Cel mai rezistent la căldură metal. Metale refractare - descriere, produse de la mine refractare. Zirconiu și aliajele sale

Definiția „ metale refractare»Nu necesită explicații suplimentare datorită informării complete a termenului în sine. Singura nuanță este temperatura de topire a pragului, după care substanța poate fi considerată refractară.

Dezacord în parametrul critic

Unele surse stabilesc valoarea pragului ca 4000 F. Tradus în scala obișnuită, acest lucru dă 2204 0 C. Conform acestui criteriu, doar cinci elemente sunt considerate rezistente la căldură: ,, și. De exemplu, punctul de topire al tungstenului este 3422 0 C.

Video - topirea tungstenului cu un arzător de hidrogen

O altă afirmație ne permite să extindem clasa de materiale rezistente la căldură, deoarece ia punctul de topire a fierului ca 1539 ° C ca punct de referință, ceea ce ne permite să creștem lista cu încă nouă elemente, inclusiv titan, crom, iridiu, zirconiu, hafnium, rodiu, ruteniu și osmiu.

Există mai multe valori de temperatură prag, cu toate acestea, acestea nu sunt utilizate pe scară largă.

Tabel comparativ al gradului de refractoritate a metalelor pure

Trebuie menționat că materialele refractare nu sunt limitate doar la metale. Această categorie include o serie de compuși - aliaje și metale aliate, concepute pentru a îmbunătăți anumite caracteristici ale materiei prime. Elemente relativ pure, puteți oferi un tabel vizual cu gradul de stabilitate termică a acestora. Este condus de cel mai refractar metal cunoscut astăzi - tungstenul cu un punct de topire de 3422 0 C. O astfel de formulare prudentă este asociată cu încercările de izolare a metalelor cu un prag de topire care depășește tungstenul. Prin urmare, întrebarea care este metalul cel mai refractar poate primi în viitor o definiție complet diferită.

Valorile prag ale compușilor rămași sunt prezentate mai jos:

• reniu 3186;
• 3027;
• tantal 3014;
• molibden 2623;
• niobiu 2477;
• 2446;
• ruteniu 2334;
• 2233;
• rodiu 1964;
• vanadiu 1910;
• crom 1907;
• 1855;
• 1668.

Rămâne să adăugăm un alt fapt interesant în ceea ce privește proprietățile fizice ale elementelor rezistente la căldură. Punctul de topire al unora dintre ele este sensibil la puritatea materialului. Un exemplu izbitor este cromul, al cărui punct de topire poate varia între 1513 și 1920 0 C, în funcție de compoziția chimică a impurităților. Prin urmare, aceste spații de internet diferă adesea în număr exact, dar componenta de calitate nu suferă de acest lucru.

Crom pur

Proprietăți generale ale materialelor termorezistente

Similitudinea relativă a caracteristicilor fizico-chimice ale acestor elemente se datorează structurii atomice comune și faptului că se dovedesc a fi metale de tranziție. Dimpotrivă, diferențele de proprietăți sunt asociate cu apartenența lor la o gamă largă de grupuri din tabelul periodic: IV - VII.

Caracteristica generală de bază a materialelor refractare sunt legăturile interatomice puternice. Pentru a le sparge, este necesară o energie mare, ceea ce determină temperatura de topire de mii de grade Celsius. În plus, această proprietate afectează valorile ridicate ale unor astfel de parametri ai metalelor refractare precum: duritatea, rezistența mecanică, rezistența electrică.

Următoarea caracteristică care combină aceste elemente este activitatea chimică ridicată. Este asociată cu tendința generală a metalelor refractare de a forma legături chimice prin orbitalele p libere și parțial umplute, dând electroni de la nivelurile exterioare s și d. Această proprietate face dificilă obținerea de metale refractare pure, ruperea producției tehnologice în mai multe etape.

Structura elementelor rezistente la căldură este, de asemenea, identică, toate sunt caracterizate printr-o rețea de cristal cubică centrată pe corp. Această structură se caracterizează prin înfrângere. Excepție este reniul, care are o celulă hexagonală. Trecerea la o stare fragilă pentru fiecare metal are loc la o anumită temperatură, a cărei reglare se realizează prin aliere.

Fiecare metal refractar este rezistent la căldură prin definiție, dar nu oricare dintre ele este rezistent la căldură. Majoritatea metalelor refractare sunt rezistente la oxidare și la acțiunea mediilor agresive: acizi, alcaline; în condiții normale. Cu toate acestea, odată cu creșterea temperaturii la 400 0 С activitatea lor crește anormal. Aceasta necesită crearea anumitor condiții de operare. Prin urmare, produsele din metale refractare, la temperaturi ridicate de utilizare, sunt adesea plasate într-o atmosferă de gaze inerte sau obțin un grad de rarefiere a aerului în condiții de vid.

Obținerea de materiale refractare

După cum sa menționat anterior, principalul obstacol în calea producției de metale rezistente la căldură este activitatea chimică ridicată, care împiedică izolarea elementelor în formă pură.

Principala tehnologie de producție rămâne metalurgia pulberilor. Această tehnică permite obținerea de pulberi metalice refractare în diferite moduri:

1. Recuperarea cu trioxid de hidrogen. Procesul se desfășoară în mai multe etape, în interiorul cuptoarelor cu mai multe tuburi, la 750 - 950 ° С. Tehnologia se aplică pulberilor de metale refractare: tungsten și molibden.
2. Reducerea hidrogenului a perrenatului. Schema este implementată în producția de reniu metalic. Temperaturile de operare sunt în jur de 500 ° C. Etapa finală presupune spălarea pulberii din alcali. Pentru aceasta, se folosește succesiv apă caldă și o soluție de acid clorhidric.
3. Utilizarea sărurilor metalice. Tehnologia dezvoltată pentru izolarea molibdenului. Materia primă principală este sarea de amoniu a metalului și pulberea sa metalică, introduse în amestec la un nivel de 5-15% în greutate. Compoziția este tratată termic 500 - 850 ° C într-un gaz inert care curge. Reducerea metalelor are loc într-o atmosferă de hidrogen la temperaturi de 800 - 1000 ° C.

Producția de metale refractare - Metalurgia pulberilor

Tur de productie

Metodele de producere a metalelor rezistente la căldură continuă să se îmbunătățească, precum și tehnologia chimică a materialelor refractare nemetalice și silicate, care este asociată cu dezvoltarea energiei nucleare, construcției aeronavelor și apariția de noi modele de motoare rachetă.

Una dintre cele mai mari întreprinderi pentru producerea de tungsten în Federația Rusă este fabrica de metale refractare Unech. Această întreprindere este relativ tânără, construcția sa a început în 2007 pe teritoriul satului Unecha. Obiectivul de producție al uzinei este îndreptat către pulberi de metale refractare, mai precis tungsten și carburile sale.

Mai mult, pentru a obține lingouri, masa friabilă este sinterizată sau stoarsă de o presă. În mod similar, pulberile metalice refractare sunt prelucrate pentru a produce produse rezistente la căldură.

Utilizarea materialelor refractare

Utilizarea de metale pure rezistente la căldură are priorități într-o serie de domenii:

• aviație supersonică;

• producția de nave spațiale;

• fabricarea de rachete ghidate;

• echipamente electronice și vid.

Industria spațială

Ultimul paragraf afectează electrozii tuburilor de vid. De exemplu, niobiu de înaltă puritate este utilizat pentru producerea plaselor, tuburilor pieselor electronice. De asemenea, electrozii sunt realizați din el - anoduri ale dispozitivelor electrovacuum.

Tuburi radio cu vid

O aplicație similară este caracteristică pentru molibden, wolfram. În forma lor pură, aceste metale sunt utilizate nu numai ca filamente incandescente, ci și ca electrozi pentru tuburi radio, cârlige și pandantive pentru echipamente de vid electrice. În schimb, cristalele de tungsten sunt utilizate ca încălzitoare pentru electrozi, în special pentru catoduri, precum și pentru fabricarea contactelor și siguranțelor electrice.

Vanadiul pur și niobiul sunt utilizate în energia nucleară, unde sunt fabricate conducte de reactoare atomice și cochilii de elemente de combustibil. Domeniul de aplicare a tantalului de înaltă puritate este chimia (ustensile și echipamente), deoarece metalul este foarte rezistent la coroziune.

Lipirea refractară trebuie luată în considerare separat, deoarece nu include metale cu puncte de topire ridicate. De exemplu, cositorul refractar nu conține pulberi metalice refractare. Ca aditivi, aici se folosesc cupru, argint, nichel sau magneziu.

Metalele și aliajele refractare sunt solicitate atât în \u200b\u200bproduse laminate, cât și în alte domenii. În special, utilizarea aliajelor se datorează capacității de a modifica anumite proprietăți ale metalului: de a scădea temperatura de îmbibare, de a îmbunătăți caracteristicile rezistente la căldură.

Închirierea din metale refractare este suficient de largă în sortiment și include:

• foi;

• benzi obișnuite și pentru desen profund;

• folie;

• conducte;

• sârmă și tije.

Sârmă termoelectrodă de tungsten-reniu

Cel mai mare producător intern de acest tip de produs este fabrica pilot de metale refractare și aliaje dure.

Video - Metale refractare

Folosind modele puternice de calculator, cercetătorii de la Universitatea Brown au identificat materialul cu un punct de topire mai mare decât oricare dintre substanțele cunoscute. Calculele arată că materialul produs din hafniu, azot și carbon va avea un punct de topire mai mare de 4400 K. Aceasta este aproximativ două treimi din temperatura de pe suprafața Soarelui și 200 K mai mare decât cel mai înalt punct de topire înregistrat vreodată în timpul experimentului. .

Se confirma anterior experimental că o substanță din elementele hafnium, tantal și carbon (HF-Ta-C) are un punct de topire record. Calculele prezentate în revista Physical Review B au arătat că un material realizat cu o anumită compoziție de hafnium, azot și carbonul (HF-NC) va avea un punct de topire de peste 4400 K, care este cu 200 K mai mare decât rezultatul experimental. Calculele arată că compoziția optimă a materialului din hafniu, azot și carbon este HfN 0,38 C 0,51. Următorul pas al cercetătorilor va fi sinteza materialului pentru a confirma concluziile laboratorului.

"Avantajul abordării computaționale este că puteți privi o mulțime de combinații diferite la un cost redus și să le găsiți pe cele care merită experimentate în laborator", a declarat Axel van de Valle, co-autor al studiului.

Cercetătorii au utilizat o metodă de calcul în care temperatura de topire este calculată prin modelarea proceselor fizice la nivel atomic, după legea mecanicii cuantice. Dinamica topirii este studiată la nano-scală, în blocuri de aproximativ 100 de atomi. Cercetătorii au început analizând materialul HF-Ta-C, pentru care punctul de topire a fost deja determinat experimental. Modelarea a fost în măsură să clarifice unii dintre factorii care contribuie la capacitatea materialului de a rezista la căldură.

Lucrarea a arătat că HF-Ta-C combină căldura mare de fuziune (energia este eliberată sau absorbită când trece de la o stare solidă la o stare lichidă) cu o mică diferență între entropia fazelor solide și cele lichide.

Cercetătorii au folosit apoi aceste descoperiri pentru a căuta compuși care ar putea satisface cel mai bine aceste cerințe. Ei au descoperit că compusul de hafniu, azot și carbon ar avea un punct de topire similar ridicat, dar o diferență mai mică între entropia unui solid și a unui lichid. Când au calculat punctul de topire, sa dovedit a fi cu 200 K mai mare decât cel obținut în experimentul pentru HF-Ta-C.

Puncte de topire ale aliajelor Ta-HF-C-N. Cercurile umplute indică punctele de topire calculate în sistemele HF-C și Hf-C-N, iar cercurile goale indică datele pentru sistemul Ta-HF-C pentru comparație.

În cele din urmă, lucrările pot indica noi materiale de înaltă calitate pentru diverse aplicații, de la acoperiri cu turbine cu gaz până la piese de aeronave de mare viteză. Cercetătorii spun că dacă acest nou material devine sau nu HfN 0,38 C 0,51 nu este încă clar.

Utilizarea metalelor în viața de zi cu zi a început în zorii dezvoltării omenirii, iar primul metal a fost cuprul, deoarece este disponibil în natură și poate fi prelucrat cu ușurință. Nu este de mirare că arheologii din timpul săpăturilor găsesc diverse produse și ustensile de uz casnic din acest metal. În procesul de evoluție, oamenii au învățat treptat să combine diverse metale, obținând aliaje din ce în ce mai rezistente, adecvate pentru fabricarea de scule și, ulterior, cu arme. În prezent, experimentele continuă, datorită cărora este posibil să se identifice cele mai durabile metale din lume.

• rezistență specifică ridicată;
• rezistența la temperaturi ridicate;
• densitate mică;
• rezistență la coroziune;
• rezistență mecanică și chimică.

Titanul este utilizat în industria militară, medicina aviației, construcția de nave și alte zone de producție.

Cel mai cunoscut element, care este considerat unul dintre cele mai durabile metale din lume, și în condiții normale este un metal radioactiv slab. În natură, se află atât în \u200b\u200bstare liberă, cât și în roci sedimentare acide. Este destul de grea, răspândită peste tot și are proprietăți paramagnetice, flexibilitate, ductilitate și ductilitate relativă. Uraniul este utilizat în multe domenii de producție.

Cunoscut ca cel mai refractar metal dintre toate existente, și aparține celor mai durabile metale din lume. Este un element solid de tranziție de culoare argintiu-gri strălucitor. Are rezistență mare, refractoritate excelentă, rezistență la influențele chimice. Datorită proprietăților sale, se pretează la forjare și este tras într-un fir subțire. Cunoscut ca un filament de wolfram.

Printre reprezentanții acestui grup este considerat un metal de tranziție cu alb-argintiu de înaltă densitate. Se găsește în natură în forma sa pură, dar se găsește în materiile prime cu molibden și cupru. Se caracterizează prin duritate și densitate ridicate și are o refractaritate excelentă. Are rezistență crescută, care nu se pierde în timpul modificărilor repetate de temperatură. Reniul este un metal scump și are un cost ridicat. Folosit în tehnologie modernă și electronică.

Metalul alb-argintiu lucios, cu o nuanță ușor albăstrui, aparține grupului de platină și este considerat unul dintre cele mai durabile metale din lume. La fel ca iridiul, are densitate atomică ridicată, rezistență și duritate ridicată. Deoarece osmiul aparține metalelor de platină, acesta are proprietăți similare cu iridiul: refractoritate, duritate, fragilitate, rezistență la stres mecanic, precum și influența mediilor agresive. S-a găsit o aplicație largă în chirurgie, microscopie electronică, industria chimică, tehnologia rachetelor, echipamente electronice.

Aparține grupului de metale și este un element de culoare gri deschis cu duritate relativă și toxicitate ridicată. Datorită proprietăților sale unice, beriliu este utilizat în diverse domenii de producție:

• energia nucleară;
• inginerie aerospatială;
• metalurgie;
• tehnologie laser;
• energia nucleară.

Datorită durității mari, beriliu este utilizat la producerea aliajelor de aliere și a materialelor refractare.

Următoarea dintre cele mai durabile zece metale din lume este cromul - un metal dur, de înaltă rezistență, de o culoare albă-albăstrui, rezistent la alcaline și acizi. Se găsește în natură în forma sa pură și este utilizat pe scară largă în diferite ramuri ale științei, tehnologiei și producției. Crom utilizat pentru a crea diverse aliaje care sunt utilizate la fabricarea echipamentelor tehnice medicale, precum și chimice. În combinație cu fierul, formează un aliaj de ferocrom, care este utilizat la fabricarea uneltelor de tăiere a metalelor.

Tantalul merită bronz în clasament, deoarece este unul dintre cele mai durabile metale din lume. Este un metal argintiu cu duritate ridicată și densitate atomică. Datorită formării unui film de oxid pe suprafața sa, acesta are o umbră de plumb.

Proprietățile distinctive ale tantalului sunt rezistența ridicată, refractoritatea, rezistența la coroziune, mediile agresive. Metalul este un metal destul de ductil și este ușor de prelucrat. Astăzi, tantalul este folosit cu succes:

• în industria chimică;
• în construcția reactoarelor nucleare;
• în producția metalurgică;
• atunci când se creează aliaje termorezistente.

A doua linie în clasamentul celor mai durabile metale din lume este ruteniul - un metal argintiu aparținând grupului de platină. Caracteristica sa este prezența organismelor vii în țesutul muscular. Proprietățile valoroase ale ruteniului sunt rezistența ridicată, duritatea, refractaritatea, rezistența chimică și capacitatea de a forma compuși complexi. Ruteniul este considerat un catalizator pentru multe reacții chimice, acționează ca un material pentru fabricarea electrozilor, contactelor, vârfurilor ascuțite.

Clasamentul celor mai durabile metale din lume este condus de iridiu - alb argintiu, metal dur și refractar, care aparține grupului de platină. În natură, un element cu rezistență ridicată este extrem de rar și intră adesea într-un compus cu osmiu. Datorită durității sale naturale, este dificil de prelucrat și este foarte rezistent la substanțe chimice. Iridiul reacționează cu mare dificultate la efectele halogenelor și peroxidului de sodiu.

Acest metal joacă un rol important în viața de zi cu zi. Se adaugă titanului, cromului și tungstenului pentru a îmbunătăți rezistența la medii acide, utilizate la fabricarea rechizitelor de birou și folosite în bijuterii pentru a crea bijuterii. Costul iridiului rămâne ridicat datorită prezenței limitate în natură.

K refractare sunt metale cu un punct de topire peste 1700° C: tungsten, molibden, tantal, niobiu, crom, zirconiu, reniu. Cel mai adesea sunt obținute prin metalurgia pulberilor folosind tehnologiile de topire și purificare a electrovacuului.

Utilizarea metalelor refractare:

produse de echipamente electrice cu vid;

elemente de încălzire;

evaporatoare din instalațiile de depunere termică pentru a produce filme subțiri foarte conductive și rezistive;

rezistențe subțiri de film;

termocuple pentru măsurarea temperaturilor ridicate.

Toate metalele refractare, încălzite în aer la temperaturi peste 600 ° C, sunt oxidate intens cu formarea de oxizi volatili. Prin urmare, ele funcționează ca elemente de încălzire în vid sau într-o atmosferă inertă de protecție, de exemplu, în argon. Metalele refractare au o presiune neglijabilă a vaporilor - o calitate importantă pentru materialul evaporatorului când se produc pelicule subțiri.

Tungstenul (W) este cel mai refractar dintre toate metalele (mp \u003d 3400 ° C), are duritate mare, conductivitate bună

(ρ \u003d 0,055 μOhm m).

Tungstenul este unul dintre cele mai importante materiale în tehnologia vidului electric. Datorită structurii fibroase dobândite ca urmare a forjării și desenului, un fir subțire de wolfram cu un diametru de până la 0,01 mm este extrem de flexibil. Tungstenul este principalul material pentru fabricarea filamentelor lămpilor incandescente. Cu toate acestea, sârma pură de tungsten și spirale devin fragile la temperaturi ridicate datorită proceselor de recristalizare, însoțite de creșterea intensivă a boabelor până la dimensiunea secțiunii transversale a sârmei. Pentru a îmbunătăți proprietățile de tungsten pur, în el sunt introduși diferiți aditivi. Oxidul de toriu Th2 O3 încetinește procesul de recristalizare și inhibă creșterea cerealelor; aditivii de oxizi de siliciu SiO2 și aluminiu Al2 O3 îmbunătățesc stabilitatea formei sârmei de tungsten. În electric

În producția de trovacuum, se folosesc grade de tungsten BA (cu un aditiv siliciu-aluminiu) și BT (cu un aditiv de oxid de toriu).

Catodurile de înaltă tensiune ale lămpilor generatoare de mare putere, tuburile cu raze X cu o temperatură de funcționare de 2200 ... 2800 K. sunt fabricate din tungsten. Catodii de tungsten cu VT au proprietăți mai mari de emisie.

Tungstenul are cel mai mic coeficient de temperatură de expansiune liniară dintre toate metalele pure (αl \u003d

4.4 10-6 K-1). Această proprietate este utilizată pentru fabricarea joncțiunilor de tungsten rezistente la căldură cu ochelari refractari.

Tungstenul și aliajele sale cu molibden, iridiu și reniu sunt, de asemenea, utilizate pentru elementele de încălzire care funcționează la temperaturi peste 1200 ° C și pentru termocuple la temperaturi ridicate. Datorită durității mari, a rezistenței la arc, a rezistenței la descărcare electrică și a sudabilității reduse, wolframul este utilizat pe scară largă în contactele de rupere foarte încărcate.

Molibdenul (Mo) este un analog al wolframului, dar ceva mai puțin refractar (T PL \u003d 2620 ° C) și mai puțin dur. Molibdenul acoperit cu o structură cu granulație fină este mult mai ductil decât tungstenul, este utilizat pe scară largă pentru diverse detalii de configurare complexă. Dintre toate metalele refractare, molibdenul are cea mai mică rezistivitate (ρ \u003d 0,05 μΩ · m).

Molibdenul este utilizat pentru încălzirea în cuptoare electrice cu temperaturi ridicate (până la 1700 ° C) care funcționează într-o atmosferă de protecție. Molibdenul este utilizat pentru fabricarea grilelor și electrozilor tuburilor electronice și a altor părți auxiliare ale dispozitivelor de vid electrice (cârlige, filete, pandantive) care funcționează în condiții termice intense.

De mare importanță practică aliaje de wolfram cu molibdencare formează structura unei soluții solide în întreaga gamă de concentrații. Aliajele care conțin 45% Mo au rezistivitate și duritate maximă și rezistență ridicată la eroziune. Acestea sunt utilizate pentru contacte foarte încărcate într-un mediu de protecție. Se folosesc și aliaje W-Mo

pentru filamentele becurilor electrice și catodelor de încălzire, deoarece au proprietăți mecanice mai mari decât tungstenul pur, deși temperaturile de funcționare mai mici admise.

Rhenium (Re) este un metal rar și greu, cu un punct de topire apropiat de punctul de topire al tungstenului (T PL \u003d 3180 ° C). Reniul este dur și puternic, ca wolframul, iar ductilul, ca molibdenul, are o rezistivitate ridicată (ρ \u003d 0,214 μOhm · m), este rezistent la un arc continuu. Reniul este adesea folosit în aliaje pentru contactele de rupere foarte încărcate, de exemplu, aliajele W + 15 ... 20% Re sunt caracterizate de o rezistență crescută la uzură.

Reniul și aliajele sale cu tungsten sunt utilizate la fabricarea dispozitivelor electrovacuum în loc de tungsten, deoarece se evaporă mai puțin într-o atmosferă de hidrogen și are o durată de viață mai lungă. Re-și W-Re-aliaje sunt utilizate pentru termocuple de până la 2500 ... 2800 ° C într-un mediu de protecție.

electronica reniu folosita pentru protectia impotriva coroziunii

și uzura pieselor din cupru, tungsten și molibden. Pelicule subtiri de reniu sunt utilizate pentru rezistențe de precizie în circuitele integrate.

Tantalul (Ta) din punct de vedere al refractarității este ușor inferior celui de tungsten (T pl \u003d 3000 ° C), dar depășește semnificativ plasticitatea acestuia, ceea ce permite fabricarea de piese în formă, sârmă și folie cu o grosime de până la 10 μm. Tantalul formează pe suprafață o peliculă densă de oxid de Ta2O5, care este stabilă până la o temperatură de 1500 ° C. Această proprietate este utilizată la producerea de condensatori electrolitici și cu film subțire cu o capacitate specifică ridicată obținută prin oxidarea anodică.

Tantalul este utilizat pe scară largă în tehnologia electrovacuumului pentru părțile critice: anoduri și grile de lămpi generatoare, catode strălucitoare. Datorită capacității sale de a absorbi gazele în intervalul de temperatură de 600 ... 1200 ° C, tantalul este utilizat în echipamentele de vid ca un stabilizator (vacuum) ridicat. Tantalul este utilizat și în tehnologia cu film subțire la fabricarea de rezistențe. În aer, azotul se dizolvă activ în pelicula de tantal pentru a forma o peliculă de azot Ta2 N, care are proprietăți de stabilitate ridicate.

Niobiul (Nb) este un metal care are proprietăți apropiate de tantal, dar este mai fuzibil (T pl \u003d 2500 ° C), are o capacitate ridicată de absorbție a gazelor în domeniul de temperatură de 400 ... 900 ° C. Prin urmare, în dispozitivele cu electroacvacu, piesele din niobiu servesc simultan ca godeuri. Dintre toate metalele refractare, niobiul are cea mai mică funcție de lucru a electronilor; este folosit ca catoduri incandescente în lămpile generatoare de mare putere. Dintre toate elementele chimice, niobiul are cea mai mare temperatură critică de tranziție la starea supraconductoare (T b \u003d 9,2 K). Prin urmare, niobiul, la fel ca tantalul (T b \u003d 4,5 K), este utilizat în tehnologia criogenică.

Cromul (Cr) are un punct de topire relativ scăzut (T pl \u003d 1900 ° C) în comparație cu alte metale refractare, dar, în contrast cu alte metale din acest grup, este foarte frecvent în scoarța terestră. Caracteristica sa deosebită este rezistența ridicată la oxidare, prin urmare, cromul este utilizat pentru acoperirile de protecție a produselor (placare cu crom), inclusiv cele operate la temperaturi ridicate.

Cromul are o bună aderență la sticlă, ceramică, ceramică și este bine compatibil cu alte materiale conductoare. Prin urmare, tehnologia de depunere a filmelor subțiri de crom pe un substrat este utilizată pe scară largă în microelectronică la fabricarea rezistențelor, a straturilor adezive pentru plăcuțele de contact

și conexiuni conductoare.

2.2.5. Metalele și aliajele supraconductoare

supraconductibilitateeste o stare a materiei caracterizată prin absența rezistenței electrice. Superconductivitatea este observată la un număr de metale și aliaje la temperaturi apropiate de zero absolut. Temperatura de tranziție supraconductoare

starea inactivă se numește temperatura critică de superconductivitate-T St.

La temperaturi sub T s, curentul electric indus în circuitul supraconductor va circula la nesfârșit, fără a scădea, cu condiția ca temperatura să fie menținută scăzută. Udel-

rezistența materialului în stare de supraconductor este de aproximativ 10–25 Ω · m, care este de 1017 ori mai mică decât cea a cuprului.

Natura fizică a superconductivității. Superconductivitatea a fost descoperită pentru prima dată în mercur (T St. \u003d 4,2 K) de către fizicianul olandez Camerlink Oness   în 1911, teoria modernă a superconductivității, bazată pe noțiuni cuantice, a fost propusă în 1957 de oamenii de știință americani Bardin, Cooper și Shriffer. O contribuție semnificativă la dezvoltarea teoriei superconductivității a avut-o activitatea academicianului sovietic N. N. Bogolyubov.

Într-un metal, electronii liberi care se deplasează într-un mediu de ioni încărcați pozitiv interacționează cu vibrațiile termice ale zăbrelei prin schimbul de cantitate de energie termică - fononi - cu acesta, iar electronii pot absorbi sau elibera energie, adică. schimbă-ți impulsul. Schimbul de fononi între electroni cu participarea la rețea are loc continuu. Ca urmare a interacțiunii de schimb fonon, o pereche de electroni cu momente diferite și rotiri antiparalele experimentează atracție reciprocă și formează așa-numita cuplul Cooper.

Luați în considerare o diagramă simplificată (Fig. 9). Electronul 1 care se mișcă între ioni atrage ionii cei mai apropiați, creând o zonă locală cu densitate crescută de sarcină pozitivă pe calea mișcării. Electron 2, care se deplasează după primul, este atras de această zonă. Ca urmare, indirect, prin zăbrele, forțe atractive apar între electroni. Forțele atractive sunt formațiuni mici, împerecheate, sunt slab localizate în spațiu, se descompun constant și sunt create, formând condens electronic.

La temperaturi scăzute (<Т св ) энергия тепловых колебаний решетки чрезвычайно мала и спаренные электроны не рассеиваются на дефектах структуры. Особенность куперовских пар - их импульсная упорядоченность. Электронные волны, описывающие движение пар, имеют одинаковую длину и фазу. Фактически движение всех электронных пар можно рассматривать как распространение одной электронной волны, которая не рассеивается решеткой, «обтекает» дефекты структуры.

Fig. 9. Schema de formare a perechilor de electroni într-un superconductor

La o temperatură de zero absolută, toți electronii situați în apropierea nivelului Fermi sunt conectați în perechi. Odată cu creșterea temperaturii, o parte din perechile de electroni scade. Electronii neperecheți trec de la sol la niveluri excitate, iar mișcarea lor este împiedicată prin împrăștiere de defecte structurale. La o temperatură T c, toate perechile Cooper se rup complet, iar starea de superconductivitate dispare.

