть очень дорогим.

Суперсплавы

Рений используется в качестве добавки для изготовления суперсплавов, часто в сочетании с железом, кобальтом, никелем, вольфрамом и молибденом. Добавление рения улучшает общую прочность суперсплава на ползучесть, что делает его отличным материалом для деталей реактивных двигателей и газотурбинных двигателей. (Подробнее о реактивных двигателях и турбинах см.: Горячая коррозия в компонентах газовой турбины .)

Катализаторы

Соединения рения используются в качестве катализаторов гомогенного и гетерогенного катализа во многих отраслях промышленности. К ним относятся:

• Нефтехимия.
• Фармацевтика
• Процессы органического синтеза, включая изомеризацию, гидрирование и алкилирование.

Платиново-рениевые катализаторы необходимы в химическом процессе, называемом каталитическим риформингом на нефтеперерабатывающих заводах. (Подробнее о нефти см.: 6 коррозионно-активных компонентов, которые можно найти в сырой нефти .)

Термоэлементы

Вольфрам-рениевые и молибден-рениевые сплавы используются в основном для изготовления термоэлементов.

Их использование включает полупроводники, нагревательные элементы, металлические покрытия и сварочные прутки.

В частности, вольфрам-рениевые сплавы используются для изготовления вращающихся рентгеновских анодов.

При высоких температурах рений устойчив к коррозии в водороде и инертной атмосфере. Он устойчив к соляной кислоте и коррозии в морской воде, а также устойчив к механическим воздействиям электрической эрозии.

Заключение

Тугоплавкие металлы имеют множество применений и преимуществ. Однако многие из них мы еще не до конца понимаем.

Необходимы обширные исследования в области металлургии для улучшения различных процессов.