Rich--house.ru

Строительный журнал Rich—house.ru
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

9 Тугоплавкие и благородные металлы и сплавы

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

  • твердость;
  • высокая температура плавления;
  • прочность;
  • деформация ползучести;
  • теплопроводность 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, °СТвердость, МН/м2 (кГ/мм2)
WMoNb
1560525 (53,5)172 (17,6)102 (10,4)
1750410 (41,8)126(12,9)50 (5,1)
2000167 (17)65,7 (6,7)10,8 (1,1)
250071,6 (7,3)22,5 (2,3)
300046,1 (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

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.

Температура перехода металлов в сверхпроводящее состояние

Металл°К
Титан0,53
Ванадий5,1
Цирконий0,7
Ниобий9,17
Молибден0,9-0,98
Гафний0,35
Тантал4,40
Рений1,7
Вольфрам0,05

Таблица перевода чисел твердости

Твердость по РоквеллуТвердость по Виккерсу (HV)Твердость по Бринелю (HB)
По шкале С (HRC)По шкале А (HRA)
7086,51076
6986,01004
6885,5942
6785,0894
6684,5854
6584,0820
6483,5769
6383,0763
6282,5739
6181,5715
6081,0695
5076,0513
4975,5498
4874,5485
4774,0471448
4673,5458437
4573,0446425
4472,5435415
4271,5413393
4070,5393372
30301283
28285270
26271260
24257250
22246240
20236230

Упругие свойства тугоплавких металлов

МеталлКоэффициент сжимаемости,
Х106 см2/кГ
Модуль нормальной упругости,
кГ/мм2
Модуль сдвига,
кГ/мм2
Коэффициент Пуассона
Титан9000-10000
Цирконий1,097896033300,35
Гафний9800-14060
Ванадий13500
Ниобий908088200,39
Тантал0,521883070000,35
Хром25000
Молибден0,34733630122000,31
Вольфрам0,29341500151400,30
Рений47000
Рутений42000
Родий28640
Осмий57000
Иридий53830

Коэффициент теплопроводности тугоплавких металлов

ЭлементT °CКоэффициент теплопроводности k Вт/м∙К
Ванадий2033,2
Вольфрам27130
Молибден27162
Ниобий2753
Тантал2763
Хром2767
Цирконий5020,96

Термодинамические свойства тугоплавких металлов

ЭлементУдельная теплоемкость,
Дж/К∙моль
Теплота плавления,
кДж/моль
Теплота испарения,
кДж/моль
Ванадий0,48517,5460
Вольфрам24,835824
Молибден0,25128590
Ниобий0,26826,8680
Тантал0,14024,7758
Хром0,48821342
Цирконий0,28119,2567

Обозначение символов:

  • σв — предел прочности;
  • σт— предел текучести;
  • σ0,2 — предел текучести при котором остаточные деформации составляют 0,2 % от длины испытываемого образца;
  • δ — относительное удлинение;
  • ψ — относительное сужение;
  • k — коэффициент теплопроводности;
  • HB — твердость по Бринеллю;
  • HV — твердость по Виккерсу;
  • HR — твердость по Роквеллу.

Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе

К тугоплавким относят металлы, температура плавления кото­рых превышает 1800°С. Наибольшее значение в технике имеют сле­дующие тугоплавкие металлы: Nb, Mo, Cr, W.

Тугоплавкие металлы имеют прочные межатомные связи, что и обеспечивает высокие температуры плавления. Они отличаются ма­лым тепловым расширением, небольшой теплопроводностью, повы­шенной жесткостью.

Механические свойства тугоплавких металлов зависят от спо­соба производства и содержания примесей, которые увеличивают их хрупкость. Молибден, хром и вольфрам особенно склонны к хрупко­му разрушению из-за высокой температуры порога хладноломкости, которую особенно сильно повышают примеси внедрения С, N, Н и О. Наклеп понижает температуру перехода в хрупкое состояние. Жаро­прочность тугоплавких металлов может быть повышена как легиро­ванием, так и азотированием при 1100. 1200°С в азоте.

Большой недостаток тугоплавких металлов — низкая жаро­стойкость, поэтому при температуре свыше 400. 600°С их нужно защищать от окисления.

Тугоплавкие металлы трудно обрабатываются, так как имеют большое сопротивление пластическому деформированию.

Сплавы на основе тугоплавких металлов обладают более вы­сокой жаропрочностью, чем сами чистые металлы (1500. 2000°С).

Тугоплавкие металлы легируют в двух целях: а) для уменьше­ния их склонности к хрупкому разрушению; б) для повышения проч­ностных и жаропрочных характеристик.

Сплавы на основе тугоплавких металлов подразделяют на две группы:

1) сплавы со структурой твердого раствора;

2) сплавы, упрочняемые закалкой и старением.

В сплавах первой группы содержание легирующих элементов (Ti, Nb, Zr, Mo, W, Та, Re) выбирают таким, чтобы при увеличении прочности не снизить пластичность и не ухудшить другие свойства.

Сплавы второй группы содержат повышенное количество уг­лерода и карбидообразующие элементы. При старении этой группы сплавов упрочняющей фазой являются карбиды, которые выделяются внутри зерен.

Ниобий— Nb, химический элемент Y группы периодической системы элементов, атомный номер 41, атомная масса 92,9064. Туго­плавкий светло-серый металл, плотность 8570 кг/м 3 , tnл = 2500°С, температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К.

Ниобий — высокопластичный металл, имеет очень низкий (ниже -196°С) порог хладноломкости. Химически очень стоек. Хо­рошо сваривается. Для повышения жаропрочности ниобий легируют молибденом, вольфрамом и цирконием. Широкое использование получил как компонент химически стойких и жаростойких сталей, из которых изготовляют детали ракет, реактивных двигателей, химиче­скую и нефтеперегонную аппаратуру. Недостатки ниобия и его спла­вов — малый модуль Юнга и большая склонность к окислению при повышенных температурах.

Основными легирующими элементами для сплавов на основе ниобия являются W, Mo, Ti, Та, V, Zr, Hf и элементы внедрения (С, О, N).

Сплавы на основе ниобия (ВН-2А, ВН-4) обладают хорошей технологичностью, свариваемостью и достаточно высокой жаро­прочностью до 1300°С (300. 850 МПа). Ниобием и его сплавами по­крывают тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. Станид Nb3Sn, германид Nb3Ge, сплавы ниобия с Sn, Ti и Zr используют в радиоэлектронике для изготовления сверхпроводящих соленоидов (Nb3Ge — сверхпроводник с наиболее высокой температурой перехо­да в сверхпроводящее состояние).

Как чистый ниобий, так и его сплавы активно взаимодейству­ет при нагреве с атмосферными газами, что требует применения за­щитных покрытий.

Молибден— Мо, химический элемент YI группы периодиче­ской системы элементов, атомный номер 42, атомная масса 95,94. Светло-серый металл, плотность 10200 кг/м 3 , tпл 2620 °С. Химичеcки стоек (на воздухе окисляется при температуре выше 400°С). Coединения молибдена обладают значительной окислительно-восстановительной и каталитической способностью. Молибден относится к стратегическим металлам.

Более 75 % молибдена применяют для легирования сталей, ис­пользуемых в авиа- и автомобилестроении, при изготовлении лопа­ток турбин и др. Весьма перспективны жаропрочные (для реактивных двигателей) и кислотоупорные (аппараты химической промышленно­сти) сплавы; так, сплав Fe— Ni — Mo стоек ко всем кислотам (кроме HF) до 100°С. Молибден — важнейший конструкционный материал в производстве нитей для электрических ламп и катодов для электрова­куумных приборов. Молибдены используются в гальванопластике — молибденирование, а также в аналитической химии для определения фосфора, мышьяка, кремния, германия и некоторых других элемен­тов. Природный минерал молибденит MoS2 является лучшей смазкой для трущихся металлических частей при высоких температурах, по­вышенном или пониженном давлении, в обычной атмосфере и при отсутствии кислорода.

Сплавы молибдена легированы Zr, Ti, Hf, Nb, W, которые об­разуют с молибденом твердые растворы и упрочняют его. Для увели­чения пластичности в сплав могут добавлять Re. Низколегированные сплавы молибдена это — ВМ1, ЦМ2А, ВМ2 (системы Mo — Ti — Zr). Большей жаропрочностью обладают гетерофазные, термически уп­рочняемые сложнолегированные сплавы — ВМЗ, ЦМВЗО, ЦМВ50, ЦМ10. Длительную прочность молибденовых сплавов повышает вольфрам, вводимый в большом (30 и 50 %) количестве, — сплавы ЦМВЗО и ЦМВ50. Сплав ЦМ10 относится к свариваемым сплавам из-за уменьшения в нем содержания углерода и примесей внедрения.

Хром— Сг, химический элемент YI группы периодической сис­темы элементов, атомный номер 24, атомная масса 51,996. Твердый металл серо-стального цвета; плотность 7190 кг/ 3 , tпл = 1903°С. На воздухе не окисляется. Хром — обязательный компонент нержавею­щих, кислотоупорных, жаростойких сталей и большого числа других сплавов (нихромы, хромали, стеллит). Применяется для хромирования.

Читать еще:  Кто придумывает названия цветов типа «Голубая ФЦ» или «Марсала»?

Сплавы хрома, как и чистый хром, обладают очень высокой стойкостью к окислению, вплоть до 1000—1100°С. Хром в этих спла­вах легируется W, V, Ni, Ti, Y (сплавы ВХ-1И, ВХ-2, ВХ-4), а также Hf, Mo, Zr, Та. Сплавы хрома, кроме высоколегированного сплава ВХ-4, малопластичные, но обеспечивают высокие значения длитель­ной прочности.

Вольфрам — W, химический элемент VI группы периодической темы элементов, атомный номер 74, атомная масса 183,85. Светло-­серый, очень тяжелый (плотность 19300 кг/м 3 ) металл, наиболее ту­гоплавкий (tпл = 3410°C) из металлов. Важные свойства вольфрама: высокая электронная эмиссия при накаливании металла и большая мощность излучаемой поверх­ностью металла энергии при высоких температурах. На воздухе при обычной температуре он устойчив. К недостаткам вольфрама следует отнести высокую склонность к хладноломкости и малое сопротивле­ние окислению даже при не слишком высоких температурах.

В промышленном масштабе применяют в основном нелегиро­ванный вольфрам, а число промышленных и полупромышленных сплавов на его основе весьма ограничено.

Сплавы на основе вольфрама могут быть легированы Nb, Та, Мо, Zr, Hf, Re, Сu др. Различают однофазные сплавы вольфрама — твердые растворы и гетерофазные, упрочненные дисперсионными частицами карбидов, боридов и оксидов. К однофазным сплавам от­носятся сплавы систем W — Nb и W — Мо, к группе гетерофазных — системы W — Та — С (сплав ТСВ).

Главная область применения вольфрама — производство сталей (око­ло 85 %). Он входит в состав жаропрочных сверхтвердых сталей (инстру­ментальные, быстрорежущие) и сплавов (победит, стеллит и др.). Чистый вольфрам используется в электротехнике (нити ламп накаливания) и ра­диоэлектронике (катоды и аноды электронных приборов), для спиральных нагревателей в электрических печах, электродов, различных деталей для высоковакуумных и рентгеновских приборов, при атомно-водородной сварке.

Сайт для сварщиков.

Интернет проект о сварке. Территория сварки всегда с вами!

Температура плавления металлов и сплавов с таблицей.

Каждый металл и их сплавы имеют различные свойства. Одно из таких свойств — температура плавления. Каждый металл плавится при разной температуре. Все что нужно для перевода вещества из твёрдого состояния в жидкое — источник тепла, который будет разогревать металл до определенной температуры.

Так как у каждого металла температура плавления различная, можно определить менее устойчивый металл к температуре и более. Так самый легкоплавкий металл — ртуть, он готов перейти в жидкое состоянии при температуре равно 39 градусов по цельсию. А вот вольфрам( из чего собственно и сделаны вольфрамовые электроды для аргоновой сварки), расплавится только по достижению температуры в 3422 градусов цельсии.

Что касается сплавов, таких как сталь и прочих, определить температуру, при которой те будут плавиться, довольно сложно. Вся сложность в их составе… Так как состав разный, то и температура плавления различная. Как правило, для сплавов указывается диапазон температур, при которых он будет плавиться. Вообще, температура плавления металлов интересная тема.

Способы плавления

Способов плавления двавнешний и внутренний. Каждый из способов по своему эффективен. Во время применений внешнего способа плавления, на металл или сплав воздействуют теплом с наружи, на пример в печи. А в случае с внутренним, через металл пропускается высокий разряд электрического тока или воздействуют электромагнитным полем.

