Туннель в воде. Как устроены подводные тоннели (фото). Недостроенный «монстр» в Альпах

Если верить википедии, к тугоплавким относятся металлы, которые имеют температуру плавления от 2200 °C. Под это утверждение подпадают ниобий, рений, молибден, тантал и вольфрам.

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 (ZrO 2).

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 (MoSi 2 , WSi 2).

Любознательных людей наверняка интересует вопрос, какой металл самый тугоплавкий? Прежде чем дать на него ответ, стоит разобраться с сами понятием тугоплавкости. Все известные науки металлы имеют разную температуру плавления в связи с различной степенью устойчивости связей между атомами в кристаллической решетке. Чем слабее эта связь, тем меньшая температура требуется, чтобы ее разорвать.

Самые тугоплавкие металлы в мире используются в чистом виде или в составе сплавов для производства деталей, которые работают в экстремальных термических условиях. Они позволяют эффективно противостоять высоким температурам и значительно продляют эксплуатационный период агрегатов. Но стойкость металлов данной группы к термическому воздействию заставляет металлургов прибегать к нестандартным методам их производства.

Какой металл самый тугоплавкий?

Самый тугоплавкий металл на Земле был открыт в 1781 году шведским ученым Карлом Вильгельмом Шееле. Новый материал получил название вольфрам. Шееле удалось синтезировать триокись вольфрама путем растворения руды в азотной кислоте. Чистый металл был выделен двумя годами позже испанскими химиками Фаусто Фермином и Хуаном Хосе де Элюар. Новый элемент не сразу получил признание и был взят на вооружение промышленниками. Дело в том, что технологии того времени не позволяли обрабатывать столь тугоплавкое вещество, поэтому большинство современников не придали особого значения научному открытию.

Вольфрам был оценен гораздо позже. На сегодняшний день его сплавы используются при производстве термостойких деталей для различных отраслей промышленности. Нить накаливания в газоразрядных бытовых лампах также изготавливается из вольфрама. Также он применяется в аэрокосмической промышленности для производства ракетных сопел, используется в качестве многоразовых электродов в газодуговой сварке. Кроме тугоплавкости вольфрам также обладает высокой плотностью, что позволяет использовать его для изготовления высококачественных клюшек для гольфа.

Соединения вольфрама с неметаллами также широко применяется в промышленности. Так сульфид используется в качестве термостойкой смазки, способной переносить температуры до 500 градусов по Цельсию, карбид служит для изготовления резцов, абразивных дисков и сверл, способных обрабатывать самые твердые вещества и переносить высокие температуры нагрева. Рассмотрим, наконец, промышленное получение вольфрама. Самый тугоплавкий металл имеет температуру плавления 3422 градуса по Цельсию.

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.

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
• 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.

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 кг\м3, наибольшей вольфрам - 19300 кг\м3. 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:

Металлы относятся к самым распространенным материалам наравне со стеклом и пластмассами. Они используются людьми с давних времен. На практике люди познавали свойства металлов и с выгодой использовали их для изготовления посуды, бытовых предметов, различных сооружений и произведений искусства. Основной характеристикой этих материалов является их тугоплавкость и твердость. Собственно, от этих качеств зависит их применение в той или иной области.

Физические свойства металлов

Все металлы обладают следующими общими свойствами:

1. Цвет - серебристо-серый с характерным блеском. Исключение составляют: медь и золото. Они соответственно выделяются красноватым и желтым оттенком.
2. Агрегатное состояние - твердое тело, кроме ртути, которая является жидкостью.
3. Тепло- и электропроводность - для каждого вида металлов выражается по-разному.
4. Пластичность и ковкость - изменяющийся параметр в зависимости от конкретного металла.
5. Температура плавления и кипения - устанавливает тугоплавкость и легкоплавкость, обладает разными значениями для всех материалов.

Все физические свойства металлов зависят от строения кристаллической решетки, ее формы, прочности и пространственного расположения.

Тугоплавкость металлов

Этот параметр становится важным, когда возникает вопрос о практическом применении металлов. Для таких важных отраслей народного хозяйства, как авиастроение, кораблестроение, машиностроение, основой являются тугоплавкие металлы и их сплавы. Кроме этого, их используют для изготовления высокопрочного рабочего инструмента. Литьем и выплавкой получают многие важные детали и изделия. По прочности все металлы делятся на хрупкие и твердые, а по тугоплавкости их подразделяют на две группы.

