Тугоплавкие металлы и их сплавы
Если верить википедии, к тугоплавким относятся металлы, которые имеют температуру плавления от 2200 °C. Под это утверждение подпадают ниобий, рений, молибден, тантал и вольфрам.
| Название | Температура плавления |
| Ниобий | 2477°C |
| Молибден | 2623 °C |
| Тантал | 3017 °C |
| Вольфрам | 3422 °C |
| Рений | 3186 °C |
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 (ZrO2).
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, WSi2). [1]
Литература:
- Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева., Материаловедение, 1990
Тугоплавкие металлы
Тугоплавкими называют металлы с температурой плавления выше 2200оС, т.
е. выше температуры плавления железа, никеля, кобальта и их сплавов. К тугоплавким металлам, нашедшим применение в технике, относят металлы, имеющие следующие температуры плавления, оС: ниобий 2468, молибден 2610, тантал 2996, вольфрам 3410.
Все перечисленные металлы имеют ОЦК кристаллическую решетку и не претерпевают фазовых превращений. Менее плотноупакованная по сравнению с ГЦК решеткой структура, несмотря на высокую температуру плавления, характеризуется сравнительно низким сопротивлением ползучести.
Другим недостатком всех тугоплавких металлов является их низкая жаростойкость и необходимость использования различных покрытий для защиты от окисления при высоких температурах. Для молибденовых и вольфрамовых сплавов применяют термодиффузионные силицидные покрытия.
Кроме того, сплавы на основе молибдена и вольфрама недостаточно технологичны – они плохо деформируются и свариваются. Сплавы на основе тантала и ниобия не имеют этих недостатков.
Применение танталовых сплавов сдерживается высокой стоимостью и дефицитностью металла. В качестве конструкционных материалов в перспективе могут найти применение сплавы на основе ниобия с дополнительным упрочнением твердого раствора вольфрамом и дисперсным упрочнением карбидами типа МеС.
Основная область применения сплавов тугоплавких металлов – элементы конструкций высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов и термоядерных реакторов, в перспективе они могут быть использованы в космических аппаратах с ядерными источниками энергии, в электрических термопарных и других устройствах. Хорошо известна ведущая роль вольфрама, как материала для нитей накаливания ламп и тантала, как материала для конденсаторов.
Вместе с тем необходимо учитывать, что возможности суперсплавов приближаются к пределу. Поэтому в будущем тугоплавкие металлы могут рассматриваться как перспективные материалы для турбин или других воздушно-реактивных установок при условии, что новые достижения в области металлургических процессов и технологии обработки смогут придать этим материалам необходимые служебные качества.
Сплав ниобия с цирконием (1 % по массе) характеризуется хорошей технологичностью и малым сечением захвата тепловых нейтронов. Его широко применяют в ядерных системах, которые содержат жидкие металлы и работают при температурах 980 – 1200°С.
Сплав вольфрама с 3 % рения, благодаря высокому электрическому со-противлению, используется в импульсных лампах-вспышках.
Молибденовый сплав, легированный малыми добавками титана (0,5 %) и циркония (0,1 %), используют для изготовления литейных стержней и вставок при литье под давлением стали, алюминия, цинка и меди. Применяют его и как инструментальный материал при изотермической штамповке крупных турбинных дисков.
В ряде специальных конструкций используют так называемые псевдосплавы – композиционные материалы, состоящие из взаимно нерастворимых компонентов с разной температурой плавления. Предварительно спеченный из порошка вольфрама пористый каркас пропитывают при температуре 1200 – 1250оС жидкой металлической составляющей композиции – медью или серебром.
Свойства псевдосплавов W – Cu и W – Ag можно изменять в широких пределах, варьируя состав композиций (рисунок 8.1). Псевдосплавы имеют лучшую тепло- и электропроводность, чем чистый вольфрам. Теплопроводность чистого вольфрама при температуре 1000°С составляет 120 Вт/(м•К), а псевдосплава W – 20% (объемн.) Сu – 135 Вт/(м•К).
Рисунок 8.1 – Зависимость механических свойств псевдосплава W – Cu от концентрации меди
Испарение меди при температурах выше 2000 °С мало изменяет различие эксплуатационных свойств чистого вольфрама и псевдосплава. Затраты тепла на испарение меди и пограничный слой, обогащенный медными парами, существенно снижают тепловой поток и эрозионное воздействие продуктов сгора-ния топлива на материал.
Псевдосплавы W – Cu и W – Ag применяют в ракетной технике и элек-тротехнике. Из них изготавливают сопловые вкладыши ракетных двигателей, работающих на твердом топливе, и ряд других деталей, эксплуатируемых в условиях воздействия мощных тепловых потоков.
Плавление и испарение сравнительно легкоплавкой меди сопровождается значительным поглощением тепла, предупреждающим перегрев тугоплавкого вольфрамового каркаса. Пока в порах содержится жидкий металл, температура псевдосплава не может подняться выше его температуры кипения независимо от величины теплового потока, действующего на материал.
Из псевдосплавов W – Cu и W – Ni – Cu изготавливают контакты для высоковольтных выключателей, работающих в неокислительной среде или масле, электроды контактных сварочных машин для сварки тугоплавких и цветных металлов, газоохлаждаемые сопла и межэлектродные вставки мощных сварочных, плазмохимических и металлургических плазмотронов. Пористые сопла для сварочных плазмотронов из вольфрам-медных псевдосплавов с пористостью 50 % , содержащих 10 % (объемн.) Сu, при токе 200 А в течение 10 мин работы почти не теряют массу, тогда как масса сопел из одного пористого вольфрама уменьшается на 2,2 %. Повышенная стойкость пористых псевдосплавов связана с образованием на рабочих поверхностях пленки оксида меди, защищающей вольфрам.
Из псевдосплавов W – Ag изготавливают электроконтакты для сварочных машин, световых выключателей, авиационного оборудования, стартеров, вибраторов, преобразователей тока. Для работы в вакууме можно использовать самосмазывающиеся подшипники, спеченные из вольфрамового порошка и пропитанные серебром, золотом, оловом, сплавом Вуда.
Заменителями псевдосплавов W являются псевдосплавы Mo – Cu, Mo – Ag. Из молибденовых псевдосплавов изготавливают контакты бытовых приборов, реле, дуговые наконечники, вибропреобразователи.
- ← Раздел 7.4
- Раздел 9 →
Применение тугоплавких металлов — Блог Thepipingmart
Металлы с высокой устойчивостью к нагреву и износу известны как тугоплавкие металлы. Широко признано, что вольфрам, молибден, ниобий, тантал и рений лучше всего соответствуют критериям тугоплавких металлов. Температуры плавления каждого из этих элементов выше 2000 ° C (или 3632 ° F), что является важной характеристикой, объединяющей их.
Все они достаточно плотные, в чистом виде в значительной степени устойчивы к коррозии и обладают большей прочностью при очень высоких температурах, чем другие металлы. Стали, нержавеющие стали, жаропрочные сплавы и суперсплавы часто используют тугоплавкие металлы в качестве легирующих компонентов.
Они также доступны в достаточном количестве для общего инженерного использования. Осмий является одним из примеров металла с высокой температурой плавления, который обычно не считается тугоплавким металлом, потому что он редко используется при высоких температурах, несмотря на то, что он занимает третье место по температуре плавления среди всех металлов (его оксид токсичен). Есть только 5 металлов, которые могут быть отнесены к тугоплавким металлам. А именно:
- Температура плавления вольфрама (W): 3420°C, BCC
- Рений (Re): 3185°C, HCP
- Температура плавления молибдена (Mo), 2623°C, BCC
- тантал (Ta) 3017°C, BCC
- Ниобий (Nb): температура плавления 2477°C, BCC
Тантал, ниобий, молибден и вольфрам являются наиболее широко используемыми тугоплавкими металлами.
Промышленные детали – Для применений с чрезвычайно высокими термическими и механическими нагрузками подходят тугоплавкие металлы. Поскольку они имеют такой широкий спектр применения, они также часто используются в электродах для плавки стекла, печных лодочках, поддонах для спекания, стержнях, листах, тиглях, экранах, трубах и соплах.
Применение в аэрокосмической и оборонной промышленности – Тугоплавкие металлы находят широкое применение в аэрокосмической и оборонной промышленности благодаря их чрезвычайно высокой термической и механической стойкости. Кузнечные штампы, двигатели, экраны и противовесы — это лишь некоторые из аэрокосмических применений молибдена, вольфрама, ниобия и тантала.
Медицинская промышленность – Тугоплавкие металлы используются для производства различного медицинского оборудования.
Тантал, например, используется в костных трансплантатах, стоматологических приспособлениях, хирургических клипсах, пластинах для краниопластики и многом другом. Тантал и ниобий используются в сканерах МРТ, тогда как молибден и вольфрам используются в медицинских сканирующих устройствах и радиационных экранах соответственно.
Суперсплавы – При производстве суперсплавов в качестве добавки используется рений. При соединении рения с железом, кобальтом, никелем, вольфрамом и молибденом значительно возрастает сопротивление ползучести жаропрочных сплавов, что делает эти сплавы подходящими для изготовления деталей газовых турбин и реактивных двигателей.
Электронная и полупроводниковая промышленность — Тугоплавкие металлы используются для создания долговечных электрических компонентов путем легирования их медью, золотом или серебром из-за их высокой электропроводности. Они часто используются для изготовления катодов, анодов и корпусов.
Применение в атомной энергетике – В атомной промышленности часто используются ниобий, молибден и вольфрам.
Радиационная защита выполнена из вольфрама, а конструкционные детали ядерных реакторов — из ниобиево-циркониевого сплава.
Коронный разряд – Плазменная завеса, образующаяся при ионизации воздуха, окружающего проводник, называется коронным разрядом. Наиболее распространенным и эффективным методом является использование вольфрамовой проволоки. Только вольфрамовая проволока обеспечивает достаточную ионизацию и изменение поверхности для использования в фильтрации воздуха, принтерах, копировальных аппаратах и других приложениях.
Термоэлементы – При производстве термоэлементов в основном используют вольфрам-рениевые и молибден-рениевые сплавы.
Сверхпроводящие магниты — Сверхпроводящие магниты также изготавливаются из ниобиевых сплавов. К числу тех, кто использует эти сверхпроводящие магниты, относятся:
- Визуализация на основе магния (МРТ).
- использование оборудования ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
- Ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер в Европе, где находятся самые большие сверхпроводящие магниты в мире. Конденсаторы
- из электролитов и сверхпроводников.
Таким образом, высокая твердость, высокие температуры плавления, высокая плотность, высокая износостойкость, хорошая коррозионная стойкость и низкая стойкость к окислению являются характеристиками этих металлов. В высокотемпературных применениях, включая сварочные электроды, нагревательные катушки, детали ракет и лопатки газовых турбин, часто используются тугоплавкие сплавы.
Piping Mart
Pipingmart — это портал B2B, специализирующийся на промышленных, металлических и трубопроводных изделиях. Кроме того, делитесь последней информацией и новостями, касающимися продуктов, материалов и различных типов марок, чтобы помочь бизнесу в этой отрасли.
Является ли титан тугоплавким металлом?
Является ли титан тугоплавким металлом?
Вне всякого сомнения, вы когда-нибудь слышали о металлическом титане.
Он используется для многих высокопроизводительных продуктов, которым требуется прочный материал, чтобы гарантировать, что они работают в соответствии с самыми высокими стандартами. Титан обычно применяется для обеспечения безопасности пользователя продукта из-за его прочных и долговечных свойств.
Прочный и долговечный? Звучит ужасно похоже на тугоплавкие металлы, верно? Существуют распространенные заблуждения, когда речь заходит о том, является ли титан частью этой группы или нет. Вот почему в Special Metals мы составили этот пост в блоге, чтобы дать вам ответы, которые вы ищете, и решить раз и навсегда, является ли титан тугоплавким металлом.
Что такое титан? Прежде чем рассматривать, действительно ли титан является тугоплавким металлом, стоит узнать немного больше о рассматриваемом металле. Таким образом, между ними могут быть установлены сходства и различия. Титан — это металл, который знаком людям во всем мире и имеет множество применений, в частности, в изделиях, требующих высокого уровня прочности и долговечности.
Чаще всего он используется в мобильных телефонах, защитном спортивном снаряжении, ювелирных изделиях и хирургическом оборудовании.
Для того, чтобы быть наиболее подходящим материалом для указанных продуктов, он должен обладать превосходными свойствами, верно? Титан выигрывает от того, что он устойчив к коррозии, которая может ослабить металл, который не такой прочный, как этот. Он также имеет невероятно высокую температуру плавления 1668 ° C, что позволяет ему выдерживать самые высокие температуры, не становясь подверженным ослаблению и плавлению.
Является ли титан тугоплавким металлом?Имея в виду эти характеристики, многие предполагают, что титан естественным образом подходит для включения в пятерку тугоплавких металлов, но, как ни странно, это не так.
Конечно, металлы обычно никогда не бывают на 100% чистыми и часто могут включать в себя элементы других металлов. Это проявляется, например, в молибдене (0,5% титана) и ниобии (1% титана).
Несмотря на многие общие свойства и присутствие в других тугоплавких металлах, титан внесен в список , а не , как тугоплавкий металл.
А как насчет других тугоплавких металлов?Говоря об упомянутых металлах, они обладают многими из вышеупомянутых свойств, которые делают их таким надежным и долговечным материалом. К ним относятся фантастическая стойкость к коррозии и температуры плавления, о которых часто не слышно за пределами отрасли!
Помимо уже упомянутых двух тугоплавких металлов, в эту группу входят еще три материала. К ним относятся:
Вольфрам – Вольфрам обладает самой высокой температурой плавления среди всех тугоплавких металлов (3422°C), обладает чрезвычайно высокой прочностью и может быть вытянут в тонкую проволоку, что делает его универсальным вариантом.
Тантал. Если вы ищете металл, обеспечивающий превосходную коррозионную стойкость к расплавленным металлам и жидкостям, то тантал может быть для вас наиболее подходящим вариантом.