Тугоплавкие металлы – список и их полезные свойства

Что считать тугоплавким металлом

О признаке, по которому металл причисляют к группе, говорит название.

Тугоплавкие металлы – это химические элементы с температурой плавления выше большинства остальных:

• В классическом понимании это более 2200°С. Таким свойством наделены пять металлов.
• Однако термин «тугоплавкие» применяют и в отношении металлов с температурой плавления выше железа, т.е. от 1850°С. По этому параметру тугоплавкими металлами являются еще девять элементов.

Таким образом, список тугоплавких элементов включает 14 позиций.

Ниобий и его сплавы

Nb, или ниобий, — при обычных условиях серебристо-белый блестящий металл. Он также является тугоплавким, поскольку температура перехода в жидкое состояние для него составляет 2477 оС. Именно это качество, а также сочетание низкой химической активности и сверхпроводимости позволяет ниобию становиться все более популярным в практической деятельности человека с каждым годом. Сегодня этот металл используется в таких отраслях, как:

• ракетостроение;
• авиационная и космическая промышленность;
• атомная энергетика;
• химическое аппаратостроение;
• радиотехника.

Этот металл сохраняет свои физические свойства даже при очень низких температурах. Изделия на его основе отличаются коррозионной устойчивостью, жаростойкостью, прочностью, отличной проводимостью.

Этот металл добавляют к алюминиевым материалам для повышения химической стойкости. Из него изготовляют катоды и аноды, им легируют цветные сплавы. Даже монеты в некоторых странах делают с содержанием ниобия.

Физико-химические характеристики

Главная характеристика группы – тугоплавкость – обеспечивается структурой атомов. Электроны располагаются так близко, что для разрыва межатомных связок требуется температура до двух тысяч градусов.

Вторая общая черта – замедленность деформации ползучести. Чтобы они начали «расползаться», требуется нагрев 1500+°C. В отличие от легкоплавких металлов, которые растекаются при паре сотен градусов.

Однако большинство свойств тугоплавких металлов (плотность, твердость, сопротивляемость сжатию) разнятся из-за принадлежности к разным группам и отличий в структуре кристаллической решетки.

Больше схожести в химических свойствах:

• Легкость образования соединений с другими элементами, из-за чего обнаружить тугоплавы в чистом виде невозможно.
• На воздухе покрываются защитной пленкой. Скорость определяется температурой.
• При нагреве либо взаимодействии с газами (азотом, водородом, углеродом) первоначальные свойства утрачиваются, развивается коррозия, появляется хрупкость.
• Устойчивость перед воздействием кислот.

Учитывая такие характеристики, с элементами работают в вакууме. Самый распространенный пример – вольфрамовая нить накаливания внутри бытовой лампочки.

Хром и его сплавы

Один из самых твердых металлов, в естественном виде голубовато-белой окраски. Его температура плавления ниже, чем у рассмотренных до сих пор элементов, и составляет 1907 оС. Однако он все равно используется в технике и промышленности повсеместно, так как хорошо поддается механическим воздействиям, обрабатывается и формуется.

Особенно ценен хром в качестве напылителя. Его наносят на изделия для придания им красивого блеска, защиты от коррозии и повышения износостойкости. Процесс называется хромированием.

Сплавы хрома очень популярны. Ведь даже небольшое количество этого металла в сплаве значительно увеличивает твердость и устойчивость последнего к воздействиям.

Технология получения

Исходник большинства тугоплавов – руда.

Процесс традиционен:

1. Из нее удаляют примеси.
2. Рафинируют (восстанавливают нужный элемент). Способ восстановления зависит от требуемой степени чистоты металла. Поэтому задействуют дугообразную, электронно-лучевую либо плазменную плавку.
3. Лучший продукт дает плазма. Он представляет собой мелкие гранулы, порошок либо заготовки (проволока, фольга, слитки, арматура, прокат).

Технология плавления специфична, поэтому таким сырьем занимаются специальные предприятия. В СССР их было всего два.

Обработка тугоплавких металлов возможна только методами порошковой металлургии.

Цирконий

Один из самых дорогих металлов, поэтому применение его в технических целях затруднено. Однако физические характеристики делают его просто незаменимым во многих других отраслях.

При обычных условиях это красивый серебристо-белый металл. Обладает достаточно высокой температурой плавления — 1855 оС. Имеет хорошую твердость, устойчивость к коррозии, так как химически не активен. Также отличается великолепной биологической совместимостью с кожей человека и всего организма в целом. Это делает его ценным металлом для использования в медицине (инструменты, протезы и так далее).

Основные области применения циркония и его соединений, в том числе сплавов, следующие:

• ядерная энергетика;
• пиротехника;
• легирование металлов;
• медицина;
• изготовление биопосуды;
• конструкционный материал;
• как сверхпроводник.

Из циркония и сплавов на его основе изготавливаются даже украшения, способные влиять на улучшение состояния здоровья человека.

Сферы применения

Применение тугоплавких металлов не ограничивается бытовыми лампочками.

Их свойства обеспечивают использование всеми отраслями промышленного комплекса, ВПК, в быту:

• Металлургия. Компонент-лигатура для сплавов.
• Судо-, авиа-, космостроение. Детали двигателей.
• Ядерный сектор. Материал деталей реакторов.
• Химпром. Катализатор, источник света.
• Электроника. Конденсаторы.

Материал популярен как база жаропрочных, повышенно устойчивых конструкций (огнеупоров) для указанных отраслей. Особенно если требуются детали сложной конфигурации.

Особняком стоит выращивание рубинов. Для этого в бесцветный кристалл добавляют микродозы хрома.

Почти всегда применяются сплавы. Например, ядерщиками и строителями космических аппаратов востребована молибденово-танталово-вольфрамовая композиция. Она не деформируется при температурах порядка 4000°С, упруга, пластична, невосприимчива к ржавлению.

Где применяется вольфрам?

Широко используют соединения вольфрама. Их применяют в машиностроительной и горнодобывающей промышленностях, для бурения скважин. Из данного металла благодаря его высокой прочности и твердости изготавливают детали двигателей летательных аппаратов, нити накаливания, артиллерийские снаряды, сверхскоростные роторы гироскопов, пули и т.д. Также вольфрам успешно применяется как электрод при аргонно-дуговой сварке. Не обходятся и такие отрасли промышленности без соединений вольфрама – текстильная, лакокрасочная.

Классификация

В зависимости от температуры плавления тугоплавкие металлы причисляются к основной либо дополнительной группе.

Основная группа

Данный сегмент включает пять позиций: вольфрам, ниобий, тантал, молибден, рений. Плавятся при 2200°С+.
Свойства четвёртой группы элементов

Молибден

Самый востребованный из тугоплавких элементов.

Сфера использования номер один – металлургия:

• Молибденом «усиливают» сталь, чтобы получить твердый сплав.
• На пару с нержавеющей сталью применяют как материал инфраструктуры трубопроводов, деталей автомобилей, другой продукции машиностроения.
• Благодаря температуре плавления, износостойкости, малой истираемости используется как легирующая присадка.

Молибдену требуется пара процентов лигатур в составе, чтобы свойства сплава изменились.

Например, полпроцента титана плюс 0,08% циркония создают молибденовый сплав, не снижающий прочность до 1060°C.

Неординарные параметры по трению обусловили использование молибдена как долговечной смазки с высоким КПД.

Материал незаменим для ртутных реле, поскольку амальгама с данным металлом ртутью не формируется.

Вольфрам

Открыт в конце 18 века. Самый твердый и самый тугоплавкий (3422°C) металл.

Вместе с медью и железом используется как основа (до 80%) сплавов с рением, торием, никелем. Такие добавки повышают плотность, порог стойкости к ржавлению, надежность.

Востребован как материал систем электроснабжения, приборов, боеприпасов, ядерных боеголовок ракет. Никелевые сплавы как материал клюшек ценят поклонники гольфа.

Вольфрам, его сплавы востребованы там, где нужна повышенная плотность в условиях запредельных температур.

Тантал

Самый стойкий к кислотам, коррозии из сегмента тугоплавких металлов.

Поэтому используется в конденсаторах смартфонов, планшетов, других гаджетов.

Совместим с биологическими организмами (не меняется под воздействием природных кислот). Благодаря этому применяется медициной.

В природе ниобий и тантал соседи. Не случайно названы по именам отца и дочери – Тантала и Ниобы, персонажей древнегреческих мифов.

Ниобий

Металл с небанальными характеристиками:

• Самый легкий (малой плотности) в сегменте.
• Уникален благодаря свойству менять коэффициент твердости и упругости в зависимости от степени отжига.
• Самый частый в сплавах-суперпроводниках.

Применяется как материал конденсаторов, газовых турбин ракет, самолетов. А также элемент ядерных реакторов и ламп электронных приборов.

Вместе с гафнием и титаном – материал двигателей космических аппаратов (например, американского Аполлона).

Как получают вольфрам?

В природе чистый вольфрам не встречается. Он входит в состав горных пород в виде триоксида, а также вольфрамитов железа, марганца и кальция, реже меди или свинца. По оценкам ученых содержание вольфрама в земной коре в среднем составляет 1,3 грамма на одну тонну. Это достаточно редкий элемент по сравнению с другими видами металлов. Содержание вольфрама в руде после добычи обычно не превышает 2%. Поэтому добытое сырье отправляется на обогатительные фабрики, где методом магнитной или электростатической сепарации массовая доля металла доводится до отметки 55-60%.

Процесс его получения разделяется на технологические этапы. На первом этапе выделяют чистый триоксид из добытой руды. Для этого используют метод термического разложения. При температурах от 500 до 800 градусов по Цельсию все лишние элементы расплавляются, а тугоплавкий вольфрам в виде оксида легко можно собрать из расплава. На выходе получается сырье с содержанием оксида шестивалентного вольфрама на уровне 99%.

Полученное соединение тщательно измельчают и проводят восстановительную реакцию в присутствии водорода при температуре 700 градусов по Цельсию. Это позволяет выделить чистый металл в виде порошка. Далее его спрессовывают под высоким давлением и спекают в водородной среде при температурах 1200-1300 градусов по Цельсию. После этого полученная масса отправляется в электрическую плавильную печь, где под воздействием тока нагревается до температуры свыше 3000 градусов. Так вольфрам переходит в расплавленное состояние.

Для окончательной очистки от примесей и получения монокристаллической структурной решетки используется метод зонной плавки. Он подразумевает, что в определенный момент времени расплавленной находится только некоторая зона из общей площади металла. Постепенно двигаясь, эта зона перераспределяет примеси, в результате чего в конечном итоге они скапливаются в одном месте и их легко можно удалить из структуры сплава.

Готовый вольфрам поступает на склад в виде штабиков или слитков, предназначенных для последующего производства нужной продукции. Для получения сплавов вольфрама все составные элементы измельчают и смешивают в виде порошка в необходимых пропорциях. Далее производится спекание и плавка в электрической печи.

Ванадий

Серый металл с серебристым блеском. Обладает достаточно высоким показателем плавкости (1920 оС). Используется в основном как катализатор во многих процессах, благодаря своей инертности. Применяется в энергетике как химический источник тока, в производствах неорганических кислот. Основное значение имеет не чистый металл, а именно некоторые его соединения.

Рений и сплавы на его основе

Какой металл самый тугоплавкий после вольфрама? Это рений. Его показатель плавкости составляет 3186 оС. По прочности превосходит и вольфрам, и молибден. Пластичность его не слишком высока. Спрос на рений очень велик, а вот добыча составляет сложности. Вследствие этого он является самым дорогим металлом из существующих на сегодняшний день.

Применяется для изготовления:

• реактивных двигателей;
• термопар;
• нитей накаливания для спектрометров и прочих устройств;
• как катализатор при нефтепереработке.

Все области применения дорогостоящие, поэтому он используется только в случае крайней необходимости, когда заменить чем-либо другим возможности нет.

Исторические сведения

Прежде чем изучать характеристики самых тугоплавких металлов в мире следует ознакомиться с их историей открытия. Металлообработка известна человеку несколько тысяч лет. Однако активное получение тугоплавких металлов началось только со второй половины 19 века.

Изначально они использовались только в электротехнике. С появлением новых технологий в строении самолётов, машин, поездов и ракет детали с высоким показателем плавления начали использоваться активнее. Пик популярности заготовок, выдерживающих температуры более 1000 градусов, пришёлся на середину 20 века.

Температура плавления неметаллов

Неметаллические материалы могут быть представлены в твердом и жидком виде. Неорганические вещества представлены в табл. 4.

Таблица 4, температура плавления неорганических неметаллов:

На практике для пользователей наибольший интерес представляют органические материалы: полиэтилен, полипропилен, воск, парафин и другие. Температура плавления некоторых веществ показана в табл. 5.

Таблица 5, температура плавления полимерных материалов:

Внимание! Под температурой стеклования понимают состояние, когда материал становится хрупким.

Видео: температура плавления известных металлов.

Источники

• https://dosaafvlg-kotovo.ru/stanki-drugoe/temperatura-kipeniya-stali.html
• https://tutsvarka.ru/vidy/temperatura-plavleniya-metallov-tablitsa-i-ponyatie
• https://zpu-tmb.ru/metalloprokat/pri-kakoj-temperature-plavitsya-metall.html
• https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0_%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F
• https://pressadv.ru/stali/temperatura-plavleniya-metallov-tablica.html
• https://tpspribor.ru/vidy-metalla/pri-kakoy-temperature-plavitsya-metall-v-gradusah.html
• https://metmastanki.ru/temperatura-plavleniya-metallov-i-nemetallov-tablitsy
• https://svarkaprosto.ru/tehnologii/pri-kakoj-temperature-plavitsya-metall
• https://morflot.su/temperatura-plavlenija-metallov-tablica-po/
• https://stanok.guru/stanki/metallorezhuschiy-stanok/temperatura-plavleniya-raznyh-metallov-v-tablice.html
• https://plazmen.ru/kakova-temperatura-plavleniya-zheleza/