Superconductorii au proprietăți magnetice specifice. Deoarece electronii cu rotiri opuse direcționate sunt cuplați în perechi, momentul de rotire rezultat al perechii este zero, iar superconductorul devine un diamagnet ideal. Ca toate diamagnetele, supraconductorii sunt împinși în afara câmpului magnetic. Un câmp magnetic extern nu pătrunde deloc grosimea probei, atenuându-se în stratul de suprafață cel mai subțire (10-7 ... 10-8 m). Efectul de expulzare este atât de pronunțat încât cu ajutorul unui câmp magnetic puteți ține un magnet permanent peste un inel de material supraconductor. Cu toate acestea, starea de superconductivitate poate fi distrusă dacă puterea câmpului magnetic depășește o anumită valoare critică a lui H sv.

În prezent, sunt cunoscute peste 30 de metale cu supraconductivitate la temperaturi criogenice și peste 1000

aliaje supraconductoare și compuși chimici din diverse elemente. Parametrii unor materiale supraconductoare sunt prezentate în tabel. 5.

				Tabelul 5
	Proprietățile materialelor supraconductoare
	Super sârmă	critic	Super sârmă	critic
		temperatura T St.		temperatura T St.
	elementar:
			Compuși chimici:
			V3 ga
			V3 si
			Nb3 sn
			Nb3 ga
			Nb3 ge

În funcție de natura tranziției unui material de la o stare superconductoare la o stare de conductivitate electrică obișnuită sub influența unui câmp magnetic, se disting superconductori de tip I și de tip II. în superconductori de tip Iaceastă tranziție se produce brusc de îndată ce puterea câmpului atinge o valoare critică. Superconductorii de tip IItrece dintr-o stare în alta treptat. Majoritatea metalelor pure sunt supraconductori de tip I, cu temperaturi critice de tranziție sub 4,2 K.

Superconductorii de tip II ai metalelor pure includ niobiu și vanadiu. Dintre toate elementele care se pot transforma într-o stare superconductoare, niobiul, 9,4 K, are cea mai ridicată temperatură de tranziție critică.Toți compușii intermetalici și aliajele aparțin superconductorilor de tip II. Aliajele și compușii niobici au cei mai mari parametri critici (valori ale temperaturii de tranziție, rezistența critică a câmpului magnetic și curenți admisibili). De exemplu, un curent cu o densitate mai mare de 109 A / m2 (103 A / mm2) poate fi trecut printr-un fir de la stannid niobium Nb3 Sn în câmpuri cu o inducție de aproximativ 10 T. Aliajele supraconductoare cu un conținut ridicat de niobiu au găsit o utilizare practică: 65BT (63 ... 68% Nb + 22 ... 26% Ti +

8,5 ... 11,5% Zr) și 35BT (60 ... 64% Ti + 33,5 ... 36,5% Nb + 1,7 ... 4,3% Zr).

De exemplu, aliajul 65BT are o densitate de curent critic

2.8. 106 A / m2.

În 1986, a fost descoperit fenomenul de superconductivitate la temperaturi ridicate, pe care îl posedă unele tipuri de ceramică bazată pe metale cu pământuri rare, cu un aranjament caracteristic de atomi. De exemplu, compușii lantanici La2-xMxCuO4 (unde M \u003d Ba, Sr) se transformă în starea supraconductoare la o temperatură apropiată de temperatura azotului lichid. În aliajele de litiu YBa2 Cu3 O7, trecerea la starea de supraconductor are loc la o temperatură de - 173 ° C și peste.

Noi materiale sunt dezvoltate cu o densitate mai mare de curent și o temperatură mai mare de tranziție la starea supraconductoare. În această privință, sunt promițătoare așa-numitele sisteme de bismut cu formula chimică Bi2 Sr2 Ca2 Cu2 Ox, a cărei temperatură de tranziție atinge -158 ° C.

Elementele și dispozitivele supraconductoare sunt din ce în ce mai utilizate în diferite domenii ale științei și tehnologiei. Pentru a obține o stare superconductor, aceste dispozitive folosesc un mediu lichid de heliu sau un agent frigorific mai ieftin - hidrogenul lichid.

Una dintre principalele aplicații ale supraconductorilor este asociată cu producerea de câmpuri magnetice de superstrong, cu o putere mai mare de 107 A / m. Acest lucru permite fabricarea înfășurărilor generatoarelor puternice, mașinilor electrice și transformatoarelor cu greutate redusă, dimensiuni și eficiență foarte mare. Sistemele supraconductoare nu necesită o sursă de alimentare externă. De asemenea, sunt utilizate pentru cabluri cu linii de putere puternice, ghiduri de undă cu atenuare redusă, dispozitive de memorie și control. Superconductorii sunt folosiți pentru fabricarea magneților puternici (de exemplu, trenuri cu o pernă magnetică), giroscopuri criogenice, a căror ancoră „plutește” într-un câmp magnetic (suporturi fără frecare).

Metalele sunt printre cele mai frecvente materiale împreună cu sticla și materialele plastice. Au fost folosite de oameni din cele mai vechi timpuri. În practică, oamenii au învățat proprietățile metalelor și le-au folosit în mod profitabil pentru fabricarea de vase, obiecte de uz casnic, diverse structuri și opere de artă. Principala caracteristică a acestor materiale este refractaritatea și duritatea lor. De fapt, utilizarea lor într-un domeniu sau altul depinde de aceste calități.

Proprietățile fizice ale metalelor

Toate metalele au următoarele proprietăți generale:

1. Culoare - gri argintiu cu o strălucire caracteristică. Excepțiile sunt: \u200b\u200bcupru și aur. Se remarcă respectiv printr-o nuanță roșiatică și galbenă.
2. Starea de agregare este solidă, cu excepția mercurului, care este un lichid.
3. Conductivitatea termică și electrică - pentru fiecare tip de metal este exprimată diferit.
4. Plasticitate și ductilitate - un parametru variabil în funcție de metalul specific.
5. Punctele de topire și fierbere - setează refractoritatea și fuzibilitatea, au valori diferite pentru toate materialele.

