Изделия из тугоплавких металлов

Обновлено: 28.04.2024

С древних времен человек научился обрабатывать и использовать в своей жизни металлы. Какие-то из них подходят для изготовления посуды и других товаров народного потребления, из других, например нержавеющая сталь, делают оружие и медицинские инструменты. А некоторые металлы и сплавы используются для строительства сложных технических механизмов, например космический корабль или самолет. Одной из характеристик, на которую обращают внимание при выборе того или иного материала, является его тугоплавкость.

Самый тугоплавкий металл вольфрам

Тугоплавкость металлов

Внимание этой характеристике уделяют все инженеры и конструкторы, работающие в машиностроении. В зависимости от величины этой характеристики, человек может рассчитать и определить в какую конструкцию можно применить те или иные тугоплавкие материалы.

Материалы, температура плавления который выше температуры плавления железа, равной 1539 °С, называются тугоплавкими. Самые тугоплавкие материалы:

тантал;
ниобий;
молибден;
рений;
вольфрам.

Тантал Молибден

Полный список содержит больше химических элементов, но не все из них получили распространенное применение в производстве и некоторые обладают меньшими температурами плавления или радиоактивны.

Вольфрам – самый тугоплавкий металл. На вид он светло-серого цвета, твердость и вес достаточно велики. Однако, он становится хрупким при низких температурах и его легко сломать (хладноломкость). Если нагреть вольфрам больше 400 °С, он станет пластичным. С другими веществами вольфрам плохо соединяется. Добывают его из сложных и редких минералов руд, таких как:

шеелит;
ферберит;
вольфрамит;
гюбнерит.

Переработка руды очень сложный и дорогостоящий процесс. Извлеченный материал формируют в бруски или готовые детали.

Вольфрам был открыт в XVIII веке, но долгое время не существовало печей, способных нагреваться до температуры плавления этого тугоплавкого металла. Ученые провели множество исследований и подтвердили, что вольфрам самый тугоплавкий металл. Стоит отметить, что по одной из теорий, сиборгий имеет большую температуру плавления, но не удается провести достаточное количество исследований, т.к. он радиоактивен и нестабилен.

Добавление вольфрама в сталь увеличивает ее твердость, поэтому его стали применять в изготовлении режущего инструмента, что увеличило скорость резания и тем самым привело к росту производства.

Высокая стоимость и трудность обработки этого тугоплавкого металла сказываются на сферах его применения. Он используется в тех случаях, когда нет возможности применить другой. Его достоинства:

устойчив к высоким температурам;
повышенная твердость;
прочный или упругий при определенных температурах;

Переработка металлической руды

Все эти характеристики помогают вольфраму найти широкое применение в различных сферах, таких как:

металлургия, для легированных сталей;
электротехника, для нитей накаливания, электродов и др.;
машиностроение, в изготовлении узлов зубчатых передач и валов, редукторов и многом другом;
авиационное производство, в изготовлении двигателей;
космическая отрасль, применяется в соплах ракет и реактивных двигателях;
военно-промышленный комплекс, для бронебойных снарядов и патронов, брони военной техники, в устройстве торпед и гранат;
химическая промышленность, вольфрам обладает хорошей коррозийной стойкостью к действию кислот, поэтому из него делают сетки для фильтров. Кроме того соединения с вольфрамом используют в качестве красителей тканей, в производстве одежды для пожарных и многом другом.

Такой перечень отраслей, где используется этот тугоплавкий металл говорит о том, что его значение для человечества очень велико. Ежегодно по всему миру изготавливают десятки тысяч тон чистого вольфрама и с каждым годом потребность в нем растет.

Получение тугоплавких материалов

Основная трудность, встречающаяся при получении тугоплавких металлов и сплавов, это их высокая химическая активность, которая мешает быть элементу в чистом виде.

Установка для получения тугоплавких металлов

Наиболее распространенной технологией получения считается порошковая металлургия. Существует несколько способов получить порошок тугоплавкого металла.

Восстановление с помощью триоксида водорода. Такой метод включает в себя несколько этапов, оборудование для обработки — это многотрубные печи, с диапазоном температур от 750 до 950 °С. Данный способ применяется для получения молибдена и вольфрама.
Восстановление водородом из перрената аммония. При температуре около 500 °С, на заключительном этапе, полученный порошок, отделяют от щелочей с помощью кислот и воды. Применяется для получения рения.
Соли различных металлов также применяются для получения порошка молибдена. Например, используют соль аммония металла и его порошок не более 15% от общей массы. Смесь нагревается до 500-850 °С при помощи инертного газа, а затем технология производства предусматривает провести восстановление водородом при температуре 850 — 1000 °С.

Производство тугоплавких металлов

Полученный этими способами порошок в дальнейшем подвергают к спеканию в специальные формы, для дальнейшей транспортировки и хранения.

На сегодняшний день, эти способы получения чистых тугоплавких металлов продолжают дорабатываться и применяются новые техники извлечения материала из горных пород. С развитием ядерной энергетики, космической отрасли, металлургии, мы в скором времени сможем наблюдать появление новых методов, возможно более дешевых и простых.

Применение тугоплавких материалов

Сферы, в которых применяются тугоплавкие металлы и сплавы:

авиация;
ракетостроение;
электроника;
космический и военный комплекс.

Объединяет все эти сферы использование новейших технологий и процессов. В основном используются в электрических приборах, лампах, электродах, катодах, предохранителях и многом другом.

Применение вольфрама в космической промышленности Электровакуумные радиолампы

Нашли они свое применение и в ядерной энергетике. Тугоплавкие металлы применяют для производства труб ядерных реакторов, оболочек и других элементов АЭС.

В химической промышленности нашли свое применение вольфрам, для окраски тканей, и тантал, антикоррозионные свойства которого применяются при изготовлении посуды и аппаратуры.

Использование тугоплавких металлов в составе прокатных сталей усиливает определенные свойства тех. Это способствует увеличению прочности, температуре плавления и многим другим свойствам.

Ежегодно выпускается миллионы тонн тугоплавких металлов по всему миру. Они используются в составе различных сплавов и сталей. Без них невозможно изготовить качественный инструмент и материал. Развитие военно-промышленного комплекса, самолетостроения, кораблестроения, создание космических кораблей, безопасность в атомной промышленности невозможна без их применения.

Тугоплавкие металлы

Тугоплавкие металлы были выделены в отдельный класс благодаря объединяющему их свойству — высокой температуре плавления. Она выше, чем у железа, которая равна 1539 °C. Поэтому металлы данной группы и получили такое название. Они принадлежат к числу так называемых редкоземельных элементов. Так, например, по распространённости в земной коре ниобий и тантал составляют 3%, а цирконий только 2%.

По температурному показателю плавления кроме перечисленных, к ним относятся металлы, так называемой платиновой группы. Ещё их называют благородными или драгоценными.

Определённая схожесть строения атома обусловила схожесть их свойств. На основании этого можно обобщить некоторые черты проявления таких металлов в земной коре и определиться с технологией их добычи, производства и переработки.

Свойства тугоплавких металлов

За счёт того, что они расположены в соседних группах периодической таблицы, физические свойства у тугоплавких металлов достаточно близкие:

Плотность металла колеблется в интервале от 6100 до 10000 кг/м 3 . По этому показателю выделяется только вольфрам. У него он равен 19000 кг/м 3 .
Температура плавления. Она превышает температуру плавления железа и колеблется от 1950 °С у ванадия до 3395 °С у вольфрама.
Удельная теплоёмкость у них незначительно отличается друг от друга и находится в пределах от 200 до 400 Дж/(кг-град).
Коэффициент теплопроводности сильно меняется от элемента к элементу. Если у ванадия он равен 31 Вт/(м-град), то у вольфрама он достигает величины в 188 Вт/(м-град).

Физические свойства тугоплавких металлов

Химические свойства также достаточно схожие:

Очень похожее строение атома.
Обладают высокой химической активностью. Это свойство определяет основные трудности при сохранении стабильности их соединений.
Прочность межатомных связей определяет высокую температуру плавления. Это обстоятельство объясняет высокую механическую прочность, твёрдость и электрические характеристики (в частности сопротивление).
Проявляют хорошую устойчивость при воздействии различных кислот.

К основным недостаткам тугоплавких металлов относятся:

Низкая коррозийная стойкость. Процесс окисления происходит достаточно быстро. Его разделяют на две последовательные стадии. Непосредственное взаимодействие металла с кислородом окружающего воздуха, что приводит к образованию оксидной плёнки. На второй стадии происходит процесс диффузии (проникновения) атомов кислорода через образовавшуюся оксидную плёнку.
Трудности со свариваемостью тугоплавких металлов. Это вызвано высокой химической активностью к окружающему воздуху при высоких температурах, хрупкостью при насыщении различными примесями. Кроме того, трудно определить точку перегрева и практически невозможно контролировать повышение предела текучести.
Трудности их получения использования в чистом виде без примесей.
Необходимость применения специальных покрытий от быстрого окисления. Для сплавов, основу которых составляет вольфрам и молибден, разработаны силицидные покрытия.
Трудности, связанные с механической обработкой. Для качественной обработки их сначала необходимо нагреть.

Производство тугоплавких металлов

Все способы производства тугоплавких металлов основаны на методиках так называемой порошковой металлургии. Сам процесс происходит в несколько этапов:

На начальном этапе получают порошок металла.
Затем методами химического восстановления (обычно аммонийных солей или оксидов) выделяют требуемый металл. Такое выделение получается в результате воздействия на порошок водорода.
На завершающем этапе получают химическое соединение, называемое гексафторидом соответствующего металла, и уже из него сам металл.

Применение тугоплавких металлов

Начиная со второй половины двадцатого века тугоплавкие металлы стали применяться во многих отраслях промышленного производства. Порошки тугоплавких металлов используются для производства первичной продукции. Тугоплавкие металлы вырабатывают в виде проволоки, слитков, арматуры, прокатного металла и фольги.

Отдельное место такие металлы занимают в технологии выращивания лейкосапфиров. Они относятся к классу монокристаллов и называются искусственными рубинами.

Изделия из тугоплавких металлов входят в состав бытовых и промышленных электрических приборов, огнеупорных конструкций, деталей для двигателей авиационной и космической техники. Особое место занимают тугоплавкие металлы при производстве деталей сложной конфигурации.

Вольфрам

Этот металл открыли в далёком 1781 г. Его температура плавления равна 3380 °С. Поэтому он на сегодняшний день является самым тугоплавким металлом. Получают вольфрам из специального порошка, подвергая его химической обработке. Этот процесс основан на прессовании с последующим спеканием при высоких температурах. Далее его подвергают ковке и волочению на станках. Это связано с его наибольшей тугоплавкостью. Так получают волокнистую структуру (проволоку). Она достаточно прочная и практически не ломается. На конечном этапе его раскатывают в виде тонких нитей или гибкой ленты. Для проведения механической обработки необходимо создать защитную среду из инертного газа. В этой среде температура должна превышать 400 °С. При температуре окружающей среды он приобретает свойства парамагнетика. Ему присущи следующие недостатки:

сложность в создании условий для механической обработки;
быстрое образование на поверхности оксидных плёнок. Если в контакте имеются серосодержащие вещества, образуются сульфидные плёнки;
создание хорошего электрического контакта между несколькими деталями возможно только при создании большого давление.

Для улучшения свойств вольфрама (тугоплавкости, устойчивости к коррозии, износостойкости) в него добавляют легирующие металлы. Например, рений и торий.

Металл используется для производства нитей накаливания для осветительных и сушильных ламп. Его добавляют в сварочные электроды, элементы электронных ламп и рентгеновских трубок. Также применяется при производстве элементов ракет, в реактивных двигателях, артиллерийских снарядах.

Молибден

По внешнему виду и характеристикам очень похож на вольфрам. Главным отличием является то, что его удельный вес почти в два раза меньше. Его получают аналогичным образом. Он широко применяется в радиоэлектронной промышленности, для изготовления различных испарителей в вакуумной технике, разрывных электрических контактов. Как и вольфрам, он является парамагнетиком. Для изготовления электродов стекловаренных (стеклоплавильных) печей он просто незаменим.

Ниобий

Температура плавления ниобия составляет 2741 °С. По своим химическим, физическим и механическим свойствам очень напоминает тантал. Он достаточно пластичен. Обладает хорошей свариваемостью и высокой теплопроводностью даже без дополнительного нагрева. Как и все остальные металлы его получают из порошка. Конечные заготовки из ниобия – проволока, лента, труба.

Сам металл и его сплавы демонстрируют эффект сверхпроводимости. Его широко применяют для изготовления анодов, экранных и антидинатронных сеток в электровакуумных приборах. Благодаря хорошей пористости, его успешно применяют в качестве газопоглотителей. В микроэлектронике он идёт на изготовление резисторов в микросхемах.

Ниобий хорошо себя проявил в качестве легирующей добавки. Используется при создании различных жаростойких конструкций, агрегатов работающих в агрессивных и радиоактивных средах. Из сплава стали и ниобия изготавливают некоторые элементы реактивных двигателей. Благодаря его свойству не взаимодействовать с радиоактивными веществами при высоких температурах, например, с ураном, применяется при изготовлении оболочек для урановых элементов, отводящих тепло в реакторах.

Тантал

Внешне имеет светло-серый цвет с небольшим голубоватым оттенком. Температура плавления близка к 3000 °С. Хорошо поддается основным видам обработки. Его можно ковать, прокатывать, производить волочение для изготовления проволоки. Эти операции не требуют значительного нагрева. Для удобства дальнейшего использования тантал изготавливают в форме фольги и тонких листов. Повышение температуры вызывает активное взаимодействие со всеми газами, кроме инертных – с ними никаких реакций не наблюдается.

Из тантала производят внутренние элементы генераторных ламп (магнетронов и клистронов). Он активно используется при производстве пластин в электролитических конденсаторах. Очень удобен для изготовления пленочных резисторов. Активно применяется для изготовления так называемых лодочек в испарителях, в которых осуществляется термическое напыление различных материалов на тонкие пленки.

Ввиду ряда своих уникальных качеств, считается незаменимым в ядерной, аэрокосмической и радиоэлектронной промышленности.

Рений

Был открыт позже всех из перечисленных ранее металлов. Он полностью оправдывает свое название «редкоземельный металл», потому что находится в небольших количествах в составе руды других металлов, таких как платина или медь. В основном его используют как легирующую добавку. Полученные сплавы приобретают хорошие характеристики прочности и ковкости. Это один из самых дорогих металлов, поэтому его применение приводит к резкому увеличению цены всего оборудования. Те не менее, его применяют в качестве катализатора.

Хром — уникальный металл. Широко применяется в промышленности благодаря своим замечательным свойствам: прочности, устойчивости к внешним воздействиям (нагреву и коррозии), пластичности. Достаточно твердый, но хрупкий металл. Имеет серо-стальной цвет. Весь необходимый хром извлекают из руды двух видов хромита железа или окиси хрома.

Основными его свойствами являются:

Даже при нормальной температуре обладает почти идеальным антиферромагнитным упорядочением. Это придаёт ему отличные магнитные свойства.
По-разному реагирует на воздействие водорода и азота. В первом случае сохраняет свою прочность. Во втором, становится хрупким и полностью теряет все свои пластические свойства.
Обладает высокой устойчивостью против коррозии. Это происходит благодаря тому, что при взаимодействии с кислородом на поверхности образуется тонкая защитная плёнка. Она служит для защиты от дальнейшей коррозии.

Он используется в металлургической, химической, строительной индустриях. Хром, как легирующая добавка, обязательно используется для производства различных марок нержавеющей стали. Особое место занимает при изготовлении такого материала как нихром. Этот материал способен выдерживать очень высокие температуры. Поэтому его используют в различных нагревательных элементах. Хромом активно покрывают поверхности различных деталей (металла, дерева, кожи). Это процесс осуществляется с помощью гальваники.

Токсичность некоторых солей хрома используют для сохранения древесины от повреждения, вредного воздействия грибков и плесени. Они также хорошо отпугивают муравьёв, термитов, насекомых разрушителей деревянных конструкций. Солями хрома обрабатывают кожу. Хром применяется при изготовлении различных красителей.

Благодаря высокой теплостойкости его используют как огнеупорный материал для доменных печей. Каталитические свойства соединений хрома успешно используют при переработке углеводородов. Его добавляют при производстве магнитных лент наивысшего качества. Именно он обеспечивает низкий коэффициент шума и широкую полосу пропускания.

Твердые сплавы

К твердым сплавам относится отдельная группа соединений, которые способны сохранять свои свойства при достаточно высоких температурах, длительном механическом воздействии на другие материалы. Даже при достижении температуры в 1150 °C твердый сплав сохраняет все физические и механические свойства. Они изготавливаются из тугоплавких металлов, обладающих повышенной твердостью.

Характерные особенности и маркировка

Характерной особенностью получения подобных соединений является применение специфических технологических процессов. Таким процессом является специальное прессование. Он осуществляется тщательным перемешиванием металлических порошков с добавлением порошкового кобальта. Затем производится процесс так называемого термического спекания.

Применяют высокотемпературное сплавление специальной шихты. Такая шихта состоит из большого числа компонентов. В нее входят: вольфрам, кобальт, битое стекло, кокс, легирующие добавки, например, хром.

Для идентификации всего многообразия таких соединений, ГОСТ установлена следующая маркировка твердых сплавов. Марки твердых сплавов состоят из заглавных букв русского алфавита и набора цифр. Каждая буква несет свою смысловую нагрузку.

В качестве примера можно привести следующие марки:

ВК2 – первая буква «В» указывает на наличие в составе вольфрама, вторая определяет наличие кобальта. Цифра указывает на процентное содержание каждого металла. В нашем случае это 2% приходится на кобальт, основу составляет вольфрам. Его содержание достигает 98%;
ВК6М – это также вольфрамокобальтовый твердый слав. Шестерка означает процент имеющегося кобальта. Остальные 94 процента – это вольфрам. «М» конкретизирует область применения. Она указывает на применение данного материала при производстве инструмента для обработки металлов, которые трудно, практически невозможно обработать (например, нержавеющая сталь).
Сплав ВК8 имеет состав: 92% стали, 8% вольфрама.
Т5К10 – такая маркировка указывает — этот образец включает три элемента: вольфрам, титан, кобальт. В нем содержится: вольфрама – 85%, титана – 5%, кобальта -10%.
Т14К8 – имеет такой же состав элементов. Но отличается их процентное содержание: вольфрам – составляет 78%, титан -14%, кобальт – 8%.
ТТ7К12 – в его состав входят четыре основных металла: вольфрам, титан, тантал, кобальт. Вольфрам – 81%, кобальт – 12%, остальное приходится на сплав двух оставшихся металлов.
Современные технологии позволили разработать уникальные соединения с добавлением таких элементов, как никель и молибден. Например, КТС-1 или ТН-20.

Твердый сплав ВК8

Международная классификация ИСО все отечественные сплавы, зарубежные аналоги разделила на области применения. Эта классификация обозначается буквами латинского алфавита, которые указывают на обрабатываемый материал:

Н – используются для закаленной стали;
К – для всех видов чугуна;
М – применяется для нержавеющей стали;
N –используется для металлов, относящихся к категории цветных металлов или их соединений;
P –отдельной категории отливок, у которых формируется так называемая сливная стружка;
S – для металлов и соединений с повышенными жаропрочными характеристиками.

Классификация

Многообразие подобных материалов требует четкого разделения по характерным особенностям. Классификация твердых сплавов производится по таким признакам:

составу химических элементов (наименованию, процентному содержанию);
по технологии производства;
области применения.

По присутствующим химическим элементам их делят на следующие категории:

вольфрамокобальтовые (маркировка ВК);
титановольфрамокобальтовые (ТК);
титанотанталовольфрамокобальтовые (ТТК).

По применяемым технологиям получения разделяют на: спекаемые, литые, порошкообразные. Спекаемые, состоят из карбидов. Делятся на три группы:

однокарбидные (карбид вольфрама);
двухкарбидные (включающие карбиды двух металлов: титана и вольфрама);
трехкарбидные (сваренные из трех элементов).

По процентному содержанию каждого элемента их делят на следующие группы.

К первой относятся материалы, состоящие из карбида вольфрама и кобальт. Они имеют обозначения ВК. К этой многочисленной группе относятся сплав: ВК4, ВК3М, ВК6М. очень популярным является твердый сплав ВК8 и ВК3. Расшифровывается ВК3 так же, как и все вольфрамовые сплавы.

Вторая объединяет титановольфрамовые сплавы. Имеет аббревиатуру ТК. К ней относятся: Т5К10, Т14К8.

Третья включает все титанотанталовольфрамовые сплавы. Обозначают ТТК. Например, ТТ7К12 и другие.

Четвертая, объединяет материалы, у которых имеется износостойкое покрытие. Они обозначаются аббревиатурой ВП. В нее входят: ВП3115, ВП3325. В основу каждого из них заложена основа известного сплава. Например, у ВПЗ115 основа – ВК6.

Вольфрамосодержащие твердые сплавы

Их маркируют следующим образом — ВК6, ВКЗМ, ВК6М, ВК8. Основной областью применения является изготовление режущего инструмента. Сплав ВК8 применяется для изготовления резцов.

Комплект наконечников ВК6

Он позволяет обрабатывать чугун. Используют для производства инструмента, способного осуществлять так называемую безстружковую обработку материалов.

Титановольфрамосодержащие твердые сплавы

Из марок Т5К10, Т14К8, Т15К6 изготавливают инструмент для высокоскоростной обработки различных видов стали. С их помощью обрабатывают металлы, различные соединения с повышенными показателями твердости и теплостойкости.

Самым характерным примером подобного инструмента являются различного рода резцы и буровые колонки.

Характеристики твердых сплавов

Характеристики определяют их свойства и область применения. К ним относятся:

наименование и процентное содержание химических элементов;
физические и механические свойства;
особенности технологических процессов получения;

Химический состав, процентное содержание основных элементов определяется по таблицам ГОСТ.

Производство твердых сплавов

К физико — механическим характеристикам относятся:

допустимая прочность, которая проверяется при помощи изгиба (изменяется от 1200МПа ВК2, до 2150 МПа для сплава ВК25);
твердость (возрастает от 89,5HRA — ВК3, достигает величины 91 HRA — ТТ20К9);
плотность (этот показатель колеблется от 14,9г/см 3 до 15,2г/см 3 );
реализуемая теплопроводность — около 51 Вт/(м×°С);
жаропрочность;
коррозийная стойкость.

Приведенный перечень характеристик позволяет определить область использования.

Области применения

Из них изготавливают оснастку к металлорежущим станкам, бурильному оборудованию.

Тугоплавкие металлы выделяются в отдельную категорию по признаку минимальной температуры плавления – от +200 °С. Кроме этого, все подобные металлы относятся к редкоземельным, то есть их процентное содержание в земной коре крайне мало – 2-3 %. Их сложно обрабатывать в чистом виде, но значение в сплавах сложно переоценить. Например, именно благодаря тугоплавким металлам работают лампы накаливания.

Причина устойчивости к сверхвысокой температуре кроется в структуре атомов, электроны на их орбитах расположены очень близко друг к другу. Тугоплавкие металлы также устойчивы к деформации. Подробнее о свойствах и применении тугоплавких металлов читайте в нашем материале.

Получение тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы проявляют высокую химическую активность, легко взаимодействуя с другими элементами. Это осложняет их добычу, так как металлы этой группы редко сохраняются в чистом виде.

При добыче элементов этой группы сначала получают металл в виде порошка, применяя специальное оборудование. На сегодняшний день нет технологий, позволяющих эффективно добывать металлы из группы тугоплавких, отделяя их от примесей. Химические соединения тугоплавких металлов отличаются нестабильностью, что осложняет их применение в промышленности и снижает качество конечной продукции.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Методы добычи тугоплавких металлов

Восстановление через триоксид водорода

Эта технология для получения тугоплавких металлов в виде порошка требует постоянной температуры в диапазоне от +800 до +1000 °С, для чего используют специальные печи. Чаще всего эту многоэтапную методику применяют для добычи вольфрама и молибдена

Восстановление перренатов водородом

Выделение рения по такой технологии в промышленных масштабах производят при температуре в диапазоне от +480 до +520 °С. Для вымывания из порошка щелочи используют смесь соляной кислоты с горячей водой

Через металлические соли

Технологию чаще всего применяют при добыче молибдена. В процессе выделения металла смесь металлической соли с порошком металла подвергают нагреву от +550 до +900 °С в защитной среде из инертного газа. Далее молибден восстанавливают водородом при +820…+980 °С

В основном, все методики получения тугоплавких металлов основаны на так называемой порошковой металлургии. После получения исходного материала в виде порошка из него методом химического восстановления водородом выделяется нужный металл. Далее получают гексафторид металла и уже из него выделяют металл в чистом виде.

Плавление тугоплавких металлов в виде порошка производят в специальных печах, после чего металл проковывают (протягивают) в проволоку или листы. Помимо нагрева, специальное оборудование попутно прессует металл, придавая ему необходимую форму. Все операции из-за высокой химической активности сырья проходят в защитной среде из инертных газов.

Сферы применения тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы широко используются в промышленности:

Как легирующие добавки при выплавке стали.
В станкостроении, машиностроении и в производстве автомобилей.
В производстве комплектующих для электротехники – электродов, нитей накаливания и других жаростойких деталей.
В самолетостроении при производстве реактивных двигателей.
В военной промышленности, особенно при производстве ракет.
В производство особо прочных сплавов для снарядов, элементов брони военной техники и другой военной продукции от оружия до защитного снаряжения.
В производстве красок, огнестойких покрытий и еще многих областях производства.
В атомной энергетике, где оборудование работает в экстремальных температурных режимах. Применение металлов из группы тугоплавких позволяет обеспечить стабильную и безопасную эксплуатацию АЭС.

Свойства рения (Re)

Рений расположился на 75-й позиции в периодической таблице химических элементов. По тугоплавкости из металлов в чистом виде (речь не идет о сплавах) уступает только вольфраму. При стандартных условиях он обладает плотной структурой и серебристым цветом. Месторождения рения найдены по всему миру, но первоначально его открыли в Германии, своим названием металл обязан реке Рейн.

Официальной датой открытия этого элемента считают 1925 год, когда Уолтер Ноддак обнаружил элемент, существование которого задолго до этого предсказывал Менделеев. В 1928 году Ида Тэкке и Отто Берг смогли получить из молибденовой руды килограмм рения, затратив при этом на каждый грамм полученного вещества более 650 г сырья.

Физические свойства:

При плотности 21 г/см3 рений стоит на 4-м месте по твердости.
Рений плавится при температуре +3200 °С, а закипает при +5600 °С.
Чистый рений в порошке пластичен, однако по мере обработки его твердость начинает резко расти. Этот металл легко выдерживает многократные нагревы и охлаждения, не теряя своей прочности.
По удельному сопротивлению рений вне конкуренции в своей группе.

Металл находят повсюду, однако в таких мизерных количествах, что его по праву считают одним из самых редких элементов таблицы Менделеева. Отсюда и стоимость металла: в зависимости от химической чистоты порошок стоит от 1 300 до 12 000 долларов за килограмм. Лидерами по добыче металла сегодня являются США и Российская Федерация. Разведанные запасы на 2020 год составляли около 13 000 тонн, по расчетам этого количества хватит на 150–200 лет.

Рений применяют:

Для создания покрытий, защищающих металл от коррозии и механических повреждений. Однако покрытия на основе сплавов рения в разы дороже хромовых.;
В химической промышленности – им покрывают внутренние стенки емкостей для хранения кислот.
В качестве добавки в жаропрочных сплавах.
При строительстве ракет и самолетов в качестве легирующей добавки, а также для создания жаропрочного покрытия на поверхности турбинных лопаток или сопел двигателей.

В целом рений относительно мало применяют в промышленности из-за его редкости и дороговизны.

Причины востребованности тантала (Ta)

Этот металл занимает 73-ю позицию в периодической системе элементов. При стандартных условиях тантал представляет собой серебристый металл, иногда с голубоватым оттенком, который ему придает оксидная пленка. В 1802 году шведский ученый А. Г. Экеберг обнаружил тантал в двух образцах породы: из Швеции и Финляндии. В чистом виде металл смогли получить только через 42 года. Отсюда название – в честь мифического героя, которого боги обрекли на вечные страдания.

Почти через 100 лет после открытия Экеберга немецкий исследователь Болтон выделил пластичную форму этого металла.

температура плавления тантала +3000 °С, а кипения +5500 °С;
при сравнимой с золотом пластичности тантал обладает очень высокой плотностью – порядка 17 г/см3;
тантал отлично поглощает газ и при нагреве до +800 °С способен поглотить 740 объемов газа;
при охлаждении до температуры ниже 4,5 К тантал переходит в сверхпроводящее состояние;
тантал – парамагнетик при температуре до -3420 °С, при более низкой температуре он становится ферромагнетиком.

Главные месторождения танталовой руды расположены во Франции, Египте и Таиланде. В земной коре процентное содержание этого редкого металла составляет 0,0002 %. Один килограмм тантала стоит в среднем около 250 долларов США. Если же речь идет об очищенном до 99,9 % металле, его цена превышает 4000 $.

Применение тантала в промышленности:

компонент антикоррозионных и жаростойких покрытий;
устойчивые к воздействию агрессивных химических агентов предметы лабораторной посуды;
теплообменники атомных электростанций (тантал не вступает в реакцию с парами цезия);
сверхпроводящие стержни в криотронах.

В последние годы тантал нашел еще одно необычное применение. Благодаря способности этого элемента образовывать на поверхности прочную и красивую радужную оксидную пленку, этот металл полюбили ювелиры.

Для того чтобы получить 1 тонну чистого (от 80 %) тантала, понадобится переработать около 3 000 тонн породы.

Тугоплавкий металл Ниобий (Nb)

Занимающий 41-ю позицию в периодической таблице Менделеева ниобий выделил из колумбита в начале XIX века англичанин Хэтчет. На первых порах ниобий посчитали вариантом тантала, так как эти два металла очень похожи. В 1844 году исследователь из Германии Генрих Розе, назвал металл в честь любимой дочки.

Добыча ниобия из руды происходит в три этапа: вскрытие концентрата, разделение ниобия и тантала и химическое восстановление чистого ниобия. В промышленности используют карботермическую, алюмотермическую и натрийтермическую технологии добычи ниобия из руды. Все изотопы ниобия, кроме одного, радиоактивны. Взаимодействие человека с пылью металла приводит к раздражению слизистых, отравлению и даже параличу конечностей в тяжелых случаях.

Области применения ниобия:

легирующая добавка в стали, применяемые в авиапромышленности;
легирующая добавка в сплавах цветных металлов;
изготовление сверхпроводящей проволоки для криотронов;
изготовление электролитических конденсаторов высокой удельной теплоемкости;
чеканка памятных монет.

Основные объемы ниобия добывают в Северной Америке, Японии и Бразилии. В нашей стране добыча ниобия ведется на Кольском полуострове.

Сферы применения молибдена (Мо)

Честь открытия этого тугоплавкого металла принадлежит шведскому ученому Карлу Шееле, который в 1778 году, прокаливая молибденовую кислоту, получил триоксид молибдена. Металлический молибден в виде порошка в 1817 году получил Йенс Якоб Берцелиус путем восстановления оксида водородом. Молибден представляет собой мягкий пластичный металл серебристо-белого цвета. Земная кора по оценкам ученых содержит 3×10−4 % молибдена.

мягкий пластичный металл с твердостью по шкале Мооса 4.5 балла;
парамагнетик;
крайне низкий коэффициент теплового расширения;
температура плавления +2 600 °С, кипения +4 650 °С.

Крупнейшие современные месторождения молибдена – в США, Канаде, Мексике, Австралии, Норвегии, России и Чили. Крупные запасы молибдена (7 % от мировых) найдены в Армении.

Применение молибдена:

в качестве легирующей добавки при выплавке жаропрочных нержавеющих сталей;
катализатором реакций в химической промышленности;
в качестве компонента зеркал газодинамических лазеров;
как нагревательный элемент в высокотемпературных вакуумных печах.

В человеческом организме молибдену отведена крайне важная роль: он участвует в тканевом дыхании, усиливая работу антиоксидантов. А вот вдыхание молибденовой пыли ведет к пневмокониозу – неизлечимой болезни легких.

Самый тугоплавкий металл Вольфрам (W)

В группе тугоплавких металлов лидирует вольфрам. Поспорить с ним в термостойкости может только один неметаллический элемент таблицы Менделеева – углерод. В периодической системе вольфраму принадлежит 74-я позиция. Название металла, в переводе означающее «волчья пена», досталось ему от минерала вольфрамита, который затруднял выплавку олова, превращая руду в шлак. Вольфрам был открыт в 1783 году братьями Элюар, по другой версии честь открытия принадлежит Карлу Шееле.

Физические особенности свойств вольфрама:

блестящий металл, сероватого оттенка;
температура плавления +3400 °С, а кипения + 5 555 °С;
плотность 19,25 г/см3, что делает его одним из наиболее плотных элементов;
парамагнетик;
твердость 7,5 баллов по шкале Мооса;
пластичен, хорошо куется, протягивается в нити или пластинки.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Тугоплавкие металлы – описание, изделия из тугоплавких Металлов

Определение “тугоплавкие металлы” не требует дополнительных пояснений в силу исчерпывающей информативности самого термина. Единственным нюансом остается пороговая температура плавления, после которой вещество можно считать тугоплавким.

Разногласия в критическом параметре

Одни источники устанавливают пороговую величину как 4000 F. В переводе на привычную шкалу это дает 2204 0 С. Согласно этому критерию, к жаропрочным относятся только пять элементов: вольфрам, ниобий, рений, тантал и молибден. Например, температура плавления вольфрама составляет 3422 0 С.

Видео – плавка вольфрама водородной горелкой

Другое утверждение позволяет расширить класс температуростойких материалов, поскольку принимает за точку отсчета температуру плавления железа – 1539 0 С. Это позволяет увеличить список еще на девять элементов, включив в него титан, ванадий, хром, иридий, цирконий, гафний, родий, рутений и осмий.

Существует еще несколько пороговых величин температуры, однако они не получили широкого распространения.

Сравнительная таблица степени тугоплавкости чистых металлов

Следует отметить, что тугоплавкие материалы не ограничиваются исключительно металлами. К этой категории относится ряд соединений – сплавы и легированные металлы, разработанных, чтобы улучшить определенные характеристики исходного материала. Относительно чистых элементов, можно привести наглядную таблицу степени их температурной устойчивости. Возглавляет ее самый тугоплавкий металл, известный на сегодня, – вольфрам с температурой плавления 3422 0 С. Такая осторожная формулировка связана с попытками выделить металлы, обладающие порогом расплава, превосходящим вольфрам. Поэтому вопрос, какой металл самый тугоплавкий, может в будущем получить совсем иное определение.

Пороговые величины остальных соединений приведены ниже:

рений 3186; 3027;
тантал 3014;
молибден 2623;
ниобий 2477; 2446;
рутений 2334; 2233;
родий 1964;
ванадий 1910;
хром 1907; 1855; 1668.

Остается добавить еще один интересный факт, касающийся физических свойств жапропрочных элементов. Температура плавления некоторых из них чувствительная к чистоте материала. Ярким примером этому выступает хром, температура плавления которого может варьироваться от 1513 до 1920 0 С, в зависимости от химического состава примесей. Поэтому, данные интернет пространства часто разнятся точными цифрами, однако качественная составляющая от этого не страдает.

Хром в чистом виде

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 0 С 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.

Как отмечалось ранее, основной препятствующий фактор производству жаропрочных металлов их высокая химическая активность, препятствующая выделению элементов в чистом виде.

Основной технологией получения остается порошковая металлургия. Данная методика позволяет получать порошки тугоплавких металлов различными способами:

Восстановление триоксидом водорода. Процесс производится в несколько этапов, внутри многотрубных печей при 750 – 950 °С. Технология применима под порошки тугоплавких металлов: вольфрам и молибден.
Восстановлением водородом перрената. Схема реализуется в производстве металлического рения. Рабочие температуры составляют около 500 °С. Заключительная стадия предусматривает отмывание порошка от щелочи. Для этого последовательно используется горячая вода и раствор соляной кислоты.
Использование солей металлов. Технология развита для выделения молибдена. Основным сырьем выступает аммонийная соль металла и его металлический порошок, вводимый в смесь на уровне 5 – 15% от массы. Состав проходит термическую обработку 500 – 850 °С в проточном инертном газе. Восстановление металла проходит в атмосфере водорода при температурах 800 – 1000 °С.

Производство тугоплавких металлов – порошковая металлургия

Экскурсия на производство

Способы получения жаропрочных металлов продолжают совершенствоваться, как и химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, что связано с развитием ядерной энергетики, авиастроения, появлением новых моделей ракетных двигателей.

Одно из крупнейших предприятий по производству вольфрама на территории РФ – унечский завод тугоплавких металлов. Этот предприятие относительно молодое, строительство его началось в 2007 году на территории населенного пункта Унеча. Производственный акцент завода направлен на порошки тугоплавких металлов, точнее вольфрама и его карбидов.

В дальнейшем, для получения слитков рассыпчатую массу спекают или сдавливают прессом. Подобным образом порошки тугоплавких металлов обрабатываются для производства жаропрочных изделий.

Применение чистых жаропрочных металлов имеет приоритеты по ряду направлений:

сверхзвуковая авиация;

производство космических кораблей;

изготовление управляемых снарядов, ракет;

электронная и вакуумная техника.

Последний пункт затрагивает электроды электровакуумных радиоламп. Например, высокочистый ниобий используется для производства сеток, трубок электронных деталей. Также из него изготавливаются электроды – аноды электровакуумных приборов.

Аналогичное применение свойственно молибдену, вольфраму. Эти металлы в чистом виде используются не только как нити накаливания, но и под электроды радиоламп, крючки, подвески электровакуумного оборудования. Монокристаллы вольфрама, напротив, эксплуатируются как подогреватели электродов, в частности катодов, а также при изготовлении электрических контактов, предохранителей.

Чистые ванадий и ниобий используются в ядерной энергетике, где их них изготовлены трубы атомных реакторов, оболочки тепловыделяющих элементов. Область применения высокочистого тантала – химия (посуда и аппаратура), поскольку металл обладает высокой стойкостью к коррозии.

Отдельно следует рассматривать тугоплавкий припой, поскольку он не включает металлов, имеющих высокие температуры плавления. Например, тугоплавкое олово не содержит порошки тугоплавких металлов. В качестве добавок тут используются медь, серебро, никель или магний.

Тугоплавкие металлы и сплавы востребованы как прокат, так и в других сферах. В частности, применение сплавов обусловлено способностью, модифицировать определенные свойства металла: понизить температуру охрупчивания, улучшить жаропорочные характеристики.

Прокат из тугоплавких металлов достаточно широк по ассортименту и включает:

листы;

полосы обычные и для глубокой вытяжки;

фольгу;

трубы;

проволоку и прутки.

Термоэлектродная проволока вольфрам-рениевая

Наиболее крупным отечественным производителем данного типа продукции выступает опытный завод тугоплавких металлов и твердых сплавов.

Читайте также: