Содержание
| 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
Определение [ править | править код ]
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 [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 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 [4] .
Свойства [ править | править код ]
Физические свойства [ править | править код ]
| Название | Ниобий | Молибден | Тантал | Вольфрам | Рений |
|---|---|---|---|---|---|
| Температура плавления | 2750 K (2477 °C) | 2896 K (2623 °C) | 3290 K (3017 °C) | 3695 K (3422 °C) | 3459 K (3186 °C) |
| Температура кипения | 5017 K (4744 °C) | 4912 K (4639 °C) | 5731 K (5458 °C) | 5828 K (5555 °C) | 5869 K (5596 °C) |
| Плотность | 8,57 г·см³ | 10,28 г·см³ | 16,69 г·см³ | 19,25 г·см³ | 21,02 г·см³ |
| Модуль Юнга | 105 ГПа | 329 ГПа | 186 ГПа | 411 ГПа | 463 ГПа |
| Твёрдость по Виккерсу | 1320 МПа | 1530 МПа | 873 МПа | 3430 МПа | 2450 МПа |
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 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 [ править | править код ]
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 [ править | править код ]
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 [ править | править код ]
Вольфрам был найден в 1781 г. Шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов — 3422 °C (6170 °F)
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 не превышает 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 своё применение в быту и в приборостроении. Лампы более эффективно преобразуют 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 своё применение благодаря своей плотности. Например, он находит своё 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 [ править | править код ]
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 [ править | править код ]
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. ) [24] . Применявшийся сплав не позволяет ниобию окисляться, так как реакция происходит при температуре от 400 °C [24] .
Тантал [ править | править код ]
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 [ править | править код ]
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 [ править | править код ]
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 3073 K.
Однако, их сопротивляемость к окислению вплоть до 500 °C делает их 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 1350 K до 1900 K). Как было указано выше, они не должны контактировать с кислородом.
Самый тугоплавкий металл – вольфрам (wolframium), был получен в 1783 году. Испанские химики братья д’Элуяр выделили его из минерала вольфрамита и восстановили углеродом. В настоящее время сырьём для получения вольфрама являются вольфрамитовые и шеелитовые концентраты – WO3. Порошок вольфрама получают в электрических печах при температуре 700—850 °С. Сам металл производится из порошка методом прессования в стальных формах под давлением и дальнейшей термической обработкой заготовок. Заключительный момент – нагрев примерно до 3000 °С происходит путём пропускания электрического тока.
Вольфрам долго не находил промышленного применения. Лишь в XIX веке начали изучать влияние вольфрама на свойства стали иной природы. В начале ХХ века вольфрам стали применять в электрических лампочках: нить, изготовленная из него, накаляется до 2200 °С. В этом качестве вольфрам незаменим и в наше время.
Также вольфрамовые стали идут в оборонную промышленность – на изготовление танковой брони, торпед и снарядов, наиболее тонких деталей летательных аппаратов и т.д. Инструмент, изготовленный из вольфрамовой стали, выдерживает самые интенсивные процессы металлообработки.
От всех остальных своих собратьев-металлов вольфрам отличается особой тугоплавкостью, тяжестью и твердостью. Чистый вольфрам плавится при 3380 °С, а кипит лишь при 5900 °С, что совпадает с температурой на поверхности Солнца.
Из одного килограмма вольфрама можно изготовить проволоку длиной 3,5 км. Этой длины достаточно, чтобы изготовить нитей накаливания для 23 000 60-ваттных лампочек.
Вольфрам — простое химическое вещество, 
элемент таблицы Менделеева, переходный металл. Записывается в виде латинской буквы W. Название получил от минерала вольфрамит, известного рудокопам с 16-го века. Сам минерал Wolf Rahm (в переводе с немецкого — «волчья пена») получил свое название из-за того, что осложнял получение олова из оловосодержащих пород. При выплавке примеси вольфрама образовывали соединения с оловом и поднимались на поверхность в виде пены; на языке рудокопов «пожирают олово как волк овцу».
Относится к редким элементам, по распространенности на планете занимает 57-е место. Встречается только в минералах, состоящих из соединений разных металлов. В добывающей индустрии наиболее значимы вольфрамит, шеелит, фербелит, гюбнерит. В месторождениях концентрация вольфрама редко превышает 2%.
Как отдельный химический элемент вольфрам был открыт в конце XVIII века. Известный шведский химик К. Шееле проводил эксперименты с минералом тунгстен (позже переименованным в его честь и названным шеелитом). Обработав его азотной кислотой, ученый выяснил, что образец представляет собой соль неизвестной кислоты. Его ученики продолжили работы с интересным минералом и через два года настойчивых исследований выделили неизвестный науке металл, который назвали вольфрамом. Большого шума это открытие не вызвало, т.к. новый металл был чрезвычайно тугоплавким и в мире просто еще не существовало печей, способных обеспечить необходимую температуру для выплавки. Зато в ХХ веке вольфрам произвел в промышленности настоящую революцию.
Свойства
Светло-серебристый блестящий металл, напоминающий платину. Очень плотный, тяжелый, твердый, но, при этом, хрупкий. Плавится при t около +3400 °C, это самый высокий показатель среди металлов. (Теоретически более тугоплавким может быть трансактиноид сиборгий, но это короткоживущий радиоактивный элемент №106, получаемый искусственно в результате ядерного синтеза.) В нормальных условиях вольфрам плохо поддается механической обработке, зато при нагреве свыше +1600 °С его можно ковать, прокатывать, вытягивать в тонкую нить. Парамагнетик (может намагничиваться во внешнем магнитном поле), обладает высоким электрическим сопротивлением.
В химических реакциях может проявлять валентность от 2 до 6, но все устойчивые соединения образованы W (VI). При температуре в районе +20 °С не поддается коррозии в воде и на воздухе. Очень слабо реагирует с соляной, фтороводородной и неконцентрированной серной кислотами. А вот с перекисью водорода, азотной кислотой, смесью азотной и фтороводородной кислот, «царской водкой» взаимодействует легко. При высокой t и в присутствии окислителей вступает в реакции со щелочами. Образует оксиды, вольфраматы (соли вольфрамовых кислот), соединения с галогенами, серой, углеродом.
В метаболизме животных и человека не участвует.
Вольфрамовая пыль, как и пыль любого другого металла, оказывает раздражающее влияние на органы дыхания.
Это интересно
На Земле существует несколько типов архебактерий и бактерий, использующих в своих обменных процессах ферменты с вольфрамом. Ученые считают, что они ведут свое развитие с ранней архейской эры (около 4 млрд. лет назад), когда этот металл играл важную роль в создании и развитии жизни на планете.
Вольфрам — крайне востребованный в промышленности металл. Подробнее о его применении мы расскажем в следующей статье.
“>