Тугоплавкие и легкоплавкие металлы

1. Тугоплавкие - их температура плавления превышает точку плавления железа (1539 °C). К ним можно отнести платину, цирконий, вольфрам, тантал. Таких металлов всего несколько видов. На практике их применяется еще меньше. Некоторые не используются, так как они имеют высокую радиоактивность, другие - слишком хрупкие и не обладают нужной мягкостью, третьи - подвержены коррозии, а есть такие, что экономически невыгодные. Какой металл самый тугоплавкий? Как раз об этом пойдет речь в данной статье.
2. Легкоплавкие - это металлы, которые при температуре меньше или равной температуре плавления олова 231,9 °C могут изменить свое агрегатное состояние. Например, натрий, марганец, олово, свинец. Металлы применяются в радио- и электротехнике. Их часто используют для антикоррозийных покрытий и в качестве проводников.

Вольфрам - самый тугоплавкий металл

Это твердый и тяжелый материал с металлическим блеском, светло-серого цвета, обладающий высокой тугоплавкостью. Механической обработке поддается трудно. При комнатной температуре он является хрупким металлом и легко ломается. Вызвано это загрязнением его примесями кислорода и углерода. Технически чистый вольфрам при температуре более 400 градусов Цельсия становится пластичным. Проявляет химическую инертность, плохо вступает в реакции с другими элементами. В природе вольфрам встречается в виде сложных минералов, таких как:

• шеелит;
• вольфрамит;
• ферберит;
• гюбнерит.

Вольфрам получают из руды, применяя сложные химические переработки, в виде порошка. Используя методы прессования и спекания, изготовляют детали простой формы и бруски. Вольфрам - очень стойкий элемент к температурным воздействиям. Поэтому размягчить металл не могли в течение ста лет. Не имелось таких печей, которые могли бы разогреваться до нескольких тысяч градусов. Ученые доказали, что самым тугоплавким металлом является вольфрам. Хотя существует мнение, что сиборгий, по теоретическим данным, обладает большей тугоплавкостью, но утверждать твердо этого нельзя, так как он радиоактивный элемент и имеет маленький срок существования.

Исторические сведения

Знаменитый шведский химик Карл Шееле, имеющий профессию аптекаря, в небольшой лаборатории, проводя многочисленные опыты, открыл марганец, барий, хлор и кислород. А незадолго до смерти в 1781 году выявил, что минерал тунгстен является солью неизвестной тогда кислоты. После двух лет работы его ученики, два брата д’Элуяр (испанские химики), выделили из минерала новый химический элемент и назвали его вольфрамом. Только через столетие вольфрам - самый тугоплавкий металл - произвел настоящий переворот в промышленности.

Режущие свойства вольфрама

В 1864 году английский ученый Роберт Мюшет использовал вольфрам как легирующую добавку к стали, которая выдерживала красное каление и еще больше увеличивала твердость. Резцы, которые изготовляли из полученной стали, увеличили скорость резания металла в 1,5 раза, и она стала составлять 7,5 метра в минуту.

Работая в этом направлении, ученые получали все новые технологии, увеличивая скорость обработки металла с использованием вольфрама. В 1907 году появилось новое соединение вольфрама с кобальтом и хромом, которое стало основоположником твердых сплавов, способных увеличивать скорость резания. В настоящее время она возросла до 2000 метров в минуту, и все это благодаря вольфраму - самому тугоплавкому металлу.

Применение вольфрама

Этот металл обладает сравнительно высокой ценой и тяжело обрабатывается механическим способом, поэтому применяют его там, где невозможно заменить другими, сходными по свойствам материалами. Вольфрам прекрасно выдерживает высокие температуры, имеет значительную прочность, наделен твердостью, упругостью и тугоплавкостью, поэтому находит широкое использование во многих областях промышленности:

• Металлургической. Она является основным потребителем вольфрама, который идет на производство высокого качества легированных сталей.
• Электротехнической. Температура плавления самого тугоплавкого металла составляет почти 3400 °C. Тугоплавкость металла позволяет применять его для производства нитей накаливания, крючков в осветительных и электронных лампах, электродов, рентгеновских трубок, электрических контактов.

