Велика Радянська Енциклопедія

Тугоплавкі метали

   
 

Тугоплавкі метали , з технічної класифікації - метали, що плавляться при температурі вище 1650-1700? С; в число Т. м. (таблиця) входять титан Ti, цирконій Zr, гафній Hf (IV група періодичної системи), ванадій V, ніобій Nb, тантал Ta (V група), хром Cr, молібден Mo, вольфрам W (VI група), реній Re (VII група). Всі ці елементи (крім Cr) відносяться до рідкісним металам , a Re - до розсіяних рідкісних металів. (Високою температурою плавлення характеризуються також метали платинової групи і торій, але вони з технічної класифікації не відносяться до Т. м.)

Тугоплавкі метали

Назва

Хім.

Знак


Атом-

ний

номер

Зовнішня електрон-

ная обо-
лочка

Темпе-
ратура плавлення

ня

Титан Реній 4s

3d

4s

3d

4s

4d

5s

4d

5s

4d

5s

V

5d

6s

5d

6s

5d

6s

W

5d

м. мають близьке електронна будова атомів і є

перехідними елементами

з добудовували

-oболочкамі (див. табл.). У міжатомних зв'язках Т. м. беруть участь не тільки зовнішні s-електрони, а й

-електрони, що визначає велику міцність міжатомних зв'язків і, як наслідок, високу температуру плавлення, підвищені механічні міцність, твердість, електричний опір. Т. м. мають близькі хімічні властивості. Мінлива валентність Т. м. обумовлює різноманіття їх хімічних сполук; вони утворюють металлоподобниє тугоплавкі тверді з'єднання.

У природі Т. м. у вільному вигляді не зустрічаються, в мінералах часто ізоморфно заміщають один одного: Hf ізоморфно асоційований з Zr, Ta з Nb, W з Mo; поділ цих пар - одна з вельми важких завдань хімічної технології, вирішувана зазвичай методами

екстракції

або

сорбції

з розчинів або

ректифікації 2 хлоридів. 2

Фізичні і хімічні властивості. Кристалічні решітки Т. м. IV групи і Re гексагональні, інших, а також Ti вище 882? C, Zr вище 862? C і Hf вище 1310? C - об'ємно-центровані кубічні. Ti, V і Zr - відносно легкі метали, а самі тугоплавкі зі всіх металів - Re і W - по щільності поступаються лише Os, lr і Pt. Чисті відпалюють Т. м. - пластичні метали, піддаються як гарячою, так і холодною обробці тиском, особливо добре - Т. м. IV і V груп. Для застосування Т. м. важливо, що сприятливі механічні властивості їх і сплавів на їх основі зберігаються до дуже високих температур; це дозволяє розглядати їх, зокрема, як жароміцні конструкційні матеріали. Проте механічні властивості Т. м. значною мірою залежать від їх чистоти, ступеня деформації і умов термообробки. Так, Cr і його сплави навіть при малому вмісті деяких домішок стають непластичними, a Re, що має високий модуль пружності, схильний до сильного наклепу, внаслідок чого навіть при невеликій мірі деформації його необхідно отжигать. Особливо сильно на властивості Т. м. впливають домішки вуглецю (виключаючи Re), водню (для металів IV і V груп), азоту, кисню, присутність яких робить Т. м. крихкими. Характерні властивості всіх Т. м. - стійкість до дії повітря і багатьох агресивних середовищ при кімнатній температурі і невеликому нагріванні і висока реакційна здатність при великих температурах, при яких їх слід нагрівати у вакуумі або в атмосфері інертних до них газів. Особливо активні при нагріванні Т. м. IV і V груп, на які діє також водень, причому при 400-900? C він поглинається з отриманням тендітних гідридів, а при нагріванні у вакуумі при 700-1000? C знову виділяється; цим користуються для перетворення компактних металів в порошки шляхом гідрування (і охрупчивания) металів, подрібнення і дегідрування. Т. м. VI групи і Re хімічно менш активні (їх активність падає від Cr до W), вони не взаємодіють з воднем, a Re - і з азотом; взаємодія Mo з азотом починається лише вище 1500? C, а W - вище 2000 ? C. Т. м. здатні утворювати сплави з багатьма металами. 3 Отримання. Приблизно 80-85% V, Nb, Mo (США, 1973) і значні кількості інших Т. м., окрім Hf, Ta і Re, отримують з рудних концентратів або технічних оксидів алюміно-або силікотермічеським способами у вигляді 2

феросплавів 5 для введення в сталі з метою 1

легування 2; молібденові концентрати при цьому попередньо обпалюють. Чисті Т. м. отримують з рудних концентратів за складною технологією в 3 стадії: розтин концентрату, виділення і очищення хімічних сполук, відновлення і рафінування металу. Основою виробництва компактних Nb, Ta, Mo і W і їх сплавів є 1

порошкова металургія 4, яка частково використовується у виробництві та ін Т. м. У металургії всіх Т. м. все ширше застосовують дугову, електроннопроменеву і плазмову плавки. Т. м. і сплави особливо високої чистоти виробляють у вигляді монокристалів бестигельной електроннопроменевій або плазмової зонної плавкою. Напівфабрикати з Т. м. - листи, фольгу, дріт, труби і т.д. виготовляють звичайними методами обробки металів тиском з проміжною термообробкою. 1

Застосування. Величезне значення Т. м., сплавів і з'єднань пов'язано з їх виключно сприятливими властивостями і поєднаннями властивостей, характерними для окремих Т. м. Найважливіша область застосування більшості Т. м. - використання їх у вигляді сплавів як жароміцних матеріалів, насамперед у літакобудуванні, ракетній і космічній техніці, атомній енергетиці, високотемпературної техніці. Деталі із сплавів Т. м. при цьому зазвичай оберігають жаростійкими покриттями. 5 Т. м. і їх сплави використовуються як конструкційних матеріалів також в машинобудуванні, морському суднобудуванні, електронної, електротехнічної, хімічної, атомної промисловості і в ін галузях техніки. Широке застосування знаходять оксиди і багато ін хімічні сполуки Т. м. Більш докладно про властивості, способи отримання і практичного використанні Т. м. див в статтях про окремі елементи і їх сплавах. 1

Літ. : 2 Тугоплавкі матеріали в машинобудуванні. Довідник, М., 1967; Основи металургії, т. 4, М., 1967; Савицький Е. М., Бурханов Р. С., Металознавство сплавів тугоплавких і рідкісних металів, 2 вид., М., 1971; Крупін А. В., Соловйов В. Я., Пластична деформація тугоплавких металів, М., 1971; 3елікман А. Н., Меерсон Г. А., Металургія рідких металів, М., 1973; Савицький Е. М., Клячко В. З ., Метали космічної ери, М., 1972; Хімія і технологія рідкісних і розсіяних елементів, т. 1-2, М., 1965-69; "Engineering and Mining Journal", 1974, v. 175, March. 2

О. П. Колчин. 3 6s2

5d4 6s2

5d5 6s2

1688

1900

1903

1852

2500

2620

2222

2996

3410

3180

Т. м. имеют близкое электронное строение атомов и являются переходными элементами 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 или сорбции из растворов либо ректификации 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 для введения в стали с целью легирования; 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.





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я