Андрей Смирнов
Время чтения: ~9 мин.
Просмотров: 0

Легкоплавкие сплавы

Свойства сплавов

Свойства металлов и сплавов полностью определяются их структурой (кристаллической структурой фаз и микроструктурой). Макроскопические свойства сплавов определяются микроструктурой и всегда отличаются от свойств их фаз, которые зависят только от кристаллической структуры.
Макроскопическая однородность многофазных (гетерогенных) сплавов достигается за счёт равномерного распределения фаз в металлической матрице.
Сплавы проявляют металлические свойства, например: электропроводность и теплопроводность, отражательную способность (металлический блеск) и пластичность.
Важнейшей характеристикой сплавов является свариваемость.

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.

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.

Общие свойства жаропрочных материалов

Относительная схожесть физико-химических характеристик данных элементов, обусловлена общностью атомного строения и тем, что они оказываются переходными металлами. Напротив, различия в свойствах, связаны с их принадлежностью к широкому спектру групп Периодической таблицы: IV – VII.

Базовая общая характеристика тугоплавких материалов – прочные межатомные связи. Для их разрыва требуется высокая энергия, которая и обуславливает температуру плавления в тысячи градусов по Цельсию. Дополнительно, данное свойство сказывается на высоких значениях таких параметров тугоплавких металлов, как: твердость, механическая прочность, электрическое сопротивление.

Следующая характеристика, объединяющая данные элементы, – высокая химическая активность. Она связана с общей тенденцией тугоплавких металлов образовывать химические связи посредством свободной p- и частично заполненной d-орбитали, отдавая электроны с наружных уровней s и d. Это свойство затрудняет получение чистых тугоплавких металлов, разбивая технологическое производство на несколько этапов.

Строение жаропрочных элементов также идентично, все они характеризуются объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой. Для этой структуры характерно “охрупчивание”. Исключение составляет рений, обладающий гексагональной ячейкой. Переход в хрупкое состояние для каждого металла происходит при определенной температуре, регулирование которой достигается при помощи легирования.

Каждый тугоплавкий металл, по определению жаропрочный, однако не любой из них жаростойкий. Большинство тугоплавких металлов устойчивы к окислению и действию агрессивных сред: кислоты, щелочи; в обычных условиях. Однако, с повышением температуры до 400 0С их активность аномально возрастает. Это требует создания определенных условий эксплуатации. Поэтому, изделия из тугоплавких металлов, при повышенных температурах использования, часто помещают в атмосферу инертных газов или добиваются степени разреженности воздуха до условий вакуума.

Легкоплавкий металл

Легкоплавкие металлы могут применяться в качестве электродов при электролитическом получении и рафинировании редких металлов в расплавах гало-генитов. В работе изучено взаимодействие свинца, висмута и цинка с цирко-нийсодержащими хлоридными расплавами с целью установления совместимости указанных металлов с исследованными электролитами. Расплавы совместимы с жидкими свинцом и висмутом. С цинком образуются сплавы с невысоким содержанием циркония. Ионы двухвалентного циркония диспропорционируют на поверхности легкоплавких металлов, образуя сплавы.

Легкоплавкие металлы имеют наибольшие значения коэффициента теплоотдачи и высокие температуры кипения. Пуск и работа установок с жидкими металлами сложны, а сами установки дороги, поэтому легкоплавкие металлы промышленного применения для обогрева химической аппаратуры не находят.

Легкоплавкие металлы могут дать тугоплавкий сплав. Кристаллизация соединения A Bm в областях, лежащих по обе стороны прямой cd, протекает в неодинаковых условиях; в области слева от нее молекулы А В, находятся в сочетании с молекулами А, справа — в сочетании с молекулами В.

Легкоплавкие металлы, кроме ртути, натрия, калия и их сплавов, используются главным образом в качестве промежуточных теплоносителей для нагревательных бань. Однако иногда они находят применение в нагревательных установках с естественной и особенно с принудительной циркуляцией.

Легкоплавкие металлы Zn, Cd, In, Sn и Pb, осаждаемые из водного раствора, а также А1, выделяемый из неводных сред, способны образовывать КЭП.

Тяжелые легкоплавкие металлы ( Zn, Cd, Hg, In, Tl, Sn, Pb, Sb, Bi) получают либо пирометаллургическим способом, либо путем электролиза водных растворов. Известны также способы получения этих металлов, основанные на электролизе ионных расплавов. Во всех этих способах исходными продуктами являются промышленные концентраты. Электролиз неводных растворов требует в качестве исходных материалов чистые соли. Кроме того, чо время электролиза, вследствие вторичных процессов, расходуются большие количества дорогостоящих органических растворителей. Поэтому в данном случае электролиз неводных растворов совершенно неконкурентоспособен по сравнению с пирометаллургией, пироэлектрометаллургией и гидроэлектрометаллургией.

Насыщение распыленных покрытий маслом в зависимости от толщины слоя и времени насыщения. У-толщина слоя покрытия 5 мм. 2-то же, 4 мм. 3-то же, 3 мм. 4 — то же, 2 мм. 5-то же, 1 мм.

Легкоокисляющиеся и легкоплавкие металлы образуют слой с многочисленными мелкими порами.

Серебристо-белый мягкий и легкоплавкий металл; плотн. В природе распространен довольно широко, но рассеян, сопутствуя гл. Добывается попутно из калийных солей, литиевых слюд и нефелина. Применяется при изготовлении катодов для фотоумножителей и фотоэлементов, как геттер в вакуумных лампах, в топливных элементах; входит в состав смазок, используемых в космич. РУБИЛЬНИК — простейший переключатель с ручным приводом и металлич. Применяется для коммутации электрич.

Тяжелый мягкий ковкий и легкоплавкий металл синевато — — серого цвета.

Другим легкоплавким металлом, расположенным вблизи границы с областью неметаллов н имеющим полиморфное превращение ( при 300 С н давлении-16 ГПа), является свинец. Важнейшие особенности свинца следующие: отсутствие хладноломкости, повышение прочности н пластичности с понижением температуры, низкая температура рекристаллизации ( ниже комнатной), что приводит к невозможности упрочнения его наклепом, пониженная коррозионная стойкость.

Наиболее легкоплавким металлом является франций — 223 С.

Многие легкоплавкие металлы, если они свободны от окислов, можно плавить в сосудах из кварцевого стекла.

Такие легкоплавкие металлы, как свинец, могут вести себя в чистых условиях в некоторой степени как квазижидкие: подвижность атомов металла в этих случаях достаточно велика, чтобы при малой плотности тока разряда ионов металла активные места, выступы и двухмерные зародыши на поверхности электрода быстро исчезали под действием поверхностного натяжения, а разряжающиеся ионы металла могли выделяться непосредственно на гладкой поверхности металла.

Самый легкоплавкий металл — ртуть, находящийся в жидком состоянии при комнатной температуре, имеет температуру плавления-38 9 С, а самый тугоплавкий металл — вольфрам — имеет температуру плавления ЗЗй7 С.

Ртуть (-38,87°C)


Все мы хорошо знакомы со ртутью — даже сегодня, в век электроники, вряд ли найдётся хоть один человек, которому не измеряли бы температуру тела ртутным термометром. Но мало кто задумывается, что очень текучая тяжёлая серебристая жидкость — самый настоящий металл!

Да-да, элемент №80, Hydrargyrum, плавится на самом лютом морозе — температура кристаллизации ртути почти минус сорок градусов (-38,87°C).

Человечество знакомо со ртутью с древнейших времён. Ртуть находит широчайшее применение в технике, химии, металлургии. Этот элемент достоин отдельного, немаленького рассказа — а сегодня он гордо венчает наш рейтинг.

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.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации