«Тугоплавкие металлы»

по технической классификации — металлы, плавящиеся при температуре выше 1650—1700 °С; в число Т. м. (таблица) входят Титан Ti, Цирконий Zr, Гафний Hf (IV группа периодической системы), Ванадий V, Ниобий Nb, Тантал Ta (V группа), Хром Cr, Молибден Mo, Вольфрам W (VI группа), Рений Re (VII группа). Все эти элементы (кроме Cr) относятся к редким металлам (См. Редкие металлы), a Re — к рассеянным редким металлам. (Высокой температурой плавления характеризуются также металлы платиновой группы и торий, но они по технической классификации не относятся к Т. м.)

Тугоплавкие металлы

------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Название  | Химический | Атомный | Внешняя      | Температура  |

|   | знак     | номер     | электронная | плавления     |

|   |     |        | оболочка      |       |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Титан        | Ti         | 22    | 3d² 4s²  | 1688       |

| Ванадий    | V  | 23    | 3d³ 4s²  | 1900       |

| Хром  | Cr | 24    | 3d⁵ 4s¹  | 1903       |

| Цирконий  | Zr         | 40    | 4d² 5s¹  | 1852       |

| Ниобий      | Nb        | 41    | 4d⁴ 5s¹  | 2500       |

| Молибден  | Mo       | 42    | 4d⁵ 5s¹  | 2620       |

| Гафний     | Gf        | 72    | 5d² 6s²  | 2222       |

| Тантал      | Ta        | 73    | 5d³ 6s²  | 2996       |

| Вольфрам | W         | 74    | 5d⁴ 6s²  | 3410       |

| Рений       | Re        | 75    | 5d⁵ 6s²  | 3180       |

------------------------------------------------------------------------------------------------------

Т. м. имеют близкое электронное строение атомов и являются переходными элементами (См. Переходные элементы) с достраивающимися d-oболочками (см. табл.). В межатомных связях Т. м. участвуют не только наружные s-электроны, но и d-электроны, что определяет большую прочность межатомных связей и, как следствие, высокую температуру плавления, повышенные механические прочность, твёрдость, электрическое сопротивление. Т. м. имеют близкие химические свойства. Переменная валентность Т. м. обусловливает многообразие их химических соединений; они образуют металлоподобные тугоплавкие твёрдые соединения.

В природе Т. м. в свободном виде не встречаются, в минералах часто изоморфно замещают друг друга: Hf изоморфно ассоциирован с Zr, Ta с Nb, W с Mo; разделение этих пар — одна из весьма трудных задач химической технологии, решаемая обычно методами экстракции (См. Экстракция)или сорбции (См. Сорбция) из растворов либо ректификации (См. Ректификация) хлоридов.

Физические и химические свойства. Кристаллические решётки Т. м. IV группы и Re гексагональные, остальных, а также Ti выше 882 °C, Zr выше 862 °C и Hf выше 1310°C — объёмно-центрированные кубические. Ti, V и Zr — относительно лёгкие металлы, а самые тугоплавкие из всех металлов — Re и W — по плотности уступают лишь Os, lr и Pt. Чистые отожжённые Т. м. — пластичные металлы, поддаются как горячей, так и холодной обработке давлением, особенно хорошо — Т. м. IV и V групп. Для применения Т. м. важно, что благоприятные механические свойства их и сплавов на их основе сохраняются до весьма высоких температур; это позволяет рассматривать их, в частности, как жаропрочные конструкционные материалы. Однако механические свойства Т. м. в значительной мере зависят от их чистоты, степени деформации и условий термообработки. Так, Cr и его сплавы даже при малом содержании некоторых примесей становятся непластичными, a Re, имеющий высокий модуль упругости, подвержен сильному наклёпу, вследствие чего даже при небольшой степени деформации его необходимо отжигать. Особенно сильно на свойства Т. м. влияют примеси углерода (исключая Re), водорода (для металлов IV и V групп), азота, кислорода, присутствие которых делает Т. м. хрупкими. Характерные свойства всех Т. м.— устойчивость к действию воздуха и многих агрессивных сред при комнатной температуре и небольшом нагревании и высокая реакционная способность при больших температурах, при которых их следует нагревать в вакууме или в атмосфере инертных к ним газов. Особенно активны при нагревании Т. м. IV и V групп, на которые действует также водород, причём при 400—900 °C он поглощается с получением хрупких гидридов, а при нагревании в вакууме при 700—1000 °C вновь выделяется; этим пользуются для превращения компактных металлов в порошки путём гидрирования (и охрупчивания) металлов, измельчения и дегидрирования. Т. м. VI группы и Re химически менее активны (их активность падает от Cr к W), они не взаимодействуют с водородом, a Re — и с азотом; взаимодействие Mo с азотом начинается лишь выше 1500 °C, а W — выше 2000 °C. Т. м. способны образовывать сплавы со многими металлами.

Получение. Примерно 80—85% V, Nb, Mo (США, 1973) и значительные количества других Т. м., кроме Hf, Ta и Re, получают из рудных концентратов или технических окислов алюмино- или силикотермическими способами в виде ферросплавов (См. Ферросплавы) для введения в стали с целью легирования (См. Легирование); молибденовые концентраты при этом предварительно обжигают. Чистые Т. м. получают из рудных концентратов по сложной технологии в 3 стадии: вскрытие концентрата, выделение и очистка химических соединений, восстановление и рафинирование металла. Основой производства компактных Nb, Ta, Mo и W и их сплавов является Порошковая металлургия, которая частично используется в производстве и др. Т. м. В металлургии всех Т. м. всё шире применяют дуговую, электроннолучевую и плазменную плавки. Т. м. и сплавы особо высокой чистоты производят в виде монокристаллов бестигельной электроннолучевой или плазменной зонной плавкой. Полуфабрикаты из Т. м. — листы, фольгу, проволоку, трубы и т.д. изготовляют обычными методами обработки металлов давлением с промежуточной термообработкой.

Применение. Огромное значение Т. м., сплавов и соединений связано с их исключительно благоприятными свойствами и сочетаниями свойств, характерными для отдельных Т. м. Важнейшая область применения большинства Т. м. — использование их в виде сплавов в качестве жаропрочных материалов, прежде всего в самолётостроении, ракетной и космической технике, атомной энергетике, высокотемпературной технике. Детали из сплавов Т. м. при этом обычно предохраняют жаростойкими покрытиями.

Т. м. и их сплавы используются в качестве конструкционных материалов также в машиностроении, морском судостроении, электронной, электротехнической, химической, атомной промышленности и в др. отраслях техники. Широкое применение находят окислы и многие др. химические соединения Т. м. Более подробно о свойствах, способах получения и практического использовании Т. м. см. в статьях об отдельных элементах и их сплавах.

Лит.: Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справочник, М., 1967; Основы металлургии, т. 4, М., 1967; Савицкий Е. М., Бурханов Г. С., Металловедение сплавов тугоплавких и редких металлов, 2 изд., М., 1971; Крупин А. В., Соловьев В. Я., Пластическая деформация тугоплавких металлов, М., 1971; 3еликман А. Н., Меерсон Г. А., Металлургия редких металлов, М., 1973; Савицкий Е. М., Клячко В. С., Металлы космической эры, М., 1972; Химия и технология редких и рассеянных элементов, т. 1—2, М., 1965—69; «Engineering and Mining Journal», 1974, v. 175, March.

О. П. Колчин.

ТУГОПЛАВКИЕ металлы - имеют температуру плавления выше температуры плавления железа (1539 .С): Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Re. Тугоплавки также платиновые металлы, но они по технической классификации относятся к благородным металлам.

ТУГОПЛАВКИЕ металлы, имеют температуру плавления выше температуры плавления железа (1539шC). К тугоплавким металлам относят титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден, вольфрам, рений, а также платиновые металлы (рутений, родий, осмий, иридий, платина).

тугопла́вкие мета́ллы

имеют температуру плавления выше температуры плавления железа (1535°C): Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W, Re. Тугоплавки также платиновые металлы, но они по технической классификации относятся к благородным металлам.

* * *

ТУГОПЛА́ВКИЕ МЕТА́ЛЛЫ, металлы(см. МЕТАЛЛЫ), имеющие температуру плавления Т_пл выше температуры плавления железа (1539 °С). К ним относятся титан(см. ТИТАН (химический элемент)) Ti (Т_пл 1670^оС), цирконий(см. ЦИРКОНИЙ) Zr (Т_пл 1852^оС), гафний(см. ГАФНИЙ) Hf (Т_пл 2222^оС), ванадий(см. ВАНАДИЙ) V (Т_пл 1900^оС), ниобий(см. НИОБИЙ) Nb (Т_пл 2470^оС), тантал(см. ТАНТАЛ (химический элемент)) Ta (Т_пл 2970^оС), хром(см. ХРОМ) Cr (Т_пл 1903^оС), молибден(см. МОЛИБДЕН) Mo (Т_пл 2620^оС), вольфрам(см. ВОЛЬФРАМ) W (Т_пл 3380^оС), рений(см. РЕНИЙ) Re (Т_пл 3180^оС) и другие.

Химические свойства тугоплавких металлов схожи. Некоторая общность атомного строения определяет их физические, химические и физико-химические свойства, а, следовательно, и некоторые общие черты поведения в природе и технологии получения. Они имеют близкое электронное строение атомов и являются переходными элементами. Общность атомного строения состоит в способности атомов тугоплавких металлов отдавать электроны наружных s- и d-уровней, а также участвовать в образовании химических связей за счет частично заполненных d- и свободных р-орбиталей. В связи с этим атомы тугоплавких металлов обладают высокой активностью, которая определяет трудность сохранения ряда их соединений в стабильном состоянии. Так как межатомные связи в них очень прочные, эти металлы имеют высокую температуру плавления, повышенную механическую прочность, твердость, электрическое сопротивление. Как правило, эти металлы химически устойчивы к действию воздуха и многих агрессивных сред при низких температурах и небольшом нагревании, но становятся активными при повышенных. Поэтому при высоких температурах их эксплуатация осуществляется, как правило, в вакууме или в атмосфере инертных газов.

Эти металлы, кроме высокой температуры кипения, плавления и, соответственно, высокой температуры рекристаллизации(см. РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ), имеют одинаковую кристаллическую решетку — объемно-центрированную кубическую решетку (См. Структурные типы кристаллов(см. СТРУКТУРНЫЕ ТИПЫ КРИСТАЛЛОВ), структура вольфрама), (кроме Re и Hf), не имеют полиморфных переходов (кроме Hf), обладают высокой плотностью выше плотности железа (кроме V и Cr) и малым коэффициентом теплового расширения (кроме V). Для металлов, имеющих ОЦК-структуру, характерно охрупчивание при определенных температурах (исключение – Ta). Температура этого перехода зависит от природы металла, его чистоты, от размера зерна и других факторов. Так как эти металлы имеют высокую температуру перехода в хрупкое состояние, то их пластическое деформирование должно проводиться в нагретом состоянии.

Из-за высокой активности тугоплавких металлов выделение их в чистом виде технологически затруднено. Производство тугоплавких металлов характеризуется многостадийностью и сложностью технологических переделов. При получении тугоплавких металлов чаще всего используются методы порошковой металлургии(см. ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ), используется плавка электронным или лазерным лучом, зонная плавка, плазменная обработка и другие методы.

Механические свойства полученных металлов в значительной мере אАҐؑQϑ от их чистоты, степени деформации и условий термообработки. Металлы высокой чистоты могут быть получены химическими способами (ионная хроматография, йодидное рафинирование, дистилляция и ректификация галогенидов и других соединений металлов), электрометаллургическими (дуговая, электронно-лучевая, плазменная и лазерная плавки, зонная перекристаллизация с вытягиванием монокристаллов и др.) и электрохимическими в расплавленных средах ( электролитическое рафинирование, электрохимическое восстановление галогенидов, окислов и других соединений). Механическая обработка этих металлов трудна и часто требует их подогрева.

Изделия из тугоплавких металлов, как правило, получают методами порошковой металлургии (прессованием и спекание порошков) или методами электровакуумных технологий (плавлением электронным или лазерным лучом, плазменной обработкой и др.).

Самую высокую Т_пл имеет вольфрам. В связи с высокой Т_пл получение вольфрама в виде компактного слитка затруднено. Характерной особенностью вольфрама, отличающего его от других металлов, является высокая внутрикристаллическая прочность при очень слабом сцеплении между отдельными зернами, Поэтому спеченные изделия, обладающие мелкозернистым строением, хрупки и легко ломаются. В результате механической обработки ковкой и волочением вольфрам приобретает волокнистую структуру и излом его весьма затруднен. Этим объясняется гибкость тонких вольфрамовых нитей. При нагревании тянутого вольфрама до высоких температур начинается процесс рекристаллизации, т. е. укрупнение зерен. Для улучшения механических свойств вольфрама различные присадки. Вольфрам обладает наименьшим температурным коэффициентом линейного расширения среди всех чистых металлов. Поэтому из него изготавливают спаи с тугоплавкими стеклами, которые тоже имеют низкий температурный коэффициент линейного расширения.

Молибден — металл, по технологии обработки близкий к вольфраму. Микроструктура спеченного, кованого и тянутого молибдена сходна со структурой аналогично обработанного вольфрама; нерекристаллизованный молибден по механическим свойствам близок к вольфраму, но в рекристаллизованном состоянии отожженный мелкозернистый молибден характеризуется высокой пластичностью. Улучшение структуры и повышение механической прочности происходит при введении специальных присадок (окиси кремния или тория и др.). Среди всех тугоплавких металлов молибден обладает наименьшим удельным сопротивлением. Высокая прочность молибдена в сочетании с хорошей пластичностью делают его одним из лучших проводниковых материалов для изготовления деталей сложной конфигурации, работающих при высоких температурах. Его используют в качестве нагревательных элементов электрических печей, Такие элементы в защитной атмосфере могут устойчиво работать при температурах 1700^оС, при которых еще слабо выражены процессы рекристаллизации.

Тантал, так же как вольфрам и молибден, получают методом порошковой металлургии, процесс спекания прессованных штабиков осуществляется в вауумных печах, так как тантал поглощает газы и становится хрупким. Механические операции ковки и протяжки в отличие от вольфрама и молибдена, производят при комнатной температуре, и в отличие от вольфрама и молибдена тантал не становится хрупким при нагревании в вакууме до высоких температур. Тантал используется в вакуумной технологии в качестве испарителей при осаждении тонких пленок различных веществ, его используют при производстве конденсаторов и тонкопленочных резисторов.

Ниобий обладает высокой газопоглощающей способностью в интервале температур 400—900^оС, Поэтому в электровакуумных приборах конструктивные детали из ниобия одновременно выполняли функцию нераспыляемого геттера(см. ГЕТТЕР). Среди тугоплавких металлов ниобий имеет наименьшую работу выхода электронов. Поэтому его применяют в качестве накаливаемых катодов в мощных генераторных лампах. Среди всех элементарных веществ ниобий имеет самую высокую критическую температуру перехода в состояние сверхпроводимости(см. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ) (9,2К). Поэтому его и соединения на его основе применяют для изготовления сверхпроводящих магнитов, СВЧ волноводов и т. д. В электровакуумной технике ниобий применяют для производства анодов, экранов и других деталей, а также для получения пленочных резисторов в микросхемах.

Платиновые металлы тоже относятся к группе тугоплавких, но по технической классификации их относят к благородным металлам.

Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе, несмотря на дефицитность и высокую стоимость, являются основными проводниковыми материалами в электровакуумной промышленности. Они находят широкое применения в различных областях, их используют и самостоятельно, и в виде добавок в стали, работающие при высоких температурах, а также в различных сплавах, в частности, в качестве жаропрочных материалов (в самолётостроении, ракетной и космической технике, атомной энергетике, высокотемпературной технике). Применяются сплавы тугоплавких металлов, такие, как сплавы вольфрама с молибденом, молибдена с рением, вольфрама с рением, тантала с вольфрамом и др. Изменением содержания компонентов удается получать необходимые механические свойства и пластичность при заданных электрических и термических свойствах. Тугоплавкие металлы и их сплавы используются в качестве конструкционных материалов также в машиностроении, морском судостроении, электронной, электротехнической, химической, атомной промышленности и в др. отраслях техники.

металлы, темп-ра плавления к-рых выше темп-ры плавления железа (разделение условное). К ним относят титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден, вольфрам, рений, а также иногда платиновые металлы (рутений, родий, осмий, иридий, платину).

ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ — условно выделенные металлы V и VI групп Периодической системы элементов Д. И. Менделеева (см.), а также платиновые металлы, обладающие высокой температурой плавления (выше температуры плавления железа — 1539 °С), напр. вольфрам (3410°С), тантал (2996°С), молибден (2620 °С), ниобий (2500 °С), рутений (2250°С), платина (1769°С) и др.