Toate proprietățile fizice ale metalelor depind de structura rețelei de cristal, forma, rezistența și locația spațială a acestuia.

Refractoritatea metalelor

Acest parametru devine important atunci când se pune problema utilizării practice a metalelor. Pentru sectoarele atât de importante ale economiei naționale precum producția de avioane, construcția navelor, inginerie mecanică, baza este metala refractară și aliajele acestora. În plus, acestea sunt utilizate pentru fabricarea de instrumente de lucru de înaltă rezistență. Turnarea și topirea primesc multe piese și produse importante. Prin rezistență, toate metalele sunt împărțite în fragile și dure, iar prin refractoritate sunt împărțite în două grupuri.

Metale refractare și fuzibile

1. Refractar - punctul lor de topire depășește punctul de topire a fierului (1539 ° C). Acestea includ platina, zirconiul, tungstenul, tantalul. Există doar câteva tipuri de metale. În practică, sunt folosite și mai puțin. Unele nu sunt utilizate, pentru că au o radioactivitate ridicată, altele sunt prea fragile și nu au moale, altele sunt susceptibile la coroziune și există cele care sunt dezavantajoase din punct de vedere economic. Care metal este cel mai refractar? Acest lucru va fi discutat în acest articol.
2. Fuzibile - sunt metale care, la o temperatură mai mică sau egală cu punctul de topire a stanului 231,9 ° C, își pot schimba starea de agregare. De exemplu, sodiu, mangan, staniu, plumb. Metalele sunt utilizate în inginerie radio și electrică. Adesea sunt utilizate pentru acoperiri anticorozive și ca conductori.

Tungstenul - cel mai refractar metal

Este un material dur și greu, cu un luciu metalic, de culoare gri deschis și are o refractaritate ridicată. Prelucrarea este dificilă. La temperatura camerei, este un metal fragil și se rupe ușor. Aceasta este cauzată de contaminarea cu oxigenul și impuritățile carbonului. Tungstenul tehnic pur la o temperatură mai mare de 400 de grade Celsius devine plastic. Prezintă inerție chimică, reacționează prost cu alte elemente. În natură, wolframul se găsește sub formă de minerale complexe, cum ar fi:

• scheelite;
• wolframite;
• ferberite;
• gyubnera.

Tungstenul este obținut din minereu folosind prelucrarea chimică complexă sub formă de pulbere. Utilizând metodele de presare și sinterizare, sunt fabricate piese de formă simplă și bare. Tungstenul este un element foarte rezistent la efectele de temperatură. Prin urmare, nu puteau înmuia metalul timp de o sută de ani. Nu existau astfel de cuptoare care să poată încălzi până la câteva mii de grade. Oamenii de știință au dovedit că tungstenul este cel mai refractar metal. Deși se crede că, conform datelor teoretice, siborgiul are o refractoritate mai mare, acesta nu poate fi confirmat în mod ferm, deoarece este un element radioactiv și are o durată de viață scurtă.

Informații istorice

Celebrul chimist suedez Karl Scheele, care are profesia de farmacist, într-un mic laborator, efectuând numeroase experimente, a descoperit mangan, bariu, clor și oxigen. Și cu puțin timp înainte de moartea sa, în 1781, a dezvăluit că tungstenul mineral este o sare a unui acid atunci necunoscut. După doi ani de muncă, studenții săi, doi frați d'Eluard (chimiști spanioli), au izolat un element chimic nou de mineral și l-au numit tungsten. Doar un secol mai târziu, wolframul - cel mai refractar metal - a făcut o adevărată revoluție în industrie.

Proprietăți de tăiere a wolframului

În 1864, omul de știință englez Robert Mushet a folosit wolframul ca aditiv de aliere a oțelului, care a rezistat la căldura roșie și a crescut și mai mult duritatea acestuia. Cuțitele, care au fost confecționate din oțel obținut, au crescut viteza de tăiere a metalului de 1,5 ori și a început să fie de 7,5 metri pe minut.

Lucrând în această direcție, oamenii de știință au primit mereu tehnologii noi, crescând viteza de prelucrare a metalelor folosind tungsten. În 1907, a apărut un nou compus de tungsten cu cobalt și crom, care a devenit fondatorul aliajelor dure capabile să crească viteza de tăiere. În prezent, a crescut până la 2000 de metri pe minut și toate acestea datorită tungstenului - cel mai refractar metal.

Aplicația de wolfram

Acest metal are un preț relativ ridicat și este dificil de prelucrat mecanic, prin urmare, este utilizat acolo unde este imposibil de înlocuit cu alte materiale cu proprietăți similare. Tungstenul rezistă perfect la temperaturi ridicate, are o rezistență semnificativă, este înzestrat cu duritate, elasticitate și refractoritate, de aceea este utilizat pe scară largă în multe industrii:

• Fier și oțel. Este principalul consumator de tungsten, care merge la producția de oțeluri aliate de înaltă calitate.
• Inginerie electrică Punctul de topire al celui mai refractar metal este de aproape 3400 ° C. Refractoritatea metalului permite utilizarea lui pentru producerea de filamente, cârlige în iluminat și lămpi electronice, electrozi, tuburi cu raze X, contacte electrice.

• Construcție de mașini. Datorită rezistenței crescute a oțelurilor care conțin tungsten, sunt fabricate rotori forjate, angrenaje, arbori cotiți, tije de conectare.
• Aviație. Care este cel mai refractar metal folosit pentru producerea aliajelor rezistente și termice, din care sunt fabricate părți ale motoarelor de avioane, dispozitive electrice cu vid și filamente incandescente? Răspunsul este simplu - este wolfram.
• Spațiu. Din oțel care conține tungsten, sunt produse duze cu jet, elemente separate pentru motoarele cu jet.
• Militare. Densitatea ridicată a metalului permite producerea de cochilii, gloanțe, protecție blindată a torpilelor, scoicilor și rezervoarelor și grenade.
• Chimice. Firul rezistent la tungsten împotriva acizilor și a alcalinilor este utilizat pentru plasele cu filtru. Cu ajutorul tungstenului, viteza reacțiilor chimice este modificată.
• Textile. Acidul de tungsten este folosit ca colorant pentru țesături, iar tungstenul de sodiu este utilizat pentru a produce piele, mătase, țesături impermeabile și ignifuge.