На фото индукционный электромагнитный нагреватель металла для кузнечного дела.

Процесс плавления

Во время нагрева металла, в его кристаллической решетке начинается повышенное движение молекул. Они начинают двигаться с высокой(относительно) амплитудой, что увеличивает расстояние, между кристалами самой решетки. Образуются дефекты( пустота между атомами), что и является началом процесса плавления. Вот так происходить плавление металла при определенных температурах.

Группы металлов по температуре плавления

Все металлы можно разделить на три группы в связи с температурой их плавления. Ниже можно наблюдать список групп.

  • Тугоплавкие (от 1600°C и выше)
  • Среднеплавкие (от 600°C до 1600°C)
  • Легкоплавкие (до 600°C)

Выше вы можете наблюдать три группы плавления металлов по необходимой температуре. Какие это металлы конкретно, вы сможете посмотреть в таблице.

Таблицы плавления металлов и сплавов

Ниже, представлены таблицы, для наглядного знакомства с температурами плавления тех или иных металлов и их сплавов.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Тугоплавкий благородный металл

Тугоплавкие благородные металлы : золото, платину, а также палладий применяют в виде тонких слоев в конструкции конденсаторов, при изготовлении которых предусматривается воздействие высокой температуры, способной вызвать окисление или расплавление обкладок. Тугоплавкие, но окисляющиеся металлы: вольфрам, молибден, никель представляют интерес для замены благородных металлов в тех случаях, где технологический нагрев может производиться в условиях восстановительной среды, исключающей опасность окисления металла обкладок. [1]

Из тугоплавких и благородных металлов для изготовления предохранительных мембран применяют ниобий, серебро, палладий, золото, тантал и платину. Если представляется возможным и целесообразным использовать двухслойные предохранительные мембраны, то из этих материалов изготовляют только защитные мембраны. [2]

Из тугоплавких и благородных металлов для изготовления предохранительных мембран могут применяться ниобий, серебро, палладий, золото, тантал и платина. Если представляется возможным и целесообразным использовать двухслойные предохранительные мембраны, то из этих материалов изготовляются только защитные мембраны, а рабочие мембраны получают гидравлической штамповкой из более доступного материала, имеющего соответствующие механические свойства и коэффициент линейного термического расширения. [3]

Для того чтоСш удовлетворить этим требованиям, применяют пружинные сплавы различного состава на основе железа, никеля, меди, тугоплавких и благородных металлов , которые подвергают разнообразным видам упрочняняцей обработки — термической и термомеханической. [4]

Для наиболее полного использования мощности ламп используют водоохлаждаемые рефлекторы из коррозионно-стойкой стали, рабочая поверхность которых покрыта серебром или чистым алюминием, а также тугоплавкими и благородными металлами , включая золото. [6]

Тугоплавкий благородный металл ( ТП 1963 С, ТК 3727 С, d 12 41), в компактном виде при НУ чрезвычайно хим. стоек, с фтором вступает в р-цию только при 500 С, с кислородом — лишь в диспергир. Pt для точных приборов, гальванич. [7]

Рений ( см. табл. 53, 54) относится к группе тугоплавких благородных металлов . [8]

Для измерения температуры расплавленных металлов широкое распространение получили ПТ, изготовленные из термоэлектродов тугоплавких и благородных металлов . Большое значение при этом имеет конструкция преобразователя и материал защитной арматуры. [10]

Реже используют чистые металлы. Основой промышленных коррозионно-стойких сплавов являются железо ( стали), титан, никель, медь, алюминий; в отдельных случаях в качестве коррозионно-стойких применяются тугоплавкие и благородные металлы . [11]

Ниже рассматриваются металлы и сплавы, применяющиеся в электротехнике и радиоэлектронике. Исходя из температуры плавления, общности характе -, ристик и области применения, различают тугоплавкие и благородные металлы , металлы со средней и низкой температурой плавления, припои и флюсы. [12]

9 Тугоплавкие и благородные металлы и сплавы

8. Тугоплавкие и благородные металлы и сплавы

8.1. Общая характеристика тугоплавких металлов и их сплавов

Традиционно к тугоплавким металлам относят металлы, имеющие температуру плавления выше, чем у железа (1539 °С), исключая из этого ряда при этом металлы групп платины и урана и некоторые редкоземельные металлы. Поэтому к группе тугоплавких металлов относят ванадий, вольфрам, гафний, молибден, ниобий, рений, тантал, технеций, титан, хром, цирконий. Все эти элементы относятся к металлам переходных групп. Самостоятельное применение в прикладном материаловедении в качестве конструкционных материалов и материалов с особыми свойствами (исключая из рассмотрения титан, свойства и применение которого приведены ранее) находят V, W, Mo, Nb, Ta, Zr. Физические свойства этих металлов приведены в таблице 8.1.

Таблица 8.1 — Физические свойства тугоплавких металлов

Удельное электросо-противление, мкОм*см

Тип кристалли-ческой решетки

Общими свойствами этих металлов являются: высокие температуры плавления, кипения и рекристаллизации; обладание преимущественно ОЦК-кристаллической решеткой; отсутствие полиморфизма (исключение — цирконий, у которого низкотемпературная модификация обладает ГП-решеткой, а высокотемпературная — ОЦК-решеткой); высокая плотность и малый коэффициент теплового расширения; высокая жаропрочность; высокая стойкость в кислотах; малая распространенность в природе и поэтому — высокая их стоимость (см. табл. 1.2, 1.3).

Ниже приведены специфичекие свойства отдельных металлов и области их применения в технике.

Ванадий. Стоек против окисления до 600 °С, имеет относительно небольшую плотность. Сплавы ванадия используются в авиационной, ракетной и атомной технике, а также в химической промышленности благодаря их высокой коррозионной стойкости.

Ниобий. Характеризуется удачным сочетанием тугоплавкости, высокой прочности, пластичности и малого коэффициента захвата тепловых нейтронов. Легирование ниобия другими металлами лишь незначительно повышает его хрупкость, что выделяет ниобий среди других тугоплавких металлов. Недостатком ниобия и его сплавов является их высокая окисляемость на воздухе при повышенных температурах. При разработке сплавов на основе ниобия перспективной является система Nb — W — Mo — Zr. Так, сплав Nb с 15% W, 5% Mo и 1% Zr при температуре 1200 °С имеет предел прочности 240 Н/мм 2 и относительное удлинение 35%. Применяемый для изготовления листов сплав РН-6 ( Nb + 5,3% W + 5,3 % Mo + 1% Zr) имеет после деформации и отжига предел прочности 890 Н/мм 2 . Защита ниобиевых сплавов от окисления (например, защитным покрытием из дисилицида молибдена) позволяет использовать их при высоких температурах в реактивных турбинах и ракетно-космической технике. Благодаря высокой пластичности, жаропрочности, хорошей свариваемости и высокой температуре плавления ниобий является перспективной основой для создания жаропрочных сплавов. Хорошая коррозионная стойкость и низкий коэффициент захвата тепловых нейтронов делают ниобий перспективным конструкционным материалом для ядерных реакторов. Ниобий является основой для создания сверхпроводящих материалов: критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние сплавов системы Nb — Zr около 11 К, а сое-динения Nb Sn — 20 К.

Цирконий. Он не используется для изготовления жаропрочных сплавов, поскольку испытывает полиморфное превращение (То=865 °С), развитие которого при нагреве приводит к разупрочнению металла. На основе циркония разработаны высокопрочные теплоустойчивые (до 500-700 °С) конструкционные сплавы, способные работать в химически активных средах и при низких температурах. Имея малый коэффициент захвата тепловых нейтронов и высокую коррозионную стойкость, цирконий и его сплавы находят применение для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов, труб охлаждения и других деталей ядерных реакторов. Характерными примерами сплавов на основе циркония являются циркалой-2 (1,5% Sn), Н1 (1% Nb), Н2,5 (2,5% Nb). Эти сплавы при 400 °С имеют временное сопротивле-ние разрыву и относительное удлинение на уровне: для сплава циркалой-2 — 70 Н/мм 2 и 36%, для сплава Н2,5 — 180 Н/мм 2 и 38% соответственно.

Молибден. Имеет высокие значения модуля упругости, электропроводности, теплопроводности и малый коэффициент термического расширения. Технический Мо хрупок при комнатной температуре (из-за высокого содержания примесей внедрения), плохо сваривается и сильно окисляется при повышенных температурах. Наибольшее распространение в странах СНГ приобрел жаропрочный сплав ЦМ-2А (0,15% Ti, 0,12% Zr), имеющий при 1200 °С sв =220 Н/мм 2 и d =18%. Молибден и его сплавы, наряду с ниобием и сплавами на его основе, являются наиболее перспективными материалами для изготовления обшивки и деталей каркаса ракет и сверх-звуковых самолетов.

Тантал. Обладает высокой пластичностью до очень низкой температуры. Для сплавов тантала характерны высокая прочность и высокая температура рекристаллизации (например, 1600 °С для сплава Ta+20% W). Сплавы тантала с вольфрамом, выпускаемые промышленностью, имеют структуру твердых растворов и применяются как жаропрочные материалы. Чистый тантал применяют в электронной технике для изготовления пружин, конденсаторов, сопротивлений и т.д. Из тугоплавких металлов тантал является наиболее кислотостойким: он не подвергается коррозии в кипящей серной кислоте при ее концентрации до 80%.

Вольфрам. Обладает исключительной тугоплавкостью и высокой прочностью. Однако, малая пластичность и сильная окисляемость при высоких температурах затрудняют разработку и применение сплавов вольфрама. В радиоэлектронике и светотехнике широко применяют нелегированнй вольфрам, а также вольфрам с добавками TaC и ThO2, а также сплавы системы W — Mo, изготовляемые методами порошковой металлургии. Карбид вольфрама (WC) используют для изготовления твердых сплавов для режущего инструмента: системы WC-Co, WC-TiC-Co, WC-TiC-TaC-Co.

8.2. Специфика применения тугоплавких металлов и сплавов в

машиностроении и исследовательских приборах

Вольфрам, молибден, тантал и сплавы на их основе, учитывая их высокое электрическое сопротивление, используют для изготовления нагревательных элементов высокотемпературных (выше 1200°С) термических печей (в виде проволоки и ленты, площадь поперечного сечения которых зависит от необходимой мощности печи), а также нагревательных устройств исследовательских приборов и установок, например, высокотемпературных рентгеновских установок, электронных микроскопов и т.д., для проведения исследований при высоких температурах (до 2500 °С). Учитывая высокую окисляемость тугоплавких металлов, такие нагревательные элементы должны работать в вакууме, либо в атмосфере инертных газов.

Тугоплавкие металлы, прежде всего, тантал, сплав ниобия с танталом и в отдельных случаях — молибден, являются самыми кислотостойкими металлическими материалами. Их применение целесообразно в средах, в которых другие материалы не обладают достаточной коррозионной стойкостью: неорганических концентрированных кислотах при повышенных температурах, некоторых промышленных средах. Ниобий уступает танталу по коррозионной стойкости, но является заметно более дешевым. Добавка к ниобию молибдена и тантала повышает коррозионную стойкость сплава. Сплав Nb + 25% Ta по коррозионной стойкости в кислотах значительно превосходит чистый ниобий и приближается к танталу. Титан при его содержании до 10% не ухудщает коррозионную стойкость ниобия, поэтому в качестве кислотостойкого находят применение тройные сплавы Nb + Ta + Ti. Молибден и вольфрам по стойкости в кипящих кислотах значительно превосходят ниобий и мало уступают танталу, однако, при их использовании для изготовления химической аппаратуры возникают значительные технологические трудности, что ограничивает их применение.

Читать еще:  Сфера и область применения бронзы. Где применяется бронза?

В качестве конструкционных жаропрочных материалов используют обычно не чистые металлы, а их сплавы. При этом ниобий и тантал обычно легируют в больших количествах молибденом, титаном, вольфрамом. Молибден легируют вольфрамом и в небольших количествах — танталом и цирконием. Выбор сплава определяется не только его жаропрочностью, но и технологичесими свойствами и экономической целесообразностью. Так, хрупкие и нетехнологичные сплавы вольфрама, как и чистый вольфрам, применяют обычно при рабочих температурах, превышающих 2000 °С, в условиях сильного эрозионного износа. Сплавы на основе тантала, являющиеся самыми дорогими, применяют для наиболее ответственных элементов. В интервале рабочих температур 1000-1500 °С используют преимущест-венно сплавы на основе ниобия и молибдена. Сплавы молибдена являются наиболее жаропрочными, поэтому их применяют при температурах выше 1200 °С и иногда до 2000 °С.

Ниобий и сплавы на его основе легче других материалов переходят в сверхпроводящее состояние. Чистый ниобий имеет самую высокую критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние: 9,17 К

(- 263,83 °С). Практическое использование находят сверхпроводящие сплавы 65 БТ (в среднем 65% Nb, 25% Ti, 10% Zr) с Ткр=9,7 К, 35 БТ ( 35% Nb, 62% Ti, 3% Zr). Эти сплавы применяют для обмоток мощных генераторов, магнитов большой мощности (например, в поездах на магнитной подушке), туннельных диодов для компьютеров.

8.3. Благородные металлы

К благородным металлам относят золото, серебро, металлы группы платины, а также сплавы на их основе. Свойства благородных металлов приведены в таблице 8.2.

Свое название эти металлы получили из-за высокой коррозионной стойкости -практически они совершенно не склонны к коррозии в обычной атмосфере, воде и многих других средах. Все они характеризуются высокой плотностью, высокой температурой плавления (кроме золота и серебра), очень пластичны (кроме родия и осмия), не имеют аллотропических превращений (кроме родия), отличаются высокой стоимостью.

Золото, серебро, реже — платина применяются в ювелирном деле и в зубоврачебной практике. Причем, чистое золото из-за низкой его твердости применяется редко. Сплавы системы Au — Ag — Cu имеют твердость в 5-8 раз более высокую, чем у золота, хотя и меньшую коррозионную стойкость. В ювелирной промышленности нашли применение сплавы 375, 583, 750 и 916 й проб (цифра — содержание золота на 1000 г. сплава, соотношение серебра и меди может быть различным, в частности, 1 : 1 в сплаве 583-й пробы). Структура сплавов представляет собой однородный твердый раствор (сплавы высокой пробы), или смеси 2-3 твердых растворов.

Таблица 8.2 — Физические и химические свойства

Тугоплавкие металлы — характеристики, свойства и применение

Еще с конца 19 века были известны тугоплавкие металлы. Тогда им не нашлось применения. Единственная отрасль, где их использовали, была электротехника и то в очень ограниченных количествах. Но все резко поменялось с развитием сверхзвуковой авиации и ракетной техники в 50-е года прошлого столетия. Производству потребовались новые материалы, способные выдерживать значительные нагрузки в условиях температур свыше 1000 ºC.

Список и характеристики тугоплавких металлов

Тугоплавкость характеризуется повышенным значением температуры перехода из твердого состояния в жидкую фазу. Металлы, плавление которых осуществляется при 1875 ºC и выше, относят к группе тугоплавких металлов. По порядку возрастания температуры плавки сюда входят следующие их виды:

  • Ванадий
  • Хром
  • Родий
  • Гафний
  • Рутений
  • Вольфрам
  • Иридий
  • Тантал
  • Молибден
  • Осмий
  • Рений
  • Ниобий.

Современное производство по количеству месторождений и уровню добычи удовлетворяют только вольфрам, молибден, ванадий и хром. Рутений, иридий, родий и осмий встречаются в естественных условиях довольно редко. Их годовое производство не превышает 1,6 тонны.

Жаропрочные металлы обладают следующими основными недостатками:

  • Повышенная хладноломкость. Особенно она выражена у вольфрама, молибдена и хрома. Температура перехода у металла от вязкого состояния к хрупкому чуть выше 100 ºC, что создает неудобства при их обработке давлением.
  • Неустойчивость к окислению. Из-за этого при температуре свыше 1000 ºC тугоплавкие металлы применяются только с предварительным нанесением на их поверхность гальванических покрытий. Хром наиболее устойчив к процессам окисления, но как тугоплавкий металл он имеет самую низкую температуру плавления.

К наиболее перспективным тугоплавким металлам относят ниобий и молибден. Это связано с их распространённостью в природе, а, следовательно, и низкой стоимостью в сравнении с другими элементами данной группы.

Помимо этого, ниобий зарекомендовал себя как металл с относительно низкой плотностью, повышенной технологичностью и довольно высокой тугоплавкостью. Молибден ценен, в первую очередь, своей удельной прочностью и жаростойкостью.

Самый тугоплавкий металл встречаемый в природе — вольфрам. Его механические характеристики не падают при температуре окружающей среды свыше 1800 ºC. Но перечисленные выше недостатки плюс повышенная плотность ограничивают его область использования в производстве. Как чистый металл он применяется все реже и реже. Зато увеличивается ценность вольфрама как легирующего компонента.

Физико-механические свойства

Металлы с высокой температурой плавления (тугоплавкие) являются переходными элементами. Согласно таблице Менделеева выделяют 2 их разновидности:

  • Подгруппа 5A – тантал, ванадий и ниобий.
  • Подгруппа 6A – вольфрам, хром и молибден.

Наименьшей плотностью обладает ванадий – 6100 кгм3, наибольшей вольфрам – 19300 кгм3. Удельный вес остальных металлов находится в рамках этих значений. Эти металлы отличаются малым коэффициентом линейного расширения, пониженной упругостью и теплопроводностью.

Данные металлы плохо проводят электрический ток, но обладает таким качеством как сверхпроводимость. Температура сверхпроводящего режима составляет 0,05-9 К исходя из вида металла.

Абсолютно все тугоплавкие металлы отличаются повышенной пластичностью в комнатных условиях. Вольфрам и молибден помимо этого выделяются на фоне остальных металлов более высокой жаропрочностью.

Коррозионная стойкость

Жаропрочным металлам свойственна высокая стойкость к большинству видов агрессивных сред. Сопротивление коррозии элементов 5A подгрупп увеличивается от ванадия к танталу. Как пример, при 25 ºC ванадий растворяется в царской водке, между тем как ниобий полностью инертен по отношению к данной кислоте.

Тантал, ванадий и ниобий отличаются устойчивостью к воздействию расплавленных щелочных металлов. При условии отсутствия в их составе кислорода, которые значительно усиливает интенсивность протекания химической реакции.

Молибден, хром и вольфрам имеют большую сопротивляемость к коррозии. Так азотная кислота, которая активно растворяет ванадий, значительно менее воздействует на молибден. При температуре 20 ºC данная реакция вообще полностью останавливается.

Все тугоплавкие металлы охотно вступают в химическую связь с газами. Поглощение водорода из окружающей среды ниобием осуществляется при 250 ºC. Тантал при 500 ºC. Единственный способ остановить эти процессы – проведение вакуумного отжига при 1000 ºC. Стоит заметить, что вольфрам, хром и молибден куда менее склонны к взаимодействию с газами.

Как уже было сказано ранее, лишь хром отличается сопротивляемостью к окислению. Данное свойство обусловлено его способностью образовывать твердую пленку оксида хрома на своей поверхности. Растворение кислорода хромом происходит только при 700 С. У остальных тугоплавких металлов процессы окисления начинаются ориентировочно при 550 ºC.

Хладноломкость

Распространению использования жаропрочных металлов в производстве мешает обладание ими повышенной склонности к хладноломкости. Это означает, что при падении температуры ниже определенного уровня происходит резкое возрастание хрупкости металла. Для ванадия такой температурой служит отметка в -195 ºC, для ниобия -120 ºC, а вольфрама +330 ºC.

Наличие хладноломкости жаропрочными металлами обусловлено содержанием примесями в их составе. Молибден особой чистоты (99,995%) сохраняет повышенные пластические свойства вплоть до температуры жидкого азота. Но внедрение всего 0,1% кислорода сдвигает точку хладноломкости к -20 С.

Области применения

До середины 40-х годов тугоплавкие металлы использовались только как легирующие элементы для улучшения механических характеристик стальных цветных сплавов на основе меди и никеля в электропромышленности. Соединения молибдена и вольфрама применялись также в производстве твердых сплавов.

Техническая революция, связанная с активным развитием авиации, ядерной промышленности и ракетостроения, нашла новые способы использования тугоплавких металлов. Вот неполный перечень новых сфер применения:

  • Производство тепловых экранов головного узла и каркасов ракет.
  • Конструкционный материал для сверхзвуковых самолётов.
  • Ниобий служит материалом сотовой панели космических кораблей. А в ракетостроении его используют в качестве теплообменников.
  • Узлы термореактивного и ракетного двигателя: сопла, хвостовые юбки, лопатки турбин, заслонки форсунок.
  • Ванадий является основой для изготовления тонкостенных трубок тепловыделяющих элементов термоядерного реактора в ядерной промышленности.
  • Вольфрам применяется как нить накаливания электроламп.
  • Молибден все шире и шире используется в производстве электродов, применяемых для плавки стекла. Помимо этого, молибден — металл, используемый для производства форм литья под давлением.
  • Производство инструмента для горячей обработки деталей.

Оцените статью:

Сплавы металлов

Металлы используются человеком уже много тысячелетий. По именам металлов названы определяющие эпохи развития человечества: Бронзовый Век, Железный Век, Век Чугуна и т.д. Ни одно металлическое изделие из числа окружающих нас не состоит на 100% из железа, меди, золота или другого металла. В любом присутствуют сознательно введенные человеком добавки и попавшие помимо воли человека вредные примеси.

Абсолютно чистый металл можно получить только в космической лаборатории. Все остальные металлы в реальной жизни представляют собой сплавы — твердые соединения двух или более металлов (и неметаллов), полученные целенаправленно в процессе металлургического производства.

Классификация

Металлурги классифицируют сплавы металлов по нескольким критериям:

  1. метод изготовления:
    • литые;
    • порошковые;
  2. технология производства:
    • литейные;
    • деформируемые;
    • порошковые;
  3. однородность структуры:
    • гомогенные;
    • гетерогенные;

Виды сплавов по их основе

Металлы и сплавы на их основе имеют различные физико-химические характеристики.

Металл, имеющий наибольшую массовую долю, называют основой.

Свойства сплавов

Свойства, которыми обладают металлические сплавы, подразделяются на:

  1. Структурно — нечувствительные. Они обуславливаются свойствами компонентов, и их процентным содержанием. К ним относятся :
    • плотность;
    • температура плавления;
    • тепловые и упругие характеристики;
    • коэффициент термического расширения;
  2. структурно — чувствительные. Определяются свойствами элемента — основы.
  3. https://youtu.be/qgzo40bfL1o
  4. Все сплавные материалы в той или иной мере проявляют характерные металлические свойства:
    • блеск;
    • пластичность;
    • теплопроводность;
    • электропроводность.
  5. Кроме того, свойства подразделяют на:
    • Химические, определяемые взаимоотношениями материала с химически активными веществами.
    • Механические, определяемые взаимодействием с другими физическими телами.

Для количественного выражения этих свойств вводят специальные физические величины и константы, такие, как предел упругости, модуль Гука, коэффициент вязкости и другие.

Основные виды сплавов

Самые многочисленные виды сплавов металлов изготавливаются на основе железа. Это стали, чугуны и ферриты.

Сталь — это вещество на основе железа, содержащее не более 2,4% углерода, применяется для изготовления деталей и корпусов промышленных установок и бытовой техники, водного, наземного и воздушного транспорта, инструментов и приспособлений. Стали отличаются широчайшим диапазоном свойств. Общие из них — прочность и упругость. Индивидуальные характеристики отдельных марок стали определяются составом легирующих присадок, вводимых при выплавке. В качестве присадок используется половина таблицы Менделеева, как металлы , так и неметаллы. Самые распространенные из них — хром, ванадий, никель, бор, марганец, фосфор.

Если содержание углерода более 2,4% , такое вещество называют чугуном. Чугуны более хрупкие, чем сталь. Они применяются там, где нужно выдерживать большие статические нагрузки при малых динамических. Чугуны используются при производстве станин больших станков и технологического оборудования, оснований для рабочих столов, при отливке оград, решеток и предметов декора. В XIX и в начале XX века чугун широко применялся в строительных конструкциях. До наших дней в Англии сохранились мосты из чугуна.

Вещества с большим содержанием углерода, имеющие выраженные магнитные свойства, называют ферритами. Они используются при производстве трансформаторов и катушек индуктивности.

Сплавы металлов на основе меди, содержащие от 5 до 45% цинка, принято называть латунями. Латунь мало подвержена коррозии и широко применяется как конструкционный материал в машиностроении.

Если вместо цинка к меди добавить олово, то получится бронза. Это, пожалуй, первый сплав, сознательно полученный нашими предками несколько тысячелетий назад. Бронза намного прочнее и олова, и меди и уступает по прочности только хорошо выкованной стали.

Вещества на основе свинца широко применяются для пайки проводов и труб, а также в электрохимических изделиях, прежде всего, батарейках и аккумуляторах.

Двухкомпонентные материалы на основе алюминия, в состав которых вводят кремний, магний или медь, отличаются малым удельным весом и высокой обрабатываемостью. Они используются в двигателестроении, аэрокосмической промышленности и производстве электрокомпонентов и бытовой техники.

Цинковые сплавы

Сплавы на основе цинка отличаются низкими температурами плавления, стойкостью к коррозии и отличной обрабатываемостью. Они применяются в машиностроении, производстве вычислительной и бытовой техники, в издательском деле. Хорошие антифрикционные свойства позволяют использовать цинковые сплавы для вкладышей подшипников.

Титановые сплавы

Титан не самый доступный металл, он сложен в производстве и тяжело обрабатывается. Эти недостатки искупаются его уникальными свойствами титановых сплавов: высокой прочностью, малым удельным весом, стойкостью к высоким температурам и агрессивным средам. Эти материалы плохо поддаются механической обработке, но зато их свойства можно улучшить с помощью термической обработки.

Легирование алюминием и небольшими количествами других металлов позволяет повысить прочность и жаростойкость. Для улучшения износостойкости в материал добавляют азот или цементируют его.

Область применения титановых сплавов

Металлические сплавы на основе титана используются в следующих областях:

      • аэрокосмическая;
      • химическая;
      • атомная;
      • криогенная;
      • судостроительная;
      • протезирование.

Алюминиевые сплавы

Если первая половина XX века была веком стали, то вторая по праву назвалась веком алюминия.

Трудно назвать отрасль человеческой жизнедеятельности, в которой бы не встречались изделия или детали из этого легкого металла.

Алюминиевые сплавы подразделяют на:

      • Литейные (с кремнием). Применяются для получения обычных отливок.
      • Для литья под давлением (с марганцем).
      • Увеличенной прочности, обладающие способностью к самозакаливанию (с медью).

Основные преимущества соединений алюминия:

      • Доступность.
      • Малый удельный вес.
      • Долговечность.
      • Устойчивость к холоду.
      • Хорошая обрабатываемость.
      • Электропроводность.

Основным недостатком сплавных материалов является низкая термостойкость. При достижении 175°С происходит резкое ухудшение механических свойств.

Еще одна сфера применения — производство вооружений. Вещества на основе алюминия не искрят при сильном трении и соударениях. Их применяют для выпуска облегченной брони для колесной и летающей военной техники.

Весьма широко применяются алюминиевые сплавные материалы в электротехнике и электронике. Высокая проводимость и очень низкие показатели намагничиваемости делают их идеальными для производства корпусов различных радиотехнических устройств и средств связи, компьютеров и смартфонов.

Слитки из алюминиевых сплавов

Присутствие даже небольшой доли железа существенно повышает прочность материала, но также снижает его коррозионную устойчивость и пластичность. Компромисс по содержанию железа находят в зависимости от требований к материалу. Отрицательное влияние железа скомпенсируют добавлением в состав лигатуры таких металлов, как кобальт, марганец или хром.

Конкурентом алюминиевым сплавам выступают материалы на основе магния, но ввиду более высокой цены их применяют лишь в наиболее ответственных изделиях.

Медные сплавы

Обычно под медными сплавами понимают различные марки латуни. При содержании цинка в 5-45% латунь считается красной (томпак), а при содержании в 20-35%- желтой.

Благодаря отличной обрабатываемости резанием, литьем и штамповкой латунь — идеальный материал для изготовления мелких деталей, требующих высокой точности. Шестеренки многих знаменитых швейцарских хронометров сделаны из латуни.

Малоизвестный сплав меди и кремния называют кремнистой бронзой. Он отличается высокой прочностью. По некоторым источникам, из кремнистой бронзы ковали свои мечи легендарные спартанцы. Если вместо кремния добавить фосфор, то получится отличный материал для производства мембран и листовых пружин.

Твердые сплавы

Это устойчивые к износу и обладающие высокой твердостью материалы на основе железа, к тому же сохраняющие свои свойства при высоких температурах до 1100 о С.

В качестве основной присадки применяются карбиды хрома, титана, вольфрама, вспомогательными являются никель, кобальт, рубидий, рутений или молибден.

Основными сферами применения являются:

      • Режущий инструмент (фрезы, сверла, метчики, плашки, резцы и т.п.).
      • Измерительный инструмент и оборудование (линейки, угольники, штангенциркули рабочие поверхности особой ровности и стабильности).
      • Штампы, матрицы и пуансоны.
      • Валки прокатных станов и бумагоделательных машин.
      • Горное оборудование (дробилки, шарошки, ковши экскаваторов).
      • Детали и узлы атомных и химических реакторов.
      • Высоконагруженные детали транспортных средств, промышленного оборудования и уникальных строительных конструкций, таки, например, как башня Бурж — Дубай.

Области применения твердых сплавов

Существуют и другие области применения твердосплавных веществ.

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.

НазваниеТемпература плавления
Ниобий2477°C
Молибден2623 °C
Тантал3017 °C
Вольфрам3422 °C
Рений3186 °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 (MoSi2, WSi2). [1]

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

Самые прочные металлы в мире: топ-10

Можете ли вы представить, что произошло, если бы наши предки не обнаружили важные металлы, такие как серебро, золото, медь и железо? Наверное, мы бы до сих пор жили в хижинах, используя камень в качестве основного инструмента. Именно крепость металла сыграла важную роль в формировании нашего прошлого и теперь работают как основа, на которой мы строим будущее.

Некоторые из них очень мягкие и буквально тают в руках, как самый активный металл в мире. Другие — настолько твердые, что их невозможно согнуть, поцарапать или сломать без применения спецсредств.

А если вам интересно, какие металлы самые твердые и прочные в мире, мы ответим на этот вопрос, учитывая различные оценки относительной твердости материалов (шкала Мооса, метод Бринелля), а также такие параметры как:

  • Модуль Юнга: учитывает эластичность элемента при растяжении, то есть способность объекта к сопротивлению при упругой деформации.
  • Предел текучести: определяет максимальный предел прочности материала, после которого он начинает проявлять пластичное поведение.
  • Предел прочности при растяжении: предельное механическое напряжение, после которого материал начинает разрушаться.

10. Тантал

У этого металла сразу три достоинства: он прочный, плотный и очень устойчив к коррозии. Кроме того, этот элемент относится к группе тугоплавких металлов, таких как вольфрам. Чтобы расплавить тантал вам придется развести огонь температурой 3 017 °C.

Тантал в основном используется в секторе электроники для производства долговечных, сверхмощных конденсаторов для телефонов, домашних компьютеров, камер и даже для электронных устройств в автомобилях.

9. Бериллий

А вот к этому металлическому красавцу лучше не приближаться без средств защиты. Потому что бериллий высокотоксичен, и обладает канцерогенным и аллергическим действием. Если вдыхать воздух, содержащий пыль или пары бериллия, то возникнет заболевание бериллиоз, поражающее легкие.

Однако бериллий несет не только вред, но и благо. Например, добавьте всего 0,5 % бериллия в сталь и получите пружины, которые будут упругими даже если довести их до температуры красного каления. Они выдерживают миллиарды циклов нагрузки.

Бериллий применяют в аэрокосмической промышленности для создания тепловых экранов и систем наведения, для создания огнеупорных материалов. И даже вакуумная труба Большого Адронного Коллайдера сделана из бериллия.

8. Уран

Это естественное радиоактивное вещество очень широко распространено в земной коре, но сконцентрировано в определенных твердых скальных образованиях.

Один из самых твердых металлов в мире имеет два коммерчески значимых применения — ядерное оружие и ядерные реакторы. Таким образом, конечной продукцией урановой промышленности являются бомбы и радиоактивные отходы.

7. Железо и сталь

Как чистое вещество железо не такое твердое по сравнению с другими участниками рейтинга. Но из-за минимальных затрат на добычу оно часто комбинируется с другими элементами для производства стали.

Сталь — это очень прочный сплав из железа и других элементов, таких как углерод. Это наиболее часто используемый материал в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности. И даже если вы не имеете к ним никакого отношения, то все равно используете сталь каждый раз, когда режете продукты ножом (если он, конечно, не керамический).

6. Титан

Титан — это практически синоним прочности. Он обладает впечатляющей удельной прочностью (30-35 км), что почти вдвое выше, чем аналогичная характеристика легированных сталей.

Будучи тугоплавким металлом, титан обладает высокой устойчивостью к нагреву и истиранию, поэтому является одним из самых популярным сплавов. Например, он может быть легирован железом и углеродом.

Если вам нужна очень твердая и при этом очень легкая конструкция, то лучше чем титан металла не найти. Это делает его выбором номер один для создания различных деталей в авиа- и ракетостроении и судостроении.

5. Рений

Это очень редкий и дорогой металл, который хотя и встречается в природе в чистом виде, обычно идет «довеском»-примесью к молибдениту.

Если бы костюм Железного человека был сделан из рения, он мог бы выдержать температуру в 2000 ° C без потери прочности. О том, что стало бы с самим Железным человеком внутри костюма после такого «фаер-шоу» мы умолчим.

Россия — третья страна в мире по природным запасам рения. Этот металл используется в нефтехимической промышленности, электронике и электротехнике, а также для создания двигателей самолетов и ракет.

4. Хром

По шкале Мооса, которая измеряет устойчивость химических элементов к царапинам, хром находится в пятерке лучших, уступая лишь бору, алмазу и вольфраму.

Хром ценится за высокую коррозионную стойкость и твердость. С ним легче обращаться, чем с металлами платиновой группы, к тому же он более распространен, поэтому хром является популярным элементом, используемым в сплавах, таких, как нержавеющая сталь.

А еще один из прочнейших металлов на Земле используется при создании диетических добавок. Конечно, вы будете принимать внутрь не чистый хром, а его пищевое соединение с другими веществами (например, пиколинат хрома).

3. Иридий

Как и его «собрат» осмий, иридий относится к металлам платиновой группы, и по внешнему виду напоминает платину. Он очень твердый и тугоплавкий. Чтобы расплавить иридий, вам придется развести костер температурой выше 2000 °C.

Иридий считается одним из самых тяжелых металлов на Земле, а также одним из самых устойчивых к коррозии элементов.

2. Осмий

Этот «крепкий орешек» в мире металлов относится к платиновой группе и обладает высокой плотностью. Фактически это самый плотный природный элемент на Земле (22,61 г/см3). По этой же причине осмий не плавится до 3033 ° C.

Когда он легирован другими металлами платиновой группы (такими как иридий, платина и палладий), он может использоваться во многих различных областях, где необходимы твердость и долговечность. Например, для создания емкостей для хранения ядерных отходов.

1. Вольфрам

Самый прочный металл, который только есть в природе. Этот редкий химический элемент также самый тугоплавкий из металлов (3422 ° C).

Впервые он был обнаружен в форме кислоты (триоксида вольфрама) в 1781 году шведским химиком Карлом Шееле. Дальнейшие исследования привели двух испанских ученых — Хуана Хосе и Фаусто д’Эльхуяра — к открытию кислоты из минерала вольфрамита, из которого они впоследствии изолировали вольфрам с помощью древесного угля.

Помимо широкого применения в лампах накаливания, способность вольфрама работать в условиях сильной жары делает его одним из наиболее привлекательных элементов для оружейной промышленности. Во время Второй мировой войны этот металл сыграл важную роль в инициировании экономических и политических отношений между европейскими странами.

Вольфрам также используется для изготовления твердых сплавов, а в аэрокосмической промышленности — для изготовления ракетных сопел.

Таблица предела прочности металлов

МеталлОбозначениеПредел прочности, МПа
СвинецPb18
ОловоSn20
КадмийCd62
АлюминийAl80
БериллийBe140
МагнийMg170
МедьCu220
КобальтCo240
ЖелезоFe250
НиобийNb340
НикельNi400
ТитанTi600
МолибденMo700
ЦирконийZr950
ВольфрамW1200

Сплавы против металлов

Сплавы представляют собой комбинации металлов, и основной причиной их создания является получение более прочного материала. Наиболее важным сплавом является сталь, которая представляет собой комбинацию железа и углерода.

Чем выше прочность сплава — тем лучше. И обычная сталь тут не является «чемпионом». Особенно перспективными представляются металлургам сплавы на основе ванадиевой стали: несколько компаний выпускают варианты с пределом прочности до 5205 МПа.

А самым прочным и твердым из биосовместимых материалов на данный момент является сплав титана с золотом β-Ti3Au.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector