H HeLiBe B C N O F NeNaMg AlSiP S ClArK CaSc TiV CrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrY ZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeI XeCsBaLa* HfTaW ReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAc** RfDbSgBhHsMtDsRg * CePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu **ThPaU NpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr
Тугоплавкі металиРозширена група тугоплавких металів
Тугопла́вкі ме́тали — у металознавстві та металургії клас хімічних елементів (металів), що мають високу температуру плавлення і характеризуються підвищеною стійкістю до зношування. Вони стійкі до діяння повітря і багатьох хімічних агресивних середовищ за кімнатної температури або незначному нагріванні, відзначаються високою реакційною здатністю при високих температурах.
Означення За різними означеннями тугоплавких матеріалів до цього класу відносять різну кількість хімічних елементів. За одним із означень умовою належності до класу є значення температури плавлення вище за 2200 °С. За цією умовою до групи потрапляють п'ять металів: ніобій, молібден, тантал, вольфрам і реній. За розширеним критерієм, коли гранична температура плавлення приймається 1850 °С (або 1800 °С)Тугоплавкі метали // , додатково у групу потрапляє ще чотири метали: ванадій , цирконій, гафній, хром. Метали платинової групи (рутеній, осмій, іридій, родій), що також відповідають цьому критерію переважно відносять до класу благородних металів.
Традиційно до тугоплавких металів можуть відносити також метали, що мають температуру плавлення вищу, ніж у заліза (1539 °С)Лахтин Ю.М. Материаловедение: учебник / Ю. М Лахтин, В. П. Леонтьева. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Машиностроение, 1980. — 493 с., при цьому з цього ряду виключають метали платинової та уранової груп, деякі рідкісноземельні метали а також технецій. В результаті, це будуть ті ж 9 (5 основних + 4 з розширеної групи) металів, що згадані вище і титан.
У деяких джерелах до класу тугоплавких металів включають додатково чотири метали з платинової групи: рутеній, родій, осмій та іридій.
Властивості
Фізичні властивості +Властивості тугоплавких металів Назва Ніобій Молібден Тантал Вольфрам Реній Ванадій Цирконій Титан Гафній Хром Рутеній Родій Осмій Іридій Температура плавлення 2750 K (2477 °C) 2896 K (2623 °C) 3290 K (3017 °C) 3695 K (3422 °C) 3459 K (3186 °C) 2183 K (1910 °C) 2128 K (1855 °C) 1941 K (1668 °C) 2506 K (2233 °C) 2180 K (1907 °C) 2607 K (2334 °C) 2237 K (1964 °C) 3306 K (3033 °C) 2719 K (2446 °C) Температура кипіння 5017 K (4744 °C) 4912 K (4639 °C) 5731 K (5458 °C) 6203 K (5930 °C) 5869 K (5596 °C) 3680 K (3407 °C) 4650 K (4377 °C) 3560 K (3287 °C) 4876 K ( °C) 2944 K (2671 °C) 4423 K (4150 °C) 3968 K (3695 °C) 5285 K (5012 °C) 4403 K (4130 °C) Густина, г/см³ 8,57 10,28 16,69 19,25 21,02 6,0 6,52 4,51 13,31 7,19 12,45 12,41 22,59 22,56 Модуль Юнга, ГПа 105 329 186 411 463 128 88 116 78 279 447 380 57 528 Питомий електричний опір, мкОм см 16,0 5,7 13,6 5,4 19,3 19,7 42,1 4,2 3,3 1,25 0,71 0,43 0,81 0,47 Твердість за Віккерсом, МПа 870–1320 1400–2740 870–1200 3430–4600 1350–7850 628-640 820-1800 3430–4600 1520–2060 1060 нд 1100-8000 3-4 1760–2200 Тип кристалічної ґратки ОЦК ОЦК ОЦК ОЦК ОЦК ГП і ОЦК ОЦК ГП ОЦК ГП ГЦК ГП ГЦК
Загальними властивостями цих металів є: високі температури плавлення, кипіння і рекристалізації; наявність об'ємноцентрованої кубічної кристалічної ґратки (ОЦК); відсутність поліморфізму (виняток — цирконій, у якого низькотемпературна модифікація має гексагональну щільноупаковану ґратку (ГЩ), а високотемпературна — ОЦК та реній і титан, у яких кристалічна гратка має гексагональну (ГЩ) форму). Для цих металів характерною є висока густина і малий коефіцієнт теплового розширення; висока жароміцність; висока стійкість в кислотах; мала поширеність в природі і тому — висока їх вартість.
Більшість фізичних властивостей елементів, що належать до цього класу суттєво різняться, тому що вони є членами різних груп періодичної системи.
Опір деформації повзучості є визначальною властивістю тугоплавких металів. У металів прояв деформації повзучості перебуває у залежності від температури їх плавлення, а отже, деформація повзучості в алюмінієвих сплавів починає проявлятися від 200 °C, у той же час у тугоплавких металів вона починається від 1500 °C. Ця властивість визначає застосування тугоплавких металів та їх сплавів для виготовлення деталей реактивних двигунів або при куванні різних матеріалів.
Хімічні властивості На відкритому повітрі тугоплавкі метали схильні до окиснення. Ця реакція дещо сповільнюється через формування пасивованого шару. Оксид ренію є дуже нестійким, тому що при пропусканні щільного потоку кисню його оксидна плівка випаровується. Усі матеріали є відносно стійкими до впливу кислот.
Застосування
Одна з найважливіших галузей застосування більшості тугоплавких металів — використання їх у вигляді сплавів як жаростійких матеріалів, насамперед в літакобудуванні, ракетній та космічній техніці, атомній енергетиці, високотемпературній техніці. Деталі зі сплавів тугоплавких металів водночас, зазвичай закривають жаростійкими покриттями (наприклад, ніобій окиснюється за температури вище 400 °C, тож для таких застосувань необхідне його захисне покриття, щоби запобігти крихкості сплаву).
Вольфрам, молібден, тантал і сплави на їх основі, враховуючи їх високий електричний опір, використовують для виготовлення нагрівальних елементів високотемпературних (вище від 1200 °С) термічних печей (у вигляді дроту чи стрічки, площа поперечного перерізу яких залежить від необхідної потужності печі), а також нагрівальних пристроїв дослідних приладів і установок, наприклад, високотемпературних рентгенівських установок, електронних мікроскопів тощо, для проведення досліджень в умовах високих температур (до 2500 °С). Враховуючи високу окиснюваність тугоплавких металів, такі нагрівальні елементи повинні працювати у вакуумі, або в атмосфері інертних газів.
Тугоплавкі метали, насамперед, тантал, сплав ніобію з танталом і в окремих випадках — молібден, є металевими матеріалами з найвищою кислотостійкістю. Їх застосування є доцільним у середовищах: неорганічних концентрованих кислотах за підвищених температур та деяких промислових середовищах, у яких інші матеріали не забезпечують достатньої корозійної стійкості. Ніобій поступається танталу за корозійною стійкістю, але є значно дешевим. Додавання до ніобію молібдену і танталу підвищує корозійну стійкість сплаву. Сплав 74% Nb + 25% Та за корозійною стійкістю в кислотах значно перевершує чистий ніобій і наближається до танталу. Титан при його вмісті до 10% не погіршує корозійної стійкості ніобію, тому як кислотостійкі матеріали знаходять застосування потрійні сплави Nb + Ta + Ti. Молібден і вольфрам за стійкістю в киплячих кислотах значно перевершують ніобій і мало поступаються танталу, проте, при їх використанні для виготовлення хімічної апаратури виникають значні технологічні труднощі, що обмежує їх застосування.
Як конструкційні жароміцні матеріали використовують зазвичай не чисті метали, а їх сплави. При цьому ніобій і тантал зазвичай легують у великих кількостях молібденом, титаном, вольфрамом. Молібден легують вольфрамом і в невеликих кількостях — танталом і цирконієм. Вибір сплаву визначається не лише його жароміцністю, а й технологічними властивостями та економічною доцільністю. Так, крихкі і нетехнологічні сплави вольфраму, як і чистий вольфрам, застосовують зазвичай при робочих температурах, що перевищують 2000°С, в умовах сильного ерозійного зношування. Сплави на основі танталу, які є найдорожчими, застосовують для найвідповідальніших елементів. В інтервалі робочих температур 1000...1500 °С використовують переважно сплави на основі ніобію і молібдену. Сплави молібдену мають найвищу жароміцність, тому їх застосовують зп температур понад 1200 °С аж до 2000 °С.
Тугоплавкі метали та їх сплави використовуються як конструкційні матеріали у машинобудуванні, суднобудуванні, електронній, електротехнічній, хімічній, атомній промисловості та в інших галузях техніки. Широке застосування мають оксиди і багато інших хімічних з'єднань тугоплавких металів.
Посилання
http://vseslova.com.ua/word/Тугоплавкі_метали-109566u
Примітки
Джерела Матеріалознавство тугоплавких металів та сполук [текст]: навчальний посібник / Г. П. Кисла, П. І. Лобода, В. Є. Федорчук, М О. Сисоєв. ‒ К. : Центр учбової літератури, 2020. — 320 с. — ISBN 978-617-673-667-7 Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. — 544 с. Олешко А. А., Малишев В. В., Кущевська Н. Ф. Благородні та тугоплавкі хімічні елементи: історичні аспекти їх відкриття: нач.посіб. — К.: Університет «Україна», 2018—160 с. — ISBN 978-966-388-573-5
Посилання https://nmetau.edu.ua/file/navchalniy_posibnik_spetsialni_stali_ridkozemelni_ta_blagorodni_metali.pdf