Lista de mai sus a utilizării tungstenului în diferite industrii indică valoarea ridicată a acestui metal.

Obținerea aliajelor cu tungsten

Tungstenul, cel mai refractar metal din lume, este adesea folosit pentru a realiza aliaje cu alte elemente pentru a îmbunătăți proprietățile materialelor. De obicei, aliajele care conțin tungsten, sunt obținute prin tehnologia metalurgiei pulberilor, deoarece în metoda convențională toate metalele sunt transformate în lichide sau gaze volatile în punctul său de topire. Procesul de fuziune are loc în vid sau într-o atmosferă de argon pentru a evita oxidarea. Amestecul format din pulberi metalice este presat, sinterizat și topit. În unele cazuri, numai pulberea de tungsten este presată și sinterizată, apoi preforma poroasă este saturată cu o topire a unui alt metal. În acest fel se obțin aliaje de tungsten cu argint și cupru. Chiar și aditivi mici ai celui mai mult metal refractar cresc rezistența la căldură, duritatea și oxidarea în aliaje cu molibden, tantal, crom și niobiu. Proporțiile în acest caz pot fi absolut orice, în funcție de nevoile industriei. Aliajele mai complexe, în funcție de raportul componentelor cu fierul, cobaltul și nichelul, au următoarele proprietăți:

• nu estompați în aer;
• au o rezistență chimică bună;
• au proprietăți mecanice excelente: duritate și rezistență la uzură.

Compușii destul de complexe sunt formate din tungsten cu beriliu, titan și aluminiu. Se disting prin rezistența lor la oxidare la temperaturi ridicate, precum și prin rezistența la căldură.

Proprietățile aliajului

În practică, wolframul este adesea combinat cu un grup de alte metale. Pentru fabricarea de instrumente chirurgicale se utilizează compuși de tungsten cu crom, cobalt și nichel, care au o rezistență crescută la acizi. Și aliajele speciale rezistente la căldură, cu excepția tungstenului - cel mai refractar metal, conțin crom, nichel, aluminiu, nichel. Tungstenul, cobaltul și fierul sunt printre cele mai bune grade de oțel magnetic.

Cele mai fuzibile și refractare metale

Metalele cu topire scăzută includ toate metalele al căror punct de topire este mai mic decât cel al stanului (231,9 ° C). Elementele acestui grup sunt utilizate ca acoperiri anticorozive, în inginerie electrică și radio și fac parte din aliaje antifricție. Mercurul, al cărui punct de topire este de -38,89 ° C, este un lichid la temperatura camerei și este utilizat pe scară largă în instrumente științifice, lămpi de mercur, redresoare, întrerupătoare și în producția de clor. Mercurul are cel mai mic punct de topire comparativ cu alte metale din grupul cu topire scăzută. Metalele refractare includ tot ceea ce punctul de topire este mai mare decât cel al fierului (1539 ° C). Cel mai adesea sunt folosiți ca aditivi pentru fabricarea oțelurilor din aliaj și pot servi, de asemenea, ca bază pentru unele aliaje speciale. Tungstenul, având un punct de topire maxim de 3420 ° C, în forma sa pură, este utilizat în principal pentru filament în lămpile electrice.

Puzzle-uri destul de des cuvinte încrucișate pun întrebări care dintre metale este cel mai fuzibil sau cel mai refractar? Acum, fără să vă gândiți, puteți răspunde: cel mai fuzibil este mercurul, iar cel mai refractar este wolframul.

Pe scurt despre fier

Acest metal se numește materialul structural de bază. Piesele din fier se găsesc atât pe o navă spațială sau submarin, cât și acasă în bucătărie, sub formă de tacâmuri și diverse decorațiuni. Acest metal are o culoare gri-argintiu, are moale, ductilitate și proprietăți magnetice. Fierul este un element foarte activ, se formează o peliculă de oxid în aer, care împiedică continuarea reacției. Într-un mediu umed, apare rugina.

Punctul de topire a fierului

Fierul are ductilitate, se pretează bine la forjare și este slab prelucrat prin turnare. Acest metal durabil este ușor prelucrat, utilizat pentru fabricarea de acțiuni magnetice. O maleabilitate bună îi permite să fie utilizată pentru bijuterii decorative. Este fierul cel mai refractar metal? Trebuie remarcat faptul că punctul său de topire este de 1539 ° C. Și prin definiție, metalele refractare sunt cele al căror punct de topire este mai mare decât cel al fierului.

Putem spune cu siguranță că fierul nu este cel mai refractar metal și nici nu aparține acestui grup de elemente. Se referă la materiale de topire medie. Care este cel mai refractar metal? O astfel de întrebare nu vă va lua prin surprindere acum. Puteți răspunde în siguranță - acesta este wolframul.

În loc de o concluzie

Aproximativ treizeci de mii de tone pe an de tungsten este produs în toată lumea. Acest metal este, cu siguranță, o parte din cele mai bune calități de oțel pentru fabricarea de scule. Până la 95% din totalul tungstenului este cheltuit în metalurgie. Pentru a reduce costul procesului, se folosește în principal un aliaj mai ieftin, format din 80% la sută de tungsten și 20% fier. Folosind proprietățile tungstenului, aliajul său cu cupru și nichel este utilizat pentru a produce containere utilizate pentru depozitarea substanțelor radioactive. În radioterapie, același aliaj este utilizat pentru fabricarea ecranelor, oferind o protecție fiabilă.