Metale ogniotrwałe

H																		On
Li	Być												B	C	N	O	F	Nie
Nie	Mg												Glin	Si	P	S	kl	Ar
K	Ok		sc	Ti	V	Kr	Mn	Fe	Współ	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	Jak	Se	br	Kr
Rb	senior		Y	Zr	Uwaga	Pon	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Płyta CD	W	sen	Sb	Te	I	Xe
Cs	Ba	*	Lu	Hf	Ta	W	Odnośnie	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tł	Pb	Bi	Po	Na	Rn
ks	Ra	**	Lr	Rf	śr	sierż	Bh	Hs	Góra	DS	Rg	Cn	Nh	Fl	Mc	poz	Ts	Og

		*	La	Ce	Pr	Nd	Po południu	sm	UE	Bg	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb
		**	Ac	Cz	Rocznie	U	Np	Pu	Jestem	Cm	Bk	Por	Ez	FM	lekarz	NIE
Metale ogniotrwałe
Szersza definicja metali ogniotrwałych

Metale ogniotrwałe to klasa metali , które są wyjątkowo odporne na ciepło i zużycie . Wyrażenie to jest najczęściej używane w kontekście nauk o materiałach , metalurgii i inżynierii . Definicja elementów należących do tej grupy jest różna. Najbardziej powszechna definicja obejmuje pięć pierwiastków: dwa z okresu piątego ( niob i molibden ) oraz trzy z okresu szóstego ( tantal , wolfram i ren ). Wszystkie mają pewne właściwości, w tym temperaturę topnienia powyżej 2000 ° C i wysoką twardość w temperaturze pokojowej. Są chemicznie obojętne i mają stosunkowo dużą gęstość. Ich wysokie temperatury topnienia sprawiają, że metalurgia proszków jest preferowaną metodą wytwarzania elementów z tych metali. Niektóre z ich zastosowań obejmują narzędzia do obróbki metali w wysokich temperaturach, włókna drutu, formy odlewnicze i naczynia do reakcji chemicznych w środowiskach korozyjnych. Częściowo ze względu na wysoką temperaturę topnienia metale ogniotrwałe są odporne na odkształcenie pełzające na bardzo wysokie temperatury.

Definicja

Większość definicji terminu „metale ogniotrwałe” jako kluczowy wymóg włączenia wymienia niezwykle wysoką temperaturę topnienia. Według jednej definicji, aby się zakwalifikować, konieczna jest temperatura topnienia powyżej 4000 ° F (2200 ° C). Wszystkie definicje obejmują pięć pierwiastków: niob, molibden, tantal, wolfram i ren, natomiast szersza definicja, obejmująca wszystkie pierwiastki o temperaturze topnienia powyżej 2123 K (1850 °C), obejmuje różną liczbę dziewięciu dodatkowych pierwiastków: tytan , wanad , chrom , cyrkon , hafn , ruten , rod , osm i iryd .

Sztuczne pierwiastki , ponieważ są radioaktywne, nigdy nie są uważane za część metali ogniotrwałych, chociaż technet ma temperaturę topnienia 2430 K lub 2157 ° C, a rutherford ma temperaturę topnienia 2400 K lub 2100 ° C.

Nieruchomości

Fizyczny

Właściwości metali ogniotrwałych
Nazwa	Niob	Molibden	Tantal	Wolfram	Ren
Okres	5	5	6	6	6
Temperatura topnienia K	2750	2896	3290	3695	3459
Temperatura wrzenia K	5017	4912	5731	6203	5869
Temperatura topnienia °C	2477	2623	3017	3422	3186
Temperatura wrzenia °C	4744	4639	5458	5930	5596
Gęstość g·cm ⁻³	8,57	10.28	16.69	19.25	21.02
Moduł Younga GPa	105	329	186	411	463
Twardość Vickersa MPa	1320	1530	873	3430	2450

Metale ogniotrwałe mają wysokie temperatury topnienia, przy czym wolfram i ren są najwyższymi ze wszystkich pierwiastków, a temperatury topnienia innych metali przekraczają jedynie osm i iryd oraz sublimacja węgla . Te wysokie temperatury topnienia definiują większość ich zastosowań. Wszystkie metale są sześcienne skupione wokół ciała, z wyjątkiem renu, który jest sześciokątny i ściśle upakowany . Większość właściwości fizycznych pierwiastków z tej grupy znacznie się różni, ponieważ należą one do różnych grup .

Odporność na pełzanie jest kluczową właściwością metali ogniotrwałych. W metalach początek pełzania jest powiązany z temperaturą topnienia materiału; pełzanie w stopach aluminium rozpoczyna się w temperaturze 200°C, podczas gdy w przypadku metali ogniotrwałych konieczne są temperatury powyżej 1500°C. Ta odporność na odkształcenia w wysokich temperaturach sprawia, że metale ogniotrwałe są odporne na działanie dużych sił działających w wysokiej temperaturze, na przykład w silnikach odrzutowych lub narzędziach stosowanych podczas kucia .

Chemiczny

Metale ogniotrwałe wykazują szeroką gamę właściwości chemicznych, ponieważ należą do trzech odrębnych grup układu okresowego . Łatwo ulegają utlenieniu, ale reakcja ta jest spowalniana w metalu w masie poprzez tworzenie się stabilnych warstw tlenku na powierzchni ( pasywacja ). Zwłaszcza tlenek renu jest bardziej lotny niż metal i dlatego w wysokiej temperaturze traci się stabilizację przed atakiem tlenu, ponieważ warstwa tlenku odparowuje. Wszystkie są stosunkowo stabilne w stosunku do kwasów.

Aplikacje

Metale ogniotrwałe i wykonane z nich stopy są stosowane w oświetleniu , narzędziach, smarach , prętach kontrolnych reakcji jądrowych , jako katalizatory oraz ze względu na ich właściwości chemiczne lub elektryczne. Ze względu na wysoką temperaturę topnienia , elementy z metali ogniotrwałych nigdy nie są wytwarzane metodą odlewania . Stosowany jest proces metalurgii proszków. Proszki czystego metalu są prasowane, podgrzewane prądem elektrycznym, a następnie przetwarzane na zimno z etapami wyżarzania. Metale ogniotrwałe i ich stopy można przetwarzać na drut , wlewki , pręty zbrojeniowe , arkusze lub folię .

Stopy molibdenu

Stopy na bazie molibdenu są szeroko stosowane, ponieważ są tańsze niż doskonałe stopy wolframu. Najszerzej stosowanym stopem molibdenu jest tytanu , cyrkonu tytanu i i molibdenu TZM, składający się z 0,5% 0,08 % cyrkonu (resztę stanowi molibden). Stop wykazuje wyższą odporność na pełzanie i wytrzymałość w wysokich temperaturach, dzięki czemu materiał może pracować w temperaturach powyżej 1060 ° C. Wysoka oporność Mo-30W, stopu składającego się z 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 stosuje się w przekaźnikach kontaktronowych zwilżonych rtęcią , ponieważ molibden nie tworzy amalgamatów i dlatego jest odporny na korozję powodowaną przez ciekłą rtęć .

Molibden jest najczęściej stosowanym metalem ogniotrwałym. Jego najważniejszym zastosowaniem jest wzmacniający stop stali . Rury konstrukcyjne i rurociągi często zawierają molibden, podobnie jak wiele stali nierdzewnych . Jego wytrzymałość w wysokich temperaturach, odporność na zużycie i niski współczynnik tarcia to cechy, które czynią go nieocenionym dodatkiem stopowym. Jego doskonałe właściwości przeciwcierne prowadzą do jego dodawania do smarów i olejów gdzie niezawodność i wydajność mają kluczowe znaczenie. W samochodowych przegubach o stałej prędkości stosuje się smar zawierający molibden. Mieszanka łatwo przylega do metalu i tworzy bardzo twardą, odporną na tarcie powłokę. Większość światowych rud molibdenu występuje w Chinach, USA , Chile i Kanadzie .

Wolfram i jego stopy

Wolfram został odkryty w 1781 roku przez szwedzkiego chemika Carla Wilhelma Scheele . Wolfram ma najwyższą temperaturę topnienia ze wszystkich metali, wynoszącą 3410 ° C (6170 ° F ).

Włókno 200-watowej żarówki w dużym powiększeniu

Do 22% renu dodaje się wolframem, aby poprawić jego wytrzymałość w wysokich temperaturach i odporność na korozję. Tor jako związek stopowy stosuje się, gdy konieczne jest wytworzenie łuku elektrycznego. Zapłon jest łatwiejszy, a łuk pali się stabilniej niż bez dodatku toru. W przypadku zastosowań w metalurgii proszków w procesie spiekania należy stosować spoiwa. Do produkcji ciężkiego stopu wolframu, mieszanin spoiw niklu i żelaza lub niklu i miedzi są powszechnie stosowane. Zawartość wolframu w stopie zwykle przekracza 90%. Dyfuzja elementów spoiwa do ziaren wolframu jest niska nawet w spiekania i dlatego wnętrze ziaren jest czystym wolframem.

Wolfram i jego stopy są często stosowane w zastosowaniach, w których występują wysokie temperatury, ale nadal konieczna jest wysoka wytrzymałość, a wysoka gęstość nie jest uciążliwa. Włókna z drutu wolframowego zapewniają zdecydowaną większość żarówek domowych , ale są również powszechne w oświetleniu przemysłowym jako elektrody w lampach łukowych. Lampy stają się bardziej wydajne w przetwarzaniu energii elektrycznej na światło przy wyższych temperaturach, dlatego też wysoka temperatura topnienia jest niezbędna do zastosowania jako żarnik w świetle żarowym. Spawanie łukiem wolframowym w gazie (GTAW, znane również jako spawanie wolframowe w gazie obojętnym (TIG)) wykorzystuje stałą, nietopliwą elektrodę . Wysoka temperatura topnienia i odporność na zużycie łukiem elektrycznym sprawiają, że wolfram jest odpowiednim materiałem na elektrodę.

Wysoka gęstość i wytrzymałość wolframu to także kluczowe właściwości jego zastosowania w pociskach broni , na przykład jako alternatywa dla zubożonego uranu w nabojach do dział czołgowych. Jego wysoka temperatura topnienia sprawia, że wolfram jest dobrym materiałem do zastosowań takich jak dysze rakiet , na przykład w UGM-27 Polaris . Niektóre zastosowania wolframu nie są związane z jego właściwościami ogniotrwałymi, ale po prostu z jego gęstością. Na przykład stosuje się go w ciężarkach wyważających do samolotów i helikopterów lub w główkach kijów golfowych . W tych zastosowaniach można również zastosować podobne gęste materiały, takie jak droższy osm.

Najczęstszym zastosowaniem wolframu jest związek węglika wolframu w wiertłach , narzędziach do obróbki i skrawających. Największe rezerwy wolframu znajdują się w Chinach , a złoża znajdują się w Korei , Boliwii , Australii i innych krajach.

Służy również jako środek smarny , przeciwutleniacz , w dyszach i tulejach, jako powłoka ochronna i na wiele innych sposobów. Wolfram można znaleźć w farbach drukarskich, rentgenowskich , podczas przetwarzania produktów naftowych i ognioodpornych tekstyliów .

Stopy niobu

Apollo CSM z ciemną dyszą rakietową wykonaną ze stopu niobu i tytanu

Niob prawie zawsze występuje razem z tantalem i został nazwany na cześć Niobe , córki mitycznego greckiego króla Tantala , od którego pochodzi nazwa tantalu. Niob ma wiele zastosowań, a niektóre z nich są wspólne z innymi metalami ogniotrwałymi. Jest wyjątkowy, ponieważ można go poddać obróbce poprzez wyżarzanie w celu uzyskania szerokiego zakresu wytrzymałości i plastyczności , a także jest najmniej gęstym metalem ogniotrwałym. Można go również znaleźć w kondensatorach elektrolitycznych i najbardziej praktycznych stopach nadprzewodzących . Niob można znaleźć w lotnicze turbiny gazowe , lampy próżniowe i reaktory jądrowe .

Stopem używanym do produkcji dysz silników rakietowych na paliwo ciekłe , takich jak główny silnik modułów księżycowych Apollo , jest C103, który składa się z 89% niobu, 10% hafnu i 1% tytanu. W dyszy modułu serwisowego Apollo zastosowano inny stop niobu . Ponieważ niob utlenia się w temperaturach powyżej 400 °C, w tych zastosowaniach konieczna jest powłoka ochronna, aby zapobiec kruchości stopu.

Tantal i jego stopy

Tantal jest jedną z najbardziej odpornych na korozję dostępnych substancji.

Dzięki tej właściwości tantalu odkryto wiele ważnych zastosowań tantalu, szczególnie w medycynie i chirurgii , a także w trudnych środowiskach kwaśnych . Służy również do produkcji doskonałych kondensatorów elektrolitycznych. Folie tantalowe zapewniają drugą aerożelu pojemność na objętość dowolnej substancji [ ^{potrzebne źródło ]} i umożliwiają miniaturyzację komponentów i obwodów elektronicznych . Wiele telefonów komórkowych i komputery zawierają kondensatory tantalowe.

Stopy renu

Ren jest ostatnio odkrytym metalem ogniotrwałym. Występuje w niskich stężeniach z wieloma innymi metalami, w rudach innych metali ogniotrwałych, platyny lub miedzi . Jest przydatny jako stop z innymi metalami ogniotrwałymi, gdzie zwiększa ciągliwość i wytrzymałość na rozciąganie . Stopy renu są stosowane w elementach elektronicznych, żyroskopach i reaktorach jądrowych . Ren znajduje swoje najważniejsze zastosowanie jako katalizator. Stosowany jest jako katalizator w reakcjach takich jak alkilowanie , dealkilacja , uwodornienia i utleniania . Jednak jego rzadkość sprawia, że jest to najdroższy z metali ogniotrwałych.

Zalety i wady

Wytrzymałość i stabilność w wysokiej temperaturze metali ogniotrwałych sprawiają, że nadają się one do zastosowań w obróbce metali na gorąco i w technologii pieców próżniowych . Właściwości te wykorzystuje się w wielu zastosowaniach specjalnych: na przykład włókna lamp wolframowych pracują w temperaturach do 3073 K, a uzwojenia pieca molibdenowego wytrzymują temperaturę 2273 K.

Jednakże słaba podatność na obróbkę w niskich temperaturach i ekstremalna utlenialność w wysokich temperaturach to wady większości metali ogniotrwałych. Interakcje z otoczeniem mogą znacząco wpływać na ich wytrzymałość na pełzanie w wysokiej temperaturze. Zastosowanie tych metali wymaga atmosfery ochronnej lub powłoki.

Ogniotrwałe stopy metali, takie jak molibden, niob, tantal i wolfram, zostały zastosowane w kosmicznych systemach energii jądrowej. Systemy te zostały zaprojektowane do pracy w temperaturach od 1350 K do około 1900 K. Środowisko nie może wchodzić w interakcję z danym materiałem. ciekłe metale alkaliczne oraz ultrawysoką próżnię .

Aby stopy mogły być stosowane, należy ograniczyć odkształcenie pełzające w wysokiej temperaturze . Odkształcenie pełzające nie powinno przekraczać 1–2%. Dodatkową komplikacją w badaniu zachowania pełzania metali ogniotrwałych są interakcje ze środowiskiem, które mogą znacząco wpływać na zachowanie pełzania.

Zobacz też

Oporny

Dalsza lektura

Lewitin, Valim (2006). Odkształcenie metali i stopów w wysokiej temperaturze: podstawy fizyczne . Wiley’a. ISBN 978-3-527-31338-9 .
Brunner, T. (2000). „Analizy chemiczne i strukturalne cząstek aerozolu i popiołów lotnych z obiektów energetycznego spalania biomasy ze stałym złożem za pomocą mikroskopii elektronowej”. 1. Światowa Konferencja na temat Biomasy dla Energii i Przemysłu: materiały z konferencji, która odbyła się w Sewilli, Hiszpania, 5–9 czerwca 2000 r . Londyn: James & James. ISBN 1-902916-15-8 .
Spink, Donald (1961). „Metale reaktywne. Cyrkon, hafn i tytan”. Chemia przemysłowa i inżynieryjna . 53 (2): 97–104. doi : 10.1021/ie50614a019 .
Hayes, hrabia (1961). „Chrom i wanad”. Chemia przemysłowa i inżynieryjna . 53 (2): 105–7. doi : 10.1021/ie50614a020 .