• Машиностроительной. Благодаря повышенной прочности сталей, содержащих вольфрам, изготавливают цельнокованые роторы, зубчатые колеса, коленчатые валы, шатуны.
• Авиационной. Какой самый тугоплавкий металл используют для получения твердых и жаропрочных сплавов, из которых делают детали авиационных двигателей, электровакуумных приборов, нити накаливания? Ответ прост - это вольфрам.
• Космической. Из стали, содержащей вольфрам, производят реактивные сопла, отдельные элементы для реактивных двигателей.
• Военной. Высокая плотность металла позволяет изготавливать бронебойные снаряды, пули, броневую защиту торпед, снарядов и танков, гранаты.
• Химической. Стойкая вольфрамовая проволока против кислот и щелочей используется для сеток к фильтрам. С помощью вольфрама меняют скорость химических реакций.
• Текстильной. Вольфрамовая кислота используется как краситель для тканей, а вольфрамит натрия применяют для производства кожи, шелка, водоустойчивых и огнестойких тканей.

Приведенный перечень использования вольфрама в разных областях индустрии указывает на высокую ценность этого металла.

Получение сплавов с вольфрамом

Вольфрам, самый тугоплавкий металл в мире, часто используют для получения сплавов с другими элементами для улучшения свойств материалов. Сплавы, которые содержат вольфрам, как правило, получают по технологии порошковой металлургии, так как при общепринятом способе все металлы превращаются в летучие жидкости или газы при его температуре плавления. Процесс сплавления проходит в вакууме или в атмосфере аргона, чтобы избежать окисления. Смесь, состоящую из металлических порошков, прессуют, спекают и подвергают плавке. В некоторых случаях только вольфрамовый порошок подвергают прессовке и спеканию, а затем пористую заготовку насыщают расплавом другого металла. Сплавы вольфрама с серебром и медью получают именно таким способом. Даже небольшие добавки самого тугоплавкого металла увеличивают жаростойкость, твердость и стойкость к окислению в сплавах с молибденом, танталом, хромом и ниобием. Пропорции в этом случае могут быть совершенно любыми в зависимости от потребностей промышленности. Более сложные сплавы, зависящие от соотношения компонентов с железом, кобальтом и никелем, имеют следующие свойства:

• не тускнеют на воздухе;
• обладают хорошей химической стойкостью;
• имеют отличные механические свойства: твердость и износоустойчивость.

Довольно сложные соединения образует вольфрам с бериллием, титаном и алюминием. Они выделяются устойчивостью при высокой температуре к окислению, а также жаропрочностью.

Свойства сплавов

В практической деятельности вольфрам часто соединяют с группой иных металлов. Соединения вольфрама с хромом, кобальтом и никелем, обладающие повышенной стойкостью к кислотам, используют для изготовления хирургических инструментов. А особые жаропрочные сплавы, кроме вольфрама - самого тугоплавкого металла, содержат в своем составе хром, никель, алюминий, никель. Вольфрам, кобальт и железо входит в состав лучших марок магнитной стали.

Самые легкоплавкие и тугоплавкие металлы

К легкоплавким относятся все металлы, температура плавления которых меньше, чем у олова (231,9 °C). Элементы этой группы находят применение в качестве антикоррозийных покрытий, в электро- и радиотехнике, входят в состав антифрикционных сплавов. Ртуть, точка плавления которой -38,89 °C, при комнатной температуре является жидкостью и находит широкое применение в научных приборах, ртутных лампах, выпрямителях, переключателях, в хлорном производстве. У ртути самая низкая температура плавления по сравнению с другими металлами, входящими в группу легкоплавких. К тугоплавким металлам принадлежат все, температура плавления которых больше, чем у железа (1539 °C). Чаще всего их используют в качестве добавок при изготовлении легированных сталей, а также они могут служить и основой для некоторых специальных сплавов. Вольфрам, имеющий максимальную температуру плавления 3420 °C, в чистом виде используют в основном для нитей накала в электролампах.

Довольно часто в кроссвордах задают вопросы, какой из металлов самый легкоплавкий или самый тугоплавкий? Теперь, не задумываясь, можно ответить: самый легкоплавкий - ртуть, а самый тугоплавкий - вольфрам.

Коротко о железе

Этот металл называют основным конструкционным материалом. Детали из железа встречаются как на космическом корабле или подводной лодке, так и дома на кухне в виде столовых приборов и различных украшений. Этот металл имеет серебристо-серый цвет, обладает мягкостью, пластичностью и магнитными свойствами. Железо является очень активным элементом, на воздухе образуется оксидная пленка, которая препятствует продолжению реакции. Во влажной среде появляется ржавчина.

Температура плавления железа

Железо обладает пластичностью, хорошо поддается ковке и плохо обрабатывается литьем. Этот прочный металл легко обрабатывается механическим способом, используется для изготовления магнитоприводов. Хорошая ковкость позволяет его применять для декоративных украшений. Является ли железо самым тугоплавким металлом? Следует отметить, что его температура плавления равна 1539 °C. А по определению, к тугоплавким относятся металлы, температура плавления которых больше, чем у железа.

Однозначно можно сказать, что железо - не самый тугоплавкий металл, и даже не принадлежит к этой группе элементов. Он относится к среднеплавким материалам. Назовите самый тугоплавкий металл? Такой вопрос не застанет теперь вас врасплох. Можно смело отвечать - это вольфрам.

Вместо заключения

Примерно тридцать тысяч тонн в год вольфрама производится во всем мире. Этот металл непременно входит в состав наилучших сортов сталей для изготовления инструментов. На нужды металлургии расходуется до 95% всего вырабатываемого вольфрама. Для удешевления процесса в основном используют более дешевый сплав, состоящий из 80% процентов вольфрама и 20% железа. Используя свойства вольфрама, его сплав с медью и никелем применяют для производства контейнеров, используемых под хранение радиоактивных веществ. В радиотерапии этот же сплав служит для изготовления экранов, обеспечивая надежную защиту.

До сих пор нет единого мнения о том, какие металлы считать тугоплавкими. Наиболее часто к тугоплавким условно относят металлы, которые плавятся при температурах выше точки плавления железа (1536°С). Из всех тугоплавких металлов в чистом виде и в виде основы сплавов массовое применение в технике нашли титан, цирконий, молибден, вольфрам и в значительно меньшей степени ниобий, тантал, ванадий.

До недавнего времени тугоплавкие металлы получали методами порошковой металлургии и применяли в основном для легирования сталей и некоторых сплавов. В связи с тем что для удовлетворения растущих потребностей авиации и ракетной техники необходимы все более жаропрочные материалы, тугоплавкие металлы и сплавы на их основе все шире применяются как жаропрочные конструкционные материалы. В этом случае к ним предъявляются повышенные требования по чистоте, так как тугоплавкие металлы, загрязненные примесями, особенно газовыми, хрупки и плохо поддаются обработке давлением и сварке.

Титан и его сплавы

Титан - элемент 4-й группы периодической системы Д. И. Менделеева - является переходным металлом. Он отличается сравнительно малой плотностью (4,51 г/см 3). По удельной прочности титановые сплавы превосходят легированные стали и высокопрочные алюминиевые сплавы, что делает их незаменимыми конструкционными материалами для авиации и ракетной техники. Основной недостаток титана и его сплавов как конструкционного материала - небольшой модуль упругости (см. § 5), примерно вдвое меньший, чем у железа и его сплавов. Титан плавится при 1670°С, в твердом состоянии имеет две аллотропические модификации. Низкотемпературная α-модификация, существующая до 882°С, обладает гексагональной плотноупакованной решеткой. Высокотемпературная β-модификация имеет объемноцентрированную кубическую решетку. Титан отличается высокой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде и в различных агрессивных средах. Это свойство объясняется образованием защитной окисной пленки на поверхности, поэтому титан особенно стоек в тех средах, которые не разрушают окисную пленку или способствуют ее образованию (в разбавленной серной кислоте, царской водке, азотной кислоте).

На воздухе при температурах до 500°С титан практически стоек. Выше 500°С он активно взаимодействует с атмосферными газами (кислородом, азотом), а также с водородом, окисью углерода, водяным паром. Азот и кислород, растворяясь в титане в значительных количествах, снижают его пластические свойства. Углерод при содержании более 0,1 - 0,2%, откладываясь в виде карбида титана по границам зерен, также сильно снижает пластичность титана. Особенно вредной примесью является водород, который уже при содержании в тысячных долях процента приводит к появлению очень хрупких гидридов и этим вызывает хладноломкость титана. Все эти примеси ухудшают коррозионную стойкость, а также свариваемость титана. Из-за сильной реакционной способности титан и его сплавы плавят в вакуумных дуговых электрических печах в медных водоохлаждаемых кристаллизаторах.

Влияние легирующих элементов, вводимых в титан, целесообразно оценить по их действию на температуру полиморфного превращения. Большая группа металлов увеличивает область существования β-фазы и делает ее устойчивой вплоть до комнатной температуры. К таким элементам, которые называются β-стабилизаторами, относятся переходные металлы V, Сr, Mn, Mo, Nb, Fe. Другие элементы являются активными β-стабилизаторами, расширяющими область существования α-модификации титана. К ним относятся А1, О, N, С. Известны также нейтральные элементы (Sn, Zr, Hf), которые практически не влияют на температуру полиморфного превращения.

Таким образом, при легировании титана одним или более элементами при комнатной температуре можно получить разную структуру, состоящую из α-, α+β- или β-фазы. Именно на эти три группы и подразделяются все современные сплавы титана.

Почти все титановые сплавы легируют алюминием. Это объясняется тем, что алюминий эффективно упрочняет как α-, так и β-фазу при сохранении удовлетворительной пластичности, повышает жаропрочность сплавов, снижает склонность к водородной хрупкости.

Типичным деформируемым титановым α-сплавом является двойной сплав BT5, содержащий 5% А1. Механические свойства этого сплава при комнатной температуре: σ в = 750÷950 МПа, δ = 12÷25%. Для повышения сопротивления ползучести двойные сплавы титан - алюминий легируют нейтральными упрочнителями - оловом и цирконием. Такими сплавами являются BT5-1, содержащий 5% А1 и 2,5% Sn, и сплав BT20, содержаний 6,5% А1, 2% Zr и небольшие добавки (по 1%) молибдена и ванадия. При комнатной температуре первый сплав имеет σ в = 850÷950 МПа, второй - σ в = 950÷1000 МПа. Сплавы этого класса отличаются повышенной жаропрочностью. Они не упрочняются термообработкой и могут работать при температурах до 450 - 500°С. Большинство α-титановых сплавов применяют в отожженном состоянии, температура отжига 700 - 850°С.

Наиболее многочисленный и имеющий наибольшее практическое применение является группа α+β-деформируемых сплавов. К этой группе относятся сплавы, легированные алюминием и β-стабилизаторами. Эти сплавы обладают хорошим комплексом прочностных и пластических свойств и могут работать при температурах до 350 - 400°С. Меняя относительное количество α- и β-фаз, можно получить сплавы с большим диапазоном свойств. Кроме того, α+β-сплавы термически упрочняются, что также позволяет существенно изменять их свойства. Типичными α+β-сплавами являются сплавы BT6 (6% А1; 4% V) и BT14 (4% А1; 3% Mo; 1% V). Сплав ВТ14 - один из наиболее прочных титановых сплавов. Так, после закалки с 860 - 880°С предел прочности этого сплава равен 950 МПа, а после старения при 480 - 550°С в течение 12 - 16 ч он повышается до 1200 - 1300 МПа при сохранении высоких пластических свойств. Изделия из этих сплавов применяются в отожженном и термически упрочненном состоянии, они могут работать при температурах до 350 - 400°С. Из β-сплавов наиболее широко используется сплав ВТ15 (3 - 4% А1; 7 - 8% Мо; 10 - 11% Сr), который после закалки и старения обладает пределом прочности 1300 - 1500МПа при удлинении около 6%. Однако из-за невысокой стабильности пересыщенной β-фазы этот сплав может работать при температурах до 350°С.

Литейные титановые сплавы характеризуются высокой жидкотекучестью и дают плотные отливки, однако по сравнению с деформируемыми сплавами обладают меньшей прочностью и пластичностью. Наиболее широко используемый сплав ВТ5Л, содержащий 5% А1 обладает σ в = 700÷900 МПа, δ = 6÷13%. Сплав предназначен для получения фасонных отливок, длительно работающих при температурах до 400°С. Дополнительное легирование сплава ВТ5Л хромом и молибденом (сплав ВТ3-11) приводит к повышению прочности (σ в = 1050 МПа) и жаропрочности (до 450°С), но к снижению пластичности и жидкотекучести.

Титановые сплавы применяются главным образом в авиации, ракетостроении, судостроении, химическом машиностроении.

Цирконий и его сплавы

Цирконий имеет температуру плавления 1855°С, плотность при комнатной температуре 6,49 г/см 3 . Подобно титану, он существует в двух модификациях. Низкотемпературная α-модификация, устойчивая до 865°С, имеет гексагональную плотноупакованную решетку. Высокотемпературная β-модификация обладает объемноцентрированной кубической решеткой.

Цирконий стоек в растворах кислот и щелочей, в воде и водяном паре; активно взаимодействует с газами: с кислородом выше 150 - 200°С, водородом в интервале температур 300 - 1000°С, азотом и углекислым газом выше 450°С с образованием окислов, нитридов, гидридов, карбидов. Благодаря этой способности цирконий широко используется в качестве геттера - газопоглотительного материала. Загрязнение чистого циркония примесями внедрения, которые образуют, помимо указанных соединений, твердые растворы в цирконии, приводит к снижению пластичности и коррозионной стойкости металла. В связи с высокой химической активностью циркония процессы его получения и обработки проводят в вакууме или в защитной атмосфере.

Другой отличительной особенностью циркония является малое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов и высокая стойкость в условиях ядерного облучения. Эти качества в сочетании со стойкостью в воде и в перегретом паре до 300 - 350°С делают цирконий одним из основных конструкционных материалов атомных водоохлаждаемых реакторов. Однако чистый цирконий обладает сравнительно невысокими механическими свойствами: σ в = 200÷400 МПа, δ = 30÷20%, НВ (70 - 90). Поэтому в качестве конструкционных материалов применяют сплавы циркония. Цирконий легируют небольшими добавками (до 1 - 2%) олова, железа, никеля, хрома, молибдена, ниобия. Эти легирующие элементы, упрочняя цирконий, повышают его коррозионную стойкость. Кроме того, они обладают сравнительно малым сечением захвата тепловых нейтронов, что важно при работе под ядерным облучением.

Ниобий повышает коррозионную стойкость циркония в воде и перегретом паре. Двойные сплавы Zr-1% Nb и Zr - 2,5% Nb широко применяют для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) в водоохлаждаемых реакторах, где в качестве горючего используется твердое топливо. Небольшие добавки олова подавляют вредное влияние примесей внедрения, особенно азота, на коррозионную стойкость циркония. Еще больший эффект достигается при комплексном легировании оловом, железом, хромом, никелем. В настоящее время в промышленном масштабе применяют сплавы типа циркаллой-2 (1,2 - 1,7% Sn; 0,07 - 0,2% Fe; 0,05 - 0,15% Сr; 0,03 - 0,08% Ni), а также сплав оженит-0,5, легированный оловом, железом, ниобием, никелем при суммарном их содержании 0,5%. По механическим свойствам сплавы типа циркаллой-2 (σ в = 480÷500 МПа, δ = 30%) приближаются к нержавеющим сталям, сплав оженит обладает меньшей прочностью (σ в = 300 МПа, δ = 35%).

С помощью термообработки (закалки, отпуска, отжига) можно изменять механические свойства циркониевых сплавов, однако обычно их подвергают только отжигу в α-области (800 - 850°С) для снятия напряжений. Это вызвано тем, что закалка и отпуск, как правило, приводят к снижению основной эксплуатационной характеристики циркониевых сплавов - коррозионной стойкости из-за образования метастабильных фаз.

Вольфрам и его сплавы

Вольфрам - самый тугоплавкий металл. Его температура плавления 3400°С. Плотность вольфрама при комнатной температуре 19,3 г/м 3 , кристаллическая решетка кубическая объемноцентрированная. Основная масса этого металла расходуется на легирование сталей и получение так называемых твердых сплавов. Как самостоятельный материал вольфрам применяют в электровакуумной и электротехнической промышленности. Из него изготавливают нити ламп накаливания, детали радиоламп, нагреватели, различные детали вакуумных печей и т. д. Эти изделия получают пластическим деформированием штабиков, спеченных из порошков заготовок, и используют в нагартованном состоянии или после отжига для снятия напряжений (1000°С, 1 ч). Основной недостаток вольфрама технической чистоты - хрупкость при комнатной температуре, вызванная загрязнением примесями внедрения, в первую очередь кислородом и углеродом. Предел прочности такого металла при комнатной температуре составляет 500 - 1400 МПа при практически нулевом удлинении. Вольфрам технической чистоты становится пластичным при температуре выше 300 - 400°С. Эта температура называется порогом хрупкости. Рекристаллизованный вольфрам (температура рекристаллизации 1400 - 1500°С) еще более хрупок, его порог хрупкости 450 - 500°С. Это вызвано перемещением примесей внедрения к границам зерен и образованием хрупких прослоек. Глубокой очисткой вольфрама порог хруп, кости можно снизить до минусовых температур.

В электровакуумной промышленности, кроме технически чистого вольфрама марки ВЧ, используют специальные сорта с присадками окислов - А1 2 O 3 , SiO 2 , K 2 O (марка BA). Мелкодисперсные частицы этих присадок, располагаясь по границам зерен вольфрама, повышают температуру его рекристаллизации. Поэтому изделия из такого металла оказываются способными при нагреве сохранять форму и не провисать. Торированный вольфрам (с 1 - 2% ТhO 2) обладает высокой жаропрочностью, а также высокими и устойчивыми термоэмиссионными свойствами, однако из-за опасности для здоровья людей (радиоактивность) в последнее время его успешно заменяют вольфрамом с присадками окиси лантана (ВЛ) и окиси иттрия (ВИ). Изделия из плавленого вольфрама и его сплавов находят пока ограниченное применение, главным образом в новой технике.

При легировании вольфрама стремятся повысить его прочность, жаропрочность, снизить хрупкость и улучшить технологичность. Разработаны однофазные сплавы вольфрама с ниобием (до 2% Nb), с молибденом (до 15% Мо), с рением (до 30% Re). Особенно эффективное влияние на свойства вольфрама оказывает рений. Сплав с 27% Re пластичен при комнатной температуре и обладает в литом состоянии σ в = 1400 МПа и δ = 15%. Однако возможности использования этих сплавов ограничены дефицитностью рения.

Перспективны также гетерофазные сплавы вольфрама, упрочненные дисперсными частицами карбидов. Введение небольших добавок тантала (до 0,2 - 0,4%) и углерода (до 0,1%) вызывает повышение прочности и пластичности. Сплавы вольфрама при температурах до 1600 - 1900°С более жаропрочны, чем вольфрам, однако выше этих температур они теряют свое преимущество по жаропрочности.

Молибден и его сплавы

Молибден имеет объемноцентрированную кубическую решетку. Его температура плавления 2620°С. Молибден менее хрупок по сравнению с вольфрамом. Температурный порог его хрупкости в зависимости от чистоты лежит в пределах 70 - 300°С. Хрупкость молибдена также вызвана скоплением возле границ зерен примесей внедрения или фаз внедрения. При нагреве молибден сильно окисляется, а при температуре выше 680 - 700°С его окислы возгоняются. Основную массу молибдена расходуют на легирование сталей. Как самостоятельный материал молибден используют в виде проволоки, прутков, ленты, листов, изготовляемых из заготовок-штабиков, которые получают методом порошковой металлургии. В таком виде его применяют в электронных вакуумных приборах (аноды, сетки, опоры) в качестве нагревательных элементов и экранов вакуумных печей. Предел прочности молибдена разной чистоты при комнатной температуре составляет 450 - 800 МПа при удлинении 25 - 1%. Поскольку плотность молибдена (10,2 г/см 3) почти в два раза ниже плотности вольфрама, то по удельной прочности при температурах до 1300 - 1400°С молибден превосходит вольфрам и его сплавы.

В последнее время все большее применение получает более чистый молибден, подвергнутый дуговому вакуумному или электроннолучевому переплаву, а также сплавы молибдена. Легирование молибдена некоторыми элементами приводит к его упрочнению и повышению пластичности. Особенно эффективное влияние на молибден, так же как и на вольфрам, оказывает рений, который образует с ним широкую область твердых растворов. Рений существенно упрочняет молибден, в то же время уменьшает его чувствительность к примесям внедрения и хладноломкости, повышает температуру рекристаллизации. Легирование молибдена небольшими количествами титана и циркония (до 1%) приводит к значительному его упрочнению при комнатной и повышенной температурах. Эти легирующие элементы образуют с углеродом, всегда присутствующим в молибдене, дисперсные частицы карбидов.

Ниобий, тантал, ванадий и их сплавы

Ниобий обладает о. ц. к. решеткой, имеет температуру плавления 2470°С, плотность 8,57 г/см 3 . В отличие от вольфрама и молибдена ниобий способен в довольно значительных количествах растворять кислород, азот, углерод. Поэтому он и его сплавы обладают существенно более высокой пластичностью, не охрупчиваются при рекристаллизации, способны хорошо свариваться. Разработаны сплавы ниобия типа твердых растворов с вольфрамом (до 15%) и молибденом (до 5%). Созданы также сплавы с добавками циркония (до 1%) и углерода (до 0,1%), в которых упрочнение достигается в результате возникновения выделений карбидов циркония. Сплавы предназначены для работы при 900 - 1200°С. Значительные количества ниобия расходуют для легирования сталей.

Тантал обладает о. ц. к. решеткой, плавится при 3996°С, плотность его 16,6 г/см 3 . Этот металл отличается высокой пластичностью и химической стойкостью в агрессивных средах. Стойкость объясняется образованием плотной и прочной окисной пленки. Тантал используют в виде порошка для изготовления анодов электролитических конденсаторов методами порошковой металлургии. При этом главное значение имеют высокие диэлектрические свойства окисной пленки, специально создаваемой на внутренней поверхности пористых анодов. Из тантала изготавливают ленту, прутки, проволоку, трубы для деталей электровакуумных приборов и химической аппаратуры.

Ванадий имеет точку плавления 1900°С, обладает о. ц. к. решеткой, его плотность 6,1 г/см 3 . Основное количество ванадия расходуется для легирования сталей. Чистый ванадий и сплавы на его основе пока не нашли широкого промышленного применения.

Твердые сплавы

Твердыми сплавами называются металлические материалы, состоящие из карбида вольфрама и небольшого количества кобальта (2 - 20%). Изделия из твердых сплавов получают только методом порошковой металлургии. Вначале изготовляют прессовки из смеси порошков карбида вольфрама и кобальта. Затем их спекают при 1350 - 1480°С. Примерно при 1200°С в смеси порошков появляется жидкость эвтектического состава (65 - 70% Со, 35 - 30% WC). Таким образом, спекание происходит в присутствии большого количества жидкой фазы При охлаждении после спекания жидкость затвердевает и из нее выделяются карбид вольфрама, который присоединяется к нерасплавившимся зернам, и кобальт, который образует прослойки между зернами карбида вольфрама и обеспечивает механическую прочность твердосплавных изделий. Размер частиц карбида вольфрама в готовом твердом сплаве обычно 1 - 2 мкм. Главное назначение твердых сплавов - металлорежущий и буровой инструмент. Ребрами, фрезами, сверлами из твердых сплавов можно обрабатывать стали, чугуны, цветные сплавы при таких режимах, когда разогрев режущей кромки доходит до 1000°С и выше. Буровой твердосплавный инструмент (долота, шарошки) служит в несколько раз дольше, чем стальной. Из твердых сплавов изготавливают также инструмент для обработки металлов давлением - волоки, штампы, матрицы.

Кроме твердых сплавов на основе карбида вольфрама, существуют твердые сплавы на основе двойного карбида вольфрама и титана, а также тройного карбида вольфрама, титана и тантала.

Твердые сплавы на основе сложных карбидов обладают более высокой стойкостью при обработке сталей.

Вольфрамкобальтовые твердые сплавы обозначаются BK2, BK6, BK15 и т. д. Последняя цифра соответствует процентному содержанию кобальта. Твердые сплавы на основе карбидов вольфрама и титана обозначаются T15K6, T30K4 и т. п. Цифра после буквы Т показывает содержание карбида титана, цифра после буквы К - содержание кобальта. Для сплавов на основе тройного карбида принято обозначение ТТ7К12 и т. п. Цифра после букв ТТ соответствует суммарному содержанию карбидов титана и тантала. Твердые сплавы характеризуются прочностью на изгиб и твердостью по Роквеллу. Предел прочности при изгибе составляет 1000 - 2000 МПа, а твердость HRC (85 - 90). Большей прочностью и меньшей твердостью обладают сплавы с повышенным содержанием кобальта.

Близки к твердым сплавам по структуре и характеру использования наплавочные сплавы на основе литого карбида вольфрама так называемого рэлита. Полученный плавкой в графитовом тигле карбид вольфрама дробят до частиц не более 0,6 мм и затем наносят на рабочие поверхности горнорудного оборудования путем оплавления. Структура поверхностного слоя состоит из нерасплавившихся зерен рэлита в оплавленной стальной основе.