До сих пор нет единого мнения о том, какие металлы считать тугоплавкими. Наиболее часто к тугоплавким условно относят металлы, которые плавятся при температурах выше точки плавления железа (1536°С). Из всех тугоплавких металлов в чистом виде и в виде основы сплавов массовое применение в технике нашли титан, цирконий, молибден, вольфрам и в значительно меньшей степени ниобий, тантал, ванадий.

До недавнего времени тугоплавкие металлы получали методами порошковой металлургии и применяли в основном для легирования сталей и некоторых сплавов. В связи с тем что для удовлетворения растущих потребностей авиации и ракетной техники необходимы все более жаропрочные материалы, тугоплавкие металлы и сплавы на их основе все шире применяются как жаропрочные конструкционные материалы. В этом случае к ним предъявляются повышенные требования по чистоте, так как тугоплавкие металлы, загрязненные примесями, особенно газовыми, хрупки и плохо поддаются обработке давлением и сварке.

Титан и его сплавы

Титан - элемент 4-й группы периодической системы Д. И. Менделеева - является переходным металлом. Он отличается сравнительно малой плотностью (4,51 г/см 3). По удельной прочности титановые сплавы превосходят легированные стали и высокопрочные алюминиевые сплавы, что делает их незаменимыми конструкционными материалами для авиации и ракетной техники. Основной недостаток титана и его сплавов как конструкционного материала - небольшой модуль упругости (см. § 5), примерно вдвое меньший, чем у железа и его сплавов. Титан плавится при 1670°С, в твердом состоянии имеет две аллотропические модификации. Низкотемпературная α-модификация, существующая до 882°С, обладает гексагональной плотноупакованной решеткой. Высокотемпературная β-модификация имеет объемноцентрированную кубическую решетку. Титан отличается высокой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде и в различных агрессивных средах. Это свойство объясняется образованием защитной окисной пленки на поверхности, поэтому титан особенно стоек в тех средах, которые не разрушают окисную пленку или способствуют ее образованию (в разбавленной серной кислоте, царской водке, азотной кислоте).

На воздухе при температурах до 500°С титан практически стоек. Выше 500°С он активно взаимодействует с атмосферными газами (кислородом, азотом), а также с водородом, окисью углерода, водяным паром. Азот и кислород, растворяясь в титане в значительных количествах, снижают его пластические свойства. Углерод при содержании более 0,1 - 0,2%, откладываясь в виде карбида титана по границам зерен, также сильно снижает пластичность титана. Особенно вредной примесью является водород, который уже при содержании в тысячных долях процента приводит к появлению очень хрупких гидридов и этим вызывает хладноломкость титана. Все эти примеси ухудшают коррозионную стойкость, а также свариваемость титана. Из-за сильной реакционной способности титан и его сплавы плавят в вакуумных дуговых электрических печах в медных водоохлаждаемых кристаллизаторах.

Влияние легирующих элементов, вводимых в титан, целесообразно оценить по их действию на температуру полиморфного превращения. Большая группа металлов увеличивает область существования β-фазы и делает ее устойчивой вплоть до комнатной температуры. К таким элементам, которые называются β-стабилизаторами, относятся переходные металлы V, Сr, Mn, Mo, Nb, Fe. Другие элементы являются активными β-стабилизаторами, расширяющими область существования α-модификации титана. К ним относятся А1, О, N, С. Известны также нейтральные элементы (Sn, Zr, Hf), которые практически не влияют на температуру полиморфного превращения.

Таким образом, при легировании титана одним или более элементами при комнатной температуре можно получить разную структуру, состоящую из α-, α+β- или β-фазы. Именно на эти три группы и подразделяются все современные сплавы титана.

Почти все титановые сплавы легируют алюминием. Это объясняется тем, что алюминий эффективно упрочняет как α-, так и β-фазу при сохранении удовлетворительной пластичности, повышает жаропрочность сплавов, снижает склонность к водородной хрупкости.

Типичным деформируемым титановым α-сплавом является двойной сплав BT5, содержащий 5% А1. Механические свойства этого сплава при комнатной температуре: σ в = 750÷950 МПа, δ = 12÷25%. Для повышения сопротивления ползучести двойные сплавы титан - алюминий легируют нейтральными упрочнителями - оловом и цирконием. Такими сплавами являются BT5-1, содержащий 5% А1 и 2,5% Sn, и сплав BT20, содержаний 6,5% А1, 2% Zr и небольшие добавки (по 1%) молибдена и ванадия. При комнатной температуре первый сплав имеет σ в = 850÷950 МПа, второй - σ в = 950÷1000 МПа. Сплавы этого класса отличаются повышенной жаропрочностью. Они не упрочняются термообработкой и могут работать при температурах до 450 - 500°С. Большинство α-титановых сплавов применяют в отожженном состоянии, температура отжига 700 - 850°С.

Наиболее многочисленный и имеющий наибольшее практическое применение является группа α+β-деформируемых сплавов. К этой группе относятся сплавы, легированные алюминием и β-стабилизаторами. Эти сплавы обладают хорошим комплексом прочностных и пластических свойств и могут работать при температурах до 350 - 400°С. Меняя относительное количество α- и β-фаз, можно получить сплавы с большим диапазоном свойств. Кроме того, α+β-сплавы термически упрочняются, что также позволяет существенно изменять их свойства. Типичными α+β-сплавами являются сплавы BT6 (6% А1; 4% V) и BT14 (4% А1; 3% Mo; 1% V). Сплав ВТ14 - один из наиболее прочных титановых сплавов. Так, после закалки с 860 - 880°С предел прочности этого сплава равен 950 МПа, а после старения при 480 - 550°С в течение 12 - 16 ч он повышается до 1200 - 1300 МПа при сохранении высоких пластических свойств. Изделия из этих сплавов применяются в отожженном и термически упрочненном состоянии, они могут работать при температурах до 350 - 400°С. Из β-сплавов наиболее широко используется сплав ВТ15 (3 - 4% А1; 7 - 8% Мо; 10 - 11% Сr), который после закалки и старения обладает пределом прочности 1300 - 1500МПа при удлинении около 6%. Однако из-за невысокой стабильности пересыщенной β-фазы этот сплав может работать при температурах до 350°С.

Литейные титановые сплавы характеризуются высокой жидкотекучестью и дают плотные отливки, однако по сравнению с деформируемыми сплавами обладают меньшей прочностью и пластичностью. Наиболее широко используемый сплав ВТ5Л, содержащий 5% А1 обладает σ в = 700÷900 МПа, δ = 6÷13%. Сплав предназначен для получения фасонных отливок, длительно работающих при температурах до 400°С. Дополнительное легирование сплава ВТ5Л хромом и молибденом (сплав ВТ3-11) приводит к повышению прочности (σ в = 1050 МПа) и жаропрочности (до 450°С), но к снижению пластичности и жидкотекучести.

Титановые сплавы применяются главным образом в авиации, ракетостроении, судостроении, химическом машиностроении.

Цирконий и его сплавы

Цирконий имеет температуру плавления 1855°С, плотность при комнатной температуре 6,49 г/см 3 . Подобно титану, он существует в двух модификациях. Низкотемпературная α-модификация, устойчивая до 865°С, имеет гексагональную плотноупакованную решетку. Высокотемпературная β-модификация обладает объемноцентрированной кубической решеткой.

Цирконий стоек в растворах кислот и щелочей, в воде и водяном паре; активно взаимодействует с газами: с кислородом выше 150 - 200°С, водородом в интервале температур 300 - 1000°С, азотом и углекислым газом выше 450°С с образованием окислов, нитридов, гидридов, карбидов. Благодаря этой способности цирконий широко используется в качестве геттера - газопоглотительного материала. Загрязнение чистого циркония примесями внедрения, которые образуют, помимо указанных соединений, твердые растворы в цирконии, приводит к снижению пластичности и коррозионной стойкости металла. В связи с высокой химической активностью циркония процессы его получения и обработки проводят в вакууме или в защитной атмосфере.

Другой отличительной особенностью циркония является малое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов и высокая стойкость в условиях ядерного облучения. Эти качества в сочетании со стойкостью в воде и в перегретом паре до 300 - 350°С делают цирконий одним из основных конструкционных материалов атомных водоохлаждаемых реакторов. Однако чистый цирконий обладает сравнительно невысокими механическими свойствами: σ в = 200÷400 МПа, δ = 30÷20%, НВ (70 - 90). Поэтому в качестве конструкционных материалов применяют сплавы циркония. Цирконий легируют небольшими добавками (до 1 - 2%) олова, железа, никеля, хрома, молибдена, ниобия. Эти легирующие элементы, упрочняя цирконий, повышают его коррозионную стойкость. Кроме того, они обладают сравнительно малым сечением захвата тепловых нейтронов, что важно при работе под ядерным облучением.

Ниобий повышает коррозионную стойкость циркония в воде и перегретом паре. Двойные сплавы Zr-1% Nb и Zr - 2,5% Nb широко применяют для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) в водоохлаждаемых реакторах, где в качестве горючего используется твердое топливо. Небольшие добавки олова подавляют вредное влияние примесей внедрения, особенно азота, на коррозионную стойкость циркония. Еще больший эффект достигается при комплексном легировании оловом, железом, хромом, никелем. В настоящее время в промышленном масштабе применяют сплавы типа циркаллой-2 (1,2 - 1,7% Sn; 0,07 - 0,2% Fe; 0,05 - 0,15% Сr; 0,03 - 0,08% Ni), а также сплав оженит-0,5, легированный оловом, железом, ниобием, никелем при суммарном их содержании 0,5%. По механическим свойствам сплавы типа циркаллой-2 (σ в = 480÷500 МПа, δ = 30%) приближаются к нержавеющим сталям, сплав оженит обладает меньшей прочностью (σ в = 300 МПа, δ = 35%).

С помощью термообработки (закалки, отпуска, отжига) можно изменять механические свойства циркониевых сплавов, однако обычно их подвергают только отжигу в α-области (800 - 850°С) для снятия напряжений. Это вызвано тем, что закалка и отпуск, как правило, приводят к снижению основной эксплуатационной характеристики циркониевых сплавов - коррозионной стойкости из-за образования метастабильных фаз.

Вольфрам и его сплавы

Вольфрам - самый тугоплавкий металл. Его температура плавления 3400°С. Плотность вольфрама при комнатной температуре 19,3 г/м 3 , кристаллическая решетка кубическая объемноцентрированная. Основная масса этого металла расходуется на легирование сталей и получение так называемых твердых сплавов. Как самостоятельный материал вольфрам применяют в электровакуумной и электротехнической промышленности. Из него изготавливают нити ламп накаливания, детали радиоламп, нагреватели, различные детали вакуумных печей и т. д. Эти изделия получают пластическим деформированием штабиков, спеченных из порошков заготовок, и используют в нагартованном состоянии или после отжига для снятия напряжений (1000°С, 1 ч). Основной недостаток вольфрама технической чистоты - хрупкость при комнатной температуре, вызванная загрязнением примесями внедрения, в первую очередь кислородом и углеродом. Предел прочности такого металла при комнатной температуре составляет 500 - 1400 МПа при практически нулевом удлинении. Вольфрам технической чистоты становится пластичным при температуре выше 300 - 400°С. Эта температура называется порогом хрупкости. Рекристаллизованный вольфрам (температура рекристаллизации 1400 - 1500°С) еще более хрупок, его порог хрупкости 450 - 500°С. Это вызвано перемещением примесей внедрения к границам зерен и образованием хрупких прослоек. Глубокой очисткой вольфрама порог хруп, кости можно снизить до минусовых температур.

В электровакуумной промышленности, кроме технически чистого вольфрама марки ВЧ, используют специальные сорта с присадками окислов - А1 2 O 3 , SiO 2 , K 2 O (марка BA). Мелкодисперсные частицы этих присадок, располагаясь по границам зерен вольфрама, повышают температуру его рекристаллизации. Поэтому изделия из такого металла оказываются способными при нагреве сохранять форму и не провисать. Торированный вольфрам (с 1 - 2% ТhO 2) обладает высокой жаропрочностью, а также высокими и устойчивыми термоэмиссионными свойствами, однако из-за опасности для здоровья людей (радиоактивность) в последнее время его успешно заменяют вольфрамом с присадками окиси лантана (ВЛ) и окиси иттрия (ВИ). Изделия из плавленого вольфрама и его сплавов находят пока ограниченное применение, главным образом в новой технике.

При легировании вольфрама стремятся повысить его прочность, жаропрочность, снизить хрупкость и улучшить технологичность. Разработаны однофазные сплавы вольфрама с ниобием (до 2% Nb), с молибденом (до 15% Мо), с рением (до 30% Re). Особенно эффективное влияние на свойства вольфрама оказывает рений. Сплав с 27% Re пластичен при комнатной температуре и обладает в литом состоянии σ в = 1400 МПа и δ = 15%. Однако возможности использования этих сплавов ограничены дефицитностью рения.

Перспективны также гетерофазные сплавы вольфрама, упрочненные дисперсными частицами карбидов. Введение небольших добавок тантала (до 0,2 - 0,4%) и углерода (до 0,1%) вызывает повышение прочности и пластичности. Сплавы вольфрама при температурах до 1600 - 1900°С более жаропрочны, чем вольфрам, однако выше этих температур они теряют свое преимущество по жаропрочности.

Молибден и его сплавы

Молибден имеет объемноцентрированную кубическую решетку. Его температура плавления 2620°С. Молибден менее хрупок по сравнению с вольфрамом. Температурный порог его хрупкости в зависимости от чистоты лежит в пределах 70 - 300°С. Хрупкость молибдена также вызвана скоплением возле границ зерен примесей внедрения или фаз внедрения. При нагреве молибден сильно окисляется, а при температуре выше 680 - 700°С его окислы возгоняются. Основную массу молибдена расходуют на легирование сталей. Как самостоятельный материал молибден используют в виде проволоки, прутков, ленты, листов, изготовляемых из заготовок-штабиков, которые получают методом порошковой металлургии. В таком виде его применяют в электронных вакуумных приборах (аноды, сетки, опоры) в качестве нагревательных элементов и экранов вакуумных печей. Предел прочности молибдена разной чистоты при комнатной температуре составляет 450 - 800 МПа при удлинении 25 - 1%. Поскольку плотность молибдена (10,2 г/см 3) почти в два раза ниже плотности вольфрама, то по удельной прочности при температурах до 1300 - 1400°С молибден превосходит вольфрам и его сплавы.

В последнее время все большее применение получает более чистый молибден, подвергнутый дуговому вакуумному или электроннолучевому переплаву, а также сплавы молибдена. Легирование молибдена некоторыми элементами приводит к его упрочнению и повышению пластичности. Особенно эффективное влияние на молибден, так же как и на вольфрам, оказывает рений, который образует с ним широкую область твердых растворов. Рений существенно упрочняет молибден, в то же время уменьшает его чувствительность к примесям внедрения и хладноломкости, повышает температуру рекристаллизации. Легирование молибдена небольшими количествами титана и циркония (до 1%) приводит к значительному его упрочнению при комнатной и повышенной температурах. Эти легирующие элементы образуют с углеродом, всегда присутствующим в молибдене, дисперсные частицы карбидов.

Ниобий, тантал, ванадий и их сплавы

Ниобий обладает о. ц. к. решеткой, имеет температуру плавления 2470°С, плотность 8,57 г/см 3 . В отличие от вольфрама и молибдена ниобий способен в довольно значительных количествах растворять кислород, азот, углерод. Поэтому он и его сплавы обладают существенно более высокой пластичностью, не охрупчиваются при рекристаллизации, способны хорошо свариваться. Разработаны сплавы ниобия типа твердых растворов с вольфрамом (до 15%) и молибденом (до 5%). Созданы также сплавы с добавками циркония (до 1%) и углерода (до 0,1%), в которых упрочнение достигается в результате возникновения выделений карбидов циркония. Сплавы предназначены для работы при 900 - 1200°С. Значительные количества ниобия расходуют для легирования сталей.

Тантал обладает о. ц. к. решеткой, плавится при 3996°С, плотность его 16,6 г/см 3 . Этот металл отличается высокой пластичностью и химической стойкостью в агрессивных средах. Стойкость объясняется образованием плотной и прочной окисной пленки. Тантал используют в виде порошка для изготовления анодов электролитических конденсаторов методами порошковой металлургии. При этом главное значение имеют высокие диэлектрические свойства окисной пленки, специально создаваемой на внутренней поверхности пористых анодов. Из тантала изготавливают ленту, прутки, проволоку, трубы для деталей электровакуумных приборов и химической аппаратуры.

Ванадий имеет точку плавления 1900°С, обладает о. ц. к. решеткой, его плотность 6,1 г/см 3 . Основное количество ванадия расходуется для легирования сталей. Чистый ванадий и сплавы на его основе пока не нашли широкого промышленного применения.

Твердые сплавы

Твердыми сплавами называются металлические материалы, состоящие из карбида вольфрама и небольшого количества кобальта (2 - 20%). Изделия из твердых сплавов получают только методом порошковой металлургии. Вначале изготовляют прессовки из смеси порошков карбида вольфрама и кобальта. Затем их спекают при 1350 - 1480°С. Примерно при 1200°С в смеси порошков появляется жидкость эвтектического состава (65 - 70% Со, 35 - 30% WC). Таким образом, спекание происходит в присутствии большого количества жидкой фазы При охлаждении после спекания жидкость затвердевает и из нее выделяются карбид вольфрама, который присоединяется к нерасплавившимся зернам, и кобальт, который образует прослойки между зернами карбида вольфрама и обеспечивает механическую прочность твердосплавных изделий. Размер частиц карбида вольфрама в готовом твердом сплаве обычно 1 - 2 мкм. Главное назначение твердых сплавов - металлорежущий и буровой инструмент. Ребрами, фрезами, сверлами из твердых сплавов можно обрабатывать стали, чугуны, цветные сплавы при таких режимах, когда разогрев режущей кромки доходит до 1000°С и выше. Буровой твердосплавный инструмент (долота, шарошки) служит в несколько раз дольше, чем стальной. Из твердых сплавов изготавливают также инструмент для обработки металлов давлением - волоки, штампы, матрицы.

Кроме твердых сплавов на основе карбида вольфрама, существуют твердые сплавы на основе двойного карбида вольфрама и титана, а также тройного карбида вольфрама, титана и тантала.

Твердые сплавы на основе сложных карбидов обладают более высокой стойкостью при обработке сталей.

Вольфрамкобальтовые твердые сплавы обозначаются BK2, BK6, BK15 и т. д. Последняя цифра соответствует процентному содержанию кобальта. Твердые сплавы на основе карбидов вольфрама и титана обозначаются T15K6, T30K4 и т. п. Цифра после буквы Т показывает содержание карбида титана, цифра после буквы К - содержание кобальта. Для сплавов на основе тройного карбида принято обозначение ТТ7К12 и т. п. Цифра после букв ТТ соответствует суммарному содержанию карбидов титана и тантала. Твердые сплавы характеризуются прочностью на изгиб и твердостью по Роквеллу. Предел прочности при изгибе составляет 1000 - 2000 МПа, а твердость HRC (85 - 90). Большей прочностью и меньшей твердостью обладают сплавы с повышенным содержанием кобальта.

Близки к твердым сплавам по структуре и характеру использования наплавочные сплавы на основе литого карбида вольфрама так называемого рэлита. Полученный плавкой в графитовом тигле карбид вольфрама дробят до частиц не более 0,6 мм и затем наносят на рабочие поверхности горнорудного оборудования путем оплавления. Структура поверхностного слоя состоит из нерасплавившихся зерен рэлита в оплавленной стальной основе.

Физики из Имперского колледжа Лондона, Института трансурановых элементов (Карлсруэ) и Университета Лондона уточнили температуры плавления карбидов гафния и тантала. С помощью лазерных методов плавки ученые показали, что наибольшей температурой плавления обладает чистый карбид гафния - HfC0,98 - материал плавится при 3959 ±84 градусах Цельсия. Ранее считалось, что самым тугоплавким материалом из известных является смешанный карбид гафния-тантала, содержащий примерно 20 процентов гафния. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports, кратко о нем сообщает пресс-релиз колледжа.

В результате оказалось, что наименьшей температурой плавления обладает карбид тантала - она соответствует 3768 ±84 градусах Цельсия. Ранее считалось, что самым тугоплавким материалом из известных является смешанный карбид гафния-тантала, содержащий примерно 20 процентов гафния. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports, кратко о нем сообщает пресс-релиз колледжа.

Исследования температуры плавления карбидов гафния и тантала датируются еще первой половиной XX века. Для этого использовался метод Пирани-Алтертума: с помощью электрического тока нагревалась пластинка материала с отверстием в центре. За пластинкой следили с помощью пирометра. В момент плавления отверстие оказывалось заполнено материалом и изменяло свое свечение. Разброс температур плавления, определенных этим методом для карбида гафния составил почти двести градусов, и по результатам измерений трудно было однозначно определить, какой из карбидов гафния и тантала является самым тугоплавким.

Авторы новой работы, отметив несовершенство ранних пирометров и методик, предложили использовать новый подход для определения температуры плавления. В ней образец керамики плавился под действием мощного 4,5-киловаттного лазера, после чего исследователи следили за его свечением. Момент плавления определялся по изменению отражения от поверхности. После этого лазер отключался, а температура плавления определялась по плато на графике остывания образца: в момент затвердевания отводимая от образца теплота не меняет его температуры.

В результате оказалось, что наименьшей температурой плавления обладает карбид тантала - она соответствует 3768 ± 77 градусам Цельсия. Интересно, что в некоторых ранних работах карбид тантала наоборот считался более тугоплавким, чем карбид гафния. Высокими температурами плавления обладал состав Ta0.8Hf0.2C, ранее считавшийся рекордсменом - порядка 3905 ± 82 градусов Цельсия. Остальные смешанные карбиды плавились при более низких температурах. Абсолютным рекордсменом, по данным новой работы, стал карбид гафния HfC0,98, материал плавится при 3959 ±84 градусах Цельсия. Для сравнения, самым тугоплавким металлом является вольфрам, плавящийся при 3422 градусах Цельсия. Считается, что карбидные керамики могут найти применение при строительстве гиперзвуковых самолетов. При движении в атмосфере на скорости свыше пяти чисел Маха теплозащита должна выдерживать температуры в 2200 кельвин и выше. Ранее химики из Университета Брауна (Провиденс) теоретически предсказали существование фазы смешанного карбида-нитрида гафния с рекордно высокой температурой плавления - свыше 4400 кельвин. Ее состав отвечает формуле HfN0.38C0.51.

Металл вольфрам

Самый тугоплавкий металл - вольфрам (wolframium), был получен в 1783 году. Испанские химики братья д’Элуяр выделили его из минерала вольфрамита и восстановили углеродом. В настоящее время сырьём для получения вольфрама являются вольфрамитовые и шеелитовые концентраты - WO3. Порошок вольфрама получают в электрических печах при температуре 700-850 °С. Сам металл производится из порошка методом прессования в стальных формах под давлением и дальнейшей термической обработкой заготовок. Заключительный момент - нагрев примерно до 3000 °С происходит путём пропускания электрического тока.

Промышленное применение

Вольфрам долго не находил промышленного применения. Лишь в XIX веке начали изучать влияние вольфрама на свойства стали иной природы. В начале ХХ века вольфрам стали применять в электрических лампочках: нить, изготовленная из него, накаляется до 2200 °С. В этом качестве вольфрам незаменим и в наше время.

Также вольфрамовые стали идут в оборонную промышленность - на изготовление танковой брони, торпед и снарядов, наиболее тонких деталей летательных аппаратов и т.д. Инструмент, изготовленный из вольфрамовой стали, выдерживает самые интенсивные процессы металлообработки.

От всех остальных своих собратьев-металлов вольфрам отличается особой тугоплавкостью, тяжестью и твердостью. Чистый вольфрам плавится при 3380 °С, а кипит лишь при 5900 °С, что совпадает с температурой на поверхности Солнца.

Из одного килограмма вольфрама можно изготовить проволоку длиной 3,5 км. Этой длины достаточно, чтобы изготовить нитей накаливания для 23 000 60-ваттных лампочек.

Вольфрам отличается от всех остальных металлов особой тяжестью, твердостью и тугоплавкостью. Плотность вольфрама почти вдвое больше, чем свинца, точнее — в 1,7 раза. По тугоплавкости и твердости вольфрам и его сплавы занимают высшие места среди металлов. Технически чистый вольфрам плавится при 3380°С, а кипит лишь при 5900°С. Такая температура — на поверхности Солнца!

А выглядит «король тугоплавкости» довольно заурядно. Цвет вольфрама в значительной мере зависит от способа получения.

Сплавленный вольфрам — блестящий серый металл, больше всего напоминающий платину. Вольфрамовый порошок — серый, темно-серый и даже черный.

Почти со всеми металлами вольфрам образует сплавы. Из всех сплавов вольфрама наибольшее значение приобрели вольфрам-содержащие стали.

Вольфрамовые стали идут на производство танковой брони, оболочек торпед и снарядов, наиболее важных деталей самолетов и двигателей.

Инструмент, изготовленный из вольфрамовой стали, выдерживает огромные скорости самых интенсивных процессов металлообработки. Скорость резания таким инструментом измеряется десятками метров в секунду.

В начале ХХ века вольфрамовую нить стали применять в электрических лампочках: она позволяет доводить накал до 2200°С. В этом качестве вольфрам совершенно незаменим и сегодня. Это объясняется двумя свойствами: его тугоплавкостью и пластичностью. Из одного килограмма вольфрама вытягивается проволока длиной 3,5 км, которой достаточно для изготовления нитей накаливания 23 тысяч 60-ваттных лампочек.

Вольфра м (лат. Wolframium), W, химический элемент VI группы периодической системы Менделеева, порядковый номер 74, атомная масса 183,85.

Природный вольфрам состоит из смеси пяти стабильных изотопов с массовыми числами 180, 182, 183, 184 и 186. Вольфрам был открыт и выделен в виде вольфрамового ангидрида WO 3 в 1781 году шведским химиком К. Шееле из минерала тунгстена, позднее назван шеелитом.

В 1783 году испанские химики братья д’ Элуяр выделили WO 3 из минерала вольфрамита и, восстановив WO 3 углеродом, впервые получили сам металл, названный ими вольфрамом.

Минерал вольфрамит был известен ещё Агриколе (16 в.) и назывался у него «Spuma lupi» - волчья пена (нем. Wolf - волк, Rahm - пена) в связи с тем, что вольфрам, всегда сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков («пожирает олово как волк овцу»). В США и некоторых других странах элемент назывался также «тунгстен» (по-шведски - тяжёлый камень).

Вольфрам долго не находил промышленного применения. Лишь во 2-й половине 19 в. начали изучать влияние добавок вольфрама на свойства стали.

Вольфрам мало распространён в природе; его содержание в земной коре 1· 10 -4 % по массе. В свободном состоянии не встречается, образует собственные минералы, главным образом вольфраматы.

В обычных условиях вольфрам химически стоек. При 400-500°С металл заметно окисляется на воздухе до WO 3 . Пары воды интенсивно окисляют его выше 600°С до WO 2 .

Галогены, сера, углерод, кремний, бор взаимодействуют с этим металлом при высоких температурах (фтор с порошкообразным вольфрамом - при комнатной). С водородом вольфрам не реагирует вплоть до температуры плавления; с азотом выше 1500°С образует нитрид.

При обычных условиях вольфрам стойкий по отношению к соляной, серной, азотной и плавиковой кислотам, а также к царской водке; при 100°С он слабо взаимодействует с ними; быстро растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот. В растворах щелочей при нагревании вольфрам растворяется слегка, а в расплавленных щелочах при доступе воздуха или в присутствии окислителей - быстро; при этом образуются вольфраматы.

В соединениях вольфрам проявляет валентность от 2 до 6, наиболее устойчивы соединения высшей валентности.

Вольфрам образует четыре окисла: высший - трёхокись WO 3 (вольфрамовый ангидрид), низший - двуокись WO 2 и два промежуточных W 10 O 29 и W 4 O 11 . Вольфрамовый ангидрид - кристаллический порошок лимонно-жёлтого цвета, растворяющийся в растворах щелочей с образованием вольфраматов. При его восстановлении водородом последовательно образуются низшие окислы и вольфрам. Вольфрамовому ангидриду соответствует вольфрамовая кислота H 2 WO 4 - жёлтый порошок, практически нерастворимый в воде и в кислотах. При её взаимодействии с растворами щелочей и аммиака образуются растворы вольфраматов. При 188°С H 2 WO 4 отщепляет воду с образованием WO 3 . С хлором вольфрам образует ряд хлоридов и оксихлоридов. Наиболее важные из них: WCl 6 (t пл 275°С, t kип 348°С) и WO 2 Cl 2 (t пл 266°С, выше 300°С сублимирует). Они получаются при действии хлора на вольфрамовый ангидрид в присутствии угля. С серой вольфрам образует два сульфида WS 2 и WS 3 . Карбиды вольфрама WC (t пл 2900°C) и W 2 C (t пл 2750°C) - твёрдые тугоплавкие соединения, которые получаются при взаимодействии вольфрама с углеродом при 1000-1500°С.

Сырьём для получения вольфрама служат вольфрамитовые и шеелитовые концентраты (50-60% WO 3). Из концентратов непосредственно выплавляют ферровольфрам (сплав железа с 65-80% вольфрама), используемый в производстве стали. Для получения вольфрама, его сплавов и соединений из концентрата выделяют вольфрамовый ангидрид. В промышленности применяют несколько способов получения WO 3 . Шеелитовые концентраты разлагают в автоклавах раствором соды при 180-200°С (получают технический раствор вольфрамата натрия) или соляной кислотой (получают техническую вольфрамовую кислоту):

1. CaWO 4TB + Na 2 CO 3Ж = Na 2 WO 4Ж + СаСО 3ТВ

2. CaWO 4TB + 2HCl Ж = H 2 WO 4TВ + CaCl 2p=p

Вольфрамитовые концентраты разлагают либо спеканием с содой при 800-900°С с последующим выщелачиванием Na 2 WO 4 водой, либо обработкой при нагревании раствором едкого натра. При разложении щелочными агентами (содой или едким натром) образуется раствор Na 2 WO 4 , загрязнённый примесями. После их отделения из раствора выделяют H 2 WO 4 . (Для получения более грубых, легко фильтруемых и отмываемых осадков вначале из раствора Na 2 WO 4 осаждают CaWO 4 , который затем разлагают соляной кислотой.) Высушенная H 2 WO 4 содержит 0,2-0,3% примесей. Прокаливанием H 2 WO 4 при 700-800°С получают WO 3 , а уже из него - твёрдые сплавы. Для производства металлического вольфрама H 2 WO 4 дополнительно очищают аммиачным способом - растворением в аммиаке и кристаллизацией паравольфрамата аммония 5(NH 4) 2 O· 12WO 3 · n H 2 O. Прокаливание этой соли даёт чистый WO 3 .

Порошок вольфрама получают восстановлением WO 3 водородом (а в производстве твёрдых сплавов - также и углеродом) в трубчатых электрических печах при 700-850°С. Компактный металл получают из порошка металлокерамическим методом, т. е. прессованием в стальных прессформах под давлением 3-5 тс/см 2 и термической обработкой спрессованных заготовок-штабиков. Последнюю стадию термической обработки - нагрев примерно до 3000°С проводят в специальных аппаратах пропусканием электрического тока непосредственно через штабик в атмосфере водорода. В результате получают вольфрам, хорошо поддающийся обработке давлением (ковке, волочению, прокатке и т.д.) при нагревании. Из штабиков методом бестигельной электроннолучевой зонной плавки получают монокристаллы вольфрама.

Вольфрам широко применяется в виде чистого металла и в ряде сплавов, наиболее важные из которых - легированные стали, твёрдые сплавы на основе карбида вольфрама, износоустойчивые и жаропрочные сплавы. Вольфрам входит в состав ряда износоустойчивых сплавов, используемых для покрытия поверхностей деталей машин (клапаны авиадвигателей, лопасти турбин и др.). В авиационной и ракетной технике применяют жаропрочные сплавы вольфрама с другими тугоплавкими металлами. Тугоплавкость и низкое давление пара при высоких температурах делают его незаменимым для нитей накала электроламп, а также для изготовления деталей электровакуумных приборов в радиоэлектронике и рентгенотехнике. В различных областях техники используют некоторые химические соединения вольфрама, например, Na 2 WO 4 (в лакокрасочной и текстильной промышленности), WS 2 (катализатор в органическом синтезе, эффективная твёрдая смазка для деталей трения).

Вольфра мовые ру ды, природные минеральные образования, содержащие вольфрам в количествах, при которых экономически целесообразно его извлечение. Основными минералами вольфрама являются вольфрамит, содержащий 74-76% WO 3 , и шеелит - 80% WO 3 . Минимальные содержания трёхокиси вольфрама, при которых рентабельно разрабатывать вольфрамовые руды для крупных месторождений порядка 0,14-0,15%, для более мелких жильных - 0,4-0,5%. Вольфрамовые руды часто содержат другие полезные компоненты (олово, молибден, бериллий, золото, медь, свинец и цинк). Кроме того, вольфрамиты некоторых месторождений содержат повышенные количества тантала и скандия, которые могут быть из них извлечены. Для получения концентратов с содержанием 50-60% WO 3 руды обогащают, используя гравитационный, флотационный и другие методы обогащения.

Тугопла вкие мета ллы , по технической классификации - металлы, плавящиеся при температуре выше 1650-1700 °С. В их число 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 хрома) относятся к редким металлам, a Re - к рассеянным редким металлам. Высокой температурой плавления характеризуются также металлы платиновой группы и торий, но они по технической классификации не относятся к тугоплавким металлам.

Тугоплавкие металлы имеют близкое электронное строение атомов и являются переходными элементами с достраивающимися oболочками. В их межатомных связях 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. Тугоплавкие металлы имеют близкие химические свойства. Переменная валентность этих металлов обусловливает многообразие их химических соединений. Они образуют металлоподобные тугоплавкие твёрдые соединения.

Физические и химические свойства. Кристаллические решётки тугоплавких металлов 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 тугоплавкие металлы - пластичные металлы, поддаются как горячей, так и холодной обработке давлением, особенно хорошо - металлы IV и V групп. Для применения тугоплавких металов 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 их механические свойства 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 тугоплавких металлов влияют примеси углерода (исключая Re), водорода (для металлов IV и V групп), азота, кислорода, присутствие которых делает эти металлы хрупкими. Характерные свойства всех тугоплавких металлов - 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 металлы 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 свойством пользуются для превращения компактных металлов в порошки путём гидрирования (и охрупчивания) металлов, измельчения и дегидрирования. Тугоплавкие металлы 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. Тугоплавкие металлы способны образовывать сплавы со многими металлами.

Вольфра мовые спла вы - сплавы на основе вольфрама. Для легирования сплавов применяют металлы (Mo, Re, Cu, Ni, Ag и др.), окислы (ThO 2), карбиды (TaC) и другие соединения, которые вводят в вольфрам для повышения его жаропрочности, пластичности (при температурах до 500°С), обрабатываемости, а также обеспечения необходимого комплекса физических свойств. Вольфрамовые сплавы получают методами порошковой металлургии или сплавлением компонентов в дуговых и электроннолучевых печах. В промышленности применяются главным образом металлокерамические сплавы. По структуре различают 3 группы вольфрамовых сплавов: сплавы (твёрдые растворы), псевдосплавы с соединениями и псевдосплавы с металлами.

Основными вольфрамовыми сплавами с однофазной структурой твёрдого раствора являются сплавы вольфрама с Mo (до 50%) и Re (до 30%). При добавлении Mo повышается жаропрочность и электросопротивление сплава; кроме того, у сплавов W - Mo термический коэффициент расширения примерно такой же, как у различных сортов тугоплавкого стекла. Эти сплавы легче обрабатываются по сравнению с чистым вольфрамом. Сплавы с содержанием 20-50% Mo применяют в электровакуумных приборах для изготовления нагревателей, экранов и др.

Рений в твёрдом растворе на основе W существенно повышает низкотемпературную пластичность и соответственно обрабатываемость. Максимальной пластичностью обладают сплавы вольфрама с 20-28% Re. При дальнейшем увеличении содержания Re пластичность вновь начинает падать из-за выделения избыточной σ- фазы. Кроме повышенной пластичности, сплавы W - Re отличаются высокой жаропрочностью. Несмотря на то, что рений является редким и дорогим металлом, такие сплавы еще в 50-х гг. ХХ века начали использоваться в электровакуумных приборах (сплавы с 5-30% Re) и в качестве термопарных материалов, предназначенных для работы вплоть до 2500°С.

Псевдосплавы вольфрама с нерастворяющимися в нём Cu и Ag (вводимыми раздельно или вместе в количестве от 5 до 40%) имеют гетерогенную структуру, состоящую из зёрен W, окружённых прослойками Cu и Ag или их сплава. Эти материалы сочетают высокую твёрдость, жаропрочность, износостойкость, сопротивление электроэрозии, свойственные вольфраму, с хорошей электро- и теплопроводностью Cu и Ag. Из них изготовляют электроконтакты и др. Вольфрам, пропитанный Ag и Cu, применяется и при изготовлении ракетных двигателей. Близкую к псевдосплавам вольфрама с медью и серебром структуру имеют так называемые «тяжёлые сплавы» W с 3-10% Ni и 2-5% Cu. Их плотность после спекания спрессованных заготовок достигает 18 г/см 3 . «Тяжёлые сплавы» используют в качестве материалов защиты от гамма-излучения в радиотерапии и при изготовлении контейнеров для хранения радиоактивных препаратов. Большая плотность «тяжёлых сплавов» позволяет применять их и в других областях (самолетостроении, точном приборостроении и т. д.)

Вольфрама ты приро дные - группа минералов, являющихся солями вольфрамовой кислоты. В природных условиях встречаются только соли Fe, Mn, Zn, Ca, Pb, Al моновольфрамовой кислоты H 2 WO 4 . Из них широко распространены вольфрамит (Fe, Mn) WO 4 и шеелит CaWO 4 , остальные соединения - штольцит PbWO 4 , санмартинит (Zn, Fe) WO 4 встречаются редко. Вольфраматы образуются в эндогенных гидротермальных условиях. Вольфрамит и шеелит являются основными промышленными минералами, из которых извлекается вольфрам.

Почти все металлы при нормальных условиях представляют собой твердые вещества. Но при определенных температурах они могут изменять свое агрегатное состояние и становиться жидкими. Давайте узнаем, какая температура плавления металла самая высокая? Какая самая низкая?

Температура плавления металлов

Большая часть элементов периодической таблицы относится к металлам. В настоящее время их насчитывается примерно 96. Всем им необходимы разные условия, чтобы превратиться в жидкость.

Порог нагревания твердых кристаллических веществ, превысив который они становятся жидкими, называется температурой плавления. У металлов она колеблется в пределах нескольких тысяч градусов. Многие из них переходят в жидкость при относительно большом нагревании. Благодаря этому они являются распространенным материалом для производства кастрюль, сковородок и других кухонных приборов.

Средние температуры плавления имеют серебро (962 °С), алюминий (660,32 °С), золото (1064,18 °С), никель (1455 °С), платина (1772 °С) и т.д. Выделяют также группу тугоплавких и легкоплавких металлов. Первым, чтобы превратиться в жидкость, нужно больше 2000 градусов Цельсия, вторым - меньше 500 градусов.

К легкоплавким металлам обычно относят олово (232 °C), цинк (419 °C), свинец (327 °C). Однако у некоторых из них температуры могут быть еще ниже. Например, франций и галлий плавятся уже в руке, а цезий можно греть только в ампуле, ведь от кислорода он воспламеняется.

Самые низкие и высокие температуры плавления металлов представлены в таблице:

Вольфрам

Самая высокая температура плавления - у металла вольфрама. Выше него по этому показателю стоит только неметалл углерод. Вольфрам представляет собой светло-серое блестящее вещество, очень плотное и тяжелое. Он кипит при 5555 °C, что почти приравнивается к температуре фотосферы Солнца.

При комнатных условиях он слабо реагирует с кислородом и не подвергается коррозии. Несмотря на свою тугоплавкость, он довольно пластичен и поддается ковке уже при нагревании до 1600 °C. Эти свойства вольфрама используют для нитей накаливания в лампах и кинескопах электродов для сварки. Большую часть добытого металла сплавляют со сталью, чтобы повысить ее прочность и твердость.

Широкое применение вольфрам имеет в военной сфере и технике. Он незаменим для изготовления боеприпасов, брони, двигателей и наиболее важных частей военного транспорта и самолетов. Из него также делают хирургические инструменты, ящики для хранения радиоактивных веществ.

Ртуть

Ртуть - единственный металл, температура плавления которого имеет минусовое значение. К тому же это один из двух химических элементов, простые вещества которых при нормальных условиях, существуют в виде жидкостей. Интересно, что кипит металл при нагревании до 356,73 °C, а это намного выше температуры его плавления.

Имеет серебристо-белый цвет и ярко выраженный блеск. Она испаряется уже при комнатных условиях, конденсируясь в небольшие шарики. Металл очень токсичен. Он способен накапливается во внутренних органах человека, вызывая болезни головного мозга, селезенки, почек и печени.

Ртуть - один из семи первых металлов, о которых узнал человек. В Средние века она считалась главным алхимическим элементом. Несмотря на ядовитость, когда-то ее применяли в медицине в составе зубных пломб, а также как лекарство от сифилиса. Сейчас ртуть почти полностью исключили из медицинских препаратов, но широко используют ее в измерительных приборах (барометрах, манометрах), для изготовления ламп, переключателей, дверных звонков.

Сплавы

Чтобы изменить свойства того или иного металла, его сплавляют с другими веществами. Так, он может не только приобрести большую плотность, прочность, но и снизить или повысить температуру плавления.

Сплав может состоять из двух или больше химических элементов, но хотя бы один из них должен быть металлом. Такие «смеси» очень часто используют в промышленности, ведь они позволяют получить именно те качества материалов, которые необходимы.

Температура плавления металлов и сплавов зависит от чистоты первых, а также от пропорций и состава вторых. Для получения легкоплавких сплавов чаще всего используют свинец, ртуть, таллий, олово, кадмий, индий. Те, в составе которых находится ртуть, называются амальгамами. Соединение натрия, калия и цезия в соотношении 12%/47%/41% становится жидкостью уже при минус 78 °C , амальгама ртути и таллия - при минус 61°C. Самым тугоплавким материалом является сплав тантала и карбидов гафния в пропорциях 1:1 с температурой плавления 4115 °C.