H. | Hej | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Li | Być | b | VS | NIE | O | fa | Urodzony | |||||||||||
Nie dotyczy | Mg | Glin | tak | P. | S | Cl | Ar | |||||||||||
K. | To | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Współ | Lub | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | |
Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Płyta CD | W | Sn | Sb | ty | ja | Xe | |
Cs | Ba | Plik | * | Hf | Twój | W | Re | Kość | Ir | Pt | W | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | W | Rn |
Ks | Ra | Ac | ** | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Poz | Ts | Og |
* | To | Pr | Nd | Po południu | Sm | Miał | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Czytać | ||||
** | Cz | Rocznie | U | Np | Mógłby | Jestem | Cm | Bk | Por | Jest | Fm | Md | Nie | Lr |
__ Metale ogniotrwałe | __ Szersza definicja metali ogniotrwałych | __ Metaloidy ogniotrwałe |
W Metale są klasą metali , które są bardzo odporne na ciepło i zużycie . Termin ten jest najczęściej używany w kontekście materiałoznawstwa , metalurgii i inżynierii . Definicja elementów należących do tej grupy może się różnić. W najpowszechniejszej definicji grupa ta obejmuje 5 pierwiastków, dwa z piątego okresu , niob i molibden oraz trzy z szóstego okresu , tantal , wolfram i ren . Wszystkie one mają pewne właściwości, na przykład, mają wyższą temperaturę topnienia do 2000 ° C . Są chemicznie obojętne i mają stosunkowo dużą gęstość. Ich wysoka temperatura topnienia sprawia, że metalurgia proszków jest metodą z wyboru do wytwarzania elementów z tych metali. Niektóre z ich zastosowań obejmują narzędzia do obróbki metali w wysokiej temperaturze, włókna metalowe, formy i naczynia do reakcji chemicznych w środowiskach korozyjnych. Częściowo ze względu na ich wysoką temperaturę topnienia, ogniotrwałe metale czy nie przepływać w bardzo wysokich temperaturach.
Większość definicji terminu „metale ogniotrwałe” wymienia niezwykle wysoką temperaturę topnienia jako zasadniczy warunek. Zgodnie z jedną z definicji konieczne jest utrzymanie temperatury topnienia powyżej 2200 ° C. Następujące pięć pierwiastków: niob , molibden , tantal , wolfram i ren są zawarte we wszystkich definicjach, podczas gdy szersza definicja, obejmująca wszystkie pierwiastki o temperaturze topnienia powyżej 1850 ° C , obejmuje przybliżoną liczbę dziewięciu dodatkowych pierwiastków, tytanu , wanadu , chrom , cyrkon , hafn , ruten , osm i iryd . Do pierwiastków transuranowych (tych poza uranu , które są nietrwałe i nie występuje naturalnie na Ziemi) nie są uważane za część metali ogniotrwałych.
Nazwisko | Niob | Molibden | Tantal | Wolfram | Ren |
---|---|---|---|---|---|
Punkt fuzji | 2477 ° C | 2623 ° C | 3017 ° C | 3422 ° C | 3186 ° C |
Temperatura wrzenia | 4744 ° C | 4639 ° C | 5458 ° C | 5555 ° C | 5596 ° C |
Gęstość | 8,57 g · cm -3 | 10,28 g · cm -3 | 16,69 g · cm -3 | 19,25 g · cm -3 | 21,02 g · cm -3 |
Moduł Younga | 105 GPa | 329 GPa | 186 GPa | 411 GPa | 463 GPa |
Twardość Vickersa | 1320 MPa | 1530 MPa | 873 MPa | 3430 MPa | 2 450 MPa |
Temperatury topnienia metali ogniotrwałych są najwyższe ze wszystkich pierwiastków z wyjątkiem węgla , osmu i irydu. Ta wysoka temperatura topnienia określa większość ich zastosowań. Wszystkie te metale mają strukturę krystaliczną typu sześciennego wyśrodkowanego, z wyjątkiem renu, który jest zwartym stosem kulek . Większość właściwości fizycznych pierwiastków w tej grupie jest bardzo zróżnicowana, ponieważ należą one do różnych grup układu okresowego.
Pełzanie odporność jest zasadniczą właściwością metali żaroodpornych. W metalach początek pełzania koreluje z temperaturą topnienia materiału, pełzanie stopów aluminium zaczyna się od 200 ° C , natomiast dla metali ogniotrwałych konieczne są temperatury powyżej 1500 ° C. Ta odporność na odkształcenia w wysokiej temperaturze sprawia, że metale ogniotrwałe są odporne na duże siły występujące w wysokich temperaturach, na przykład w silnikach odrzutowych lub uderzających narzędziach .
Metale ogniotrwałe wykazują różnorodne właściwości chemiczne, ponieważ należą do trzech odrębnych grup w układzie okresowym pierwiastków . Są łatwo utleniane, ale reakcja ta jest spowalniana w stałym metalu przez tworzenie trwałych warstw tlenków na powierzchni. Jednak tlenek renu jest bardziej lotny niż metal, dlatego w wysokiej temperaturze utrata stabilizacji przed atakiem tlenu, ponieważ warstwa tlenku odparowuje. Wszystkie są stosunkowo stabilne wobec kwasów.
Metale ogniotrwałe są używane w oświetleniu , narzędziach, smarach , prętach kontrolujących reakcję jądrową , jako katalizatory oraz ze względu na ich właściwości chemiczne lub elektryczne. Ze względu na wysoką temperaturę topnienia , ogniotrwałe elementy metalowe nigdy nie są wytwarzane przez odlewanie . Stosowany jest proces metalurgii proszków . Czyste proszki metali są zagęszczane, podgrzewane za pomocą prądu elektrycznego, a inne wytwarzane przez obróbkę na zimno z etapami wyżarzania. Metale ogniotrwałe można obrabiać na druty, wlewki , pręty , arkusze lub arkusze.
Wolfram został odkryty w 1781 roku przez szwedzkiego chemika Carla Wilhelma Scheele . Wolfram ma najwyższą temperaturę topnienia wszystkich metali przy 3410 ° C ( 6170 ° F ).
Ren jest stosowany w stopach wolframu w ilości do 22%, poprawia odporność na wysoką temperaturę i korozję. Tor jako związek stopowy jest używany do tworzenia łuków elektrycznych . Ułatwia to kontakt i stabilizuje łuk. W przypadku metalurgii proszków w procesie spiekania należy stosować spoiwa . Do produkcji ciężkiego stopu wolframu szeroko stosuje się mieszanki spoiwowe niklu i żelaza lub niklu i miedzi . Zawartość wolframu w stopie zwykle przekracza 90%. Dyfuzja elementów wiążących w ziarnach wolframu jest niewielka, nawet w temperaturach spiekania, a zatem wnętrze ziaren składa się z czystego wolframu.
Wolfram i jego stopy są często używane w zastosowaniach związanych z wysokimi temperaturami, ale nadal tam, gdzie wymagana jest wysoka wytrzymałość, a wysoka gęstość nie stanowi problemu. Włókna wolframowe znajdują się w zdecydowanej większości domowych lamp żarowych , ale są również powszechne w przemyśle oświetleniowym jako elektrody w lampach łukowych. Wydajność przekształcania energii elektrycznej w światło w lampach wzrasta wraz z wyższymi temperaturami, dlatego wysoka temperatura topnienia jest niezbędna do zastosowania jako żarnik. W spawaniu gazowym TIG urządzenie wykorzystuje trwałą, nietopliwą elektrodę . Wysoka temperatura topnienia i odporność na zużycie łuku elektrycznego sprawiają, że wolfram jest odpowiednim materiałem na elektrodę. Wysoka gęstość i twardość to również istotne właściwości sprzyjające stosowaniu wolframu w pociskach , na przykład jako alternatywa dla penetratorów energii kinetycznej do dział czołgowych. Wysoka temperatura topnienia wolframu sprawia, że jest to dobry materiał do zastosowań takich jak dysze rakietowe, na przykład w UGM-27 Polaris . Niektóre zastosowania wolframu nie są związane z jego właściwościami ogniotrwałymi, ale po prostu z jego gęstością. Na przykład jest stosowany w ciężarkach wyważających do samolotów i helikopterów lub głów klubów golfowych . W tych zastosowaniach można również stosować podobne gęste materiały, takie jak droższy osm.
Stopy molibdenu są szeroko stosowane, ponieważ są tańsze niż wyższe stopy wolframu. Najczęściej stosowanym stopem jest TZM molibden, stop tytanowo - cyrkonowo- molibdenowy, składający się z 0,5% tytanu i 0,08% cyrkonu (reszta to molibden). Stop wykazuje mniejsze pełzanie i w podwyższonych temperaturach, dzięki czemu możliwe są temperatury pracy powyżej 1060 ° C dla tego materiału. Wysoka rezystywność Mo-30W, stopu 70% molibdenu i 30% wolframu, przeciwko atakowi stopionego cynku, czyni go idealnym materiałem do odlewania cynku. Służy również do budowy zaworów do stopionego cynku.
Molibden jest stosowany w przekaźnikach z zwilżanymi stykami rtęciowymi, ponieważ molibden nie ulega amalgamatowi i dlatego jest odporny na korozję płynną rtęcią .
Molibden jest najczęściej używanym metalem ogniotrwałym. Jego głównym zastosowaniem jest w budowie stopu z nierdzewnej . Rury i rury konstrukcyjne często zawierają molibden, a także wiele stali nierdzewnych. Jego wytrzymałość na wysokie temperatury, odporność na ścieranie i niski współczynnik tarcia to właściwości, które czynią go nieocenionym jako związek stopowy. Jego disiarczek , molibdenit , ma doskonałe właściwości przeciwcierne, co prowadzi do włączenia go do tłuszczów i olejów, w których niezawodność i wydajność mają kluczowe znaczenie. Motoryzacyjne przeguby CV wykorzystują smar zawierający molibden. Molibdenit łatwo wiąże się z metalem i tworzy bardzo twardą, odporną na tarcie powłokę. Większość światowej rudy molibdenu znajduje się w Chinach , Stanach Zjednoczonych , Chile i Kanadzie .
Niob jest prawie zawsze związany z tantalem i został nazwany na cześć Niobe , córki greckiego króla mitologicznego Tantalum, który nadał metalowi jej imię. Niob ma wiele zastosowań, z których część dzieli się z innymi metalami ogniotrwałymi. Jest wyjątkowy, ponieważ można go wyżarzać w celu uzyskania szerokiego zakresu wytrzymałości i elastyczności oraz jest najmniej gęsty spośród metali ogniotrwałych. Można go również znaleźć w kondensatorach elektrolitycznych i stopach nadprzewodzących . Niob można znaleźć w turbinach gazowych z samolotu , z lamp elektronowych i reaktorów jądrowych .
Stop używany do silników rakietowych , na przykład w głównym silniku modułów księżycowych Apollo , to C103, który składa się w 89% z niobu, 10% hafnu i 1% tytanu. Do wykonania dyszy modułu serwisowego Apollo użyto innego stopu niobu. Ponieważ niob utlenia się w temperaturach powyżej 400 ° C , w takich zastosowaniach konieczna jest powłoka ochronna, aby stop nie stał się kruchy.
Tantal jest jedną z najbardziej odpornych na korozję dostępnych substancji.
Stwierdzono kilka ważnych zastosowań tantalu ze względu na tę właściwość, szczególnie w medycynie i chirurgii , a także w środowisku kwaśnym . Służy również do wytwarzania kondensatorów elektrolitycznych wyższej jakości. Folie tantalowe zajmują drugie miejsce pod względem pojemności na jednostkę objętości, pośród jakiejkolwiek substancji, zaraz po aerożelu , i pozwalają na miniaturyzację z elektronicznych elementów i obwodów . Te telefony komórkowe i komputery zawierają kondensatory tantalu.
Ren jest ostatnio odkrytym metalem ogniotrwałym. Występuje w niskich stężeniach z wieloma innymi metalami, w rudach innych metali ogniotrwałych, platynie lub miedzi . Jest przydatny jako pierwiastek stopowy z innymi metalami ogniotrwałymi, gdzie zwiększa plastyczność i wytrzymałość na rozciąganie. Stopy renu znajdują się w elementach elektronicznych, żyroskopach i reaktorach jądrowych. Ren znajduje swoje najważniejsze zastosowanie jako katalizator. Jest stosowany jako katalizator w reakcjach takich jak alkilacja , dealkilacja, uwodornienie i utlenianie . Jednak jego rzadkość czyni go najdroższym z metali ogniotrwałych. Zwiększa kinetykę utleniania, gdy występuje w stopie z wolframem.
Metale i stopy ogniotrwałe przyciągnęły uwagę badaczy ze względu na ich niezwykłe właściwości i obiecujące perspektywy praktyczne.
Fizyczne właściwości metali ogniotrwałych, takich jak molibden, tantal i wolfram, ich wytrzymałość i stabilność w wysokiej temperaturze sprawiają, że materiały te nadają się do zastosowań metalurgicznych na gorąco, a także do technologii pieców próżniowych. Wiele zastosowań specyficzne wykorzystania tych właściwości, na przykład z wolframu żarówki pracować w temperaturach do 3073 K , i molibdenu uzwojenia Piekarnik oprzeć 2273 K .
Jednak słabą produktywność w niskich temperaturach i skrajnie wysoką utlenialność w wysokich temperaturach stanowią wady większości metali ogniotrwałych. Interakcje z otoczeniem mogą znacząco wpłynąć na ich odporność na pełzanie wysokotemperaturowe. Nakładanie tych metali wymaga atmosfery ochronnej lub powłoki.
Ogniotrwałe stopy metali molibdenu, niobu, tantalu i wolframu znalazły zastosowanie w kosmicznych systemach energii jądrowej. Układy te zaprojektowano tak, aby pracować w temperaturach 1350 K do około 1900 K . Środowisko nie może wchodzić w interakcje z danym materiałem. Mogą być używane ze specjalnymi płynami przenoszącymi ciepło, takimi jak ciekłe metale alkaliczne , a także w technikach ultra wysokiej próżni .
Aby można było ich używać, należy ograniczyć pełzanie stopów w wysokiej temperaturze. Pełzanie nie powinno przekraczać 1-2%. Dodatkowym utrudnieniem w badaniu pełzania metali ogniotrwałych są interakcje z otoczeniem, które mogą znacząco wpływać na pełzanie.