Цена ниобия
Поскольку элемент не имеет больших залежей на земле и имеет сложную технологию производства его цена всегда было очень высокой и сростом развития автомобилестроения, энергетики, самолетостроения и космической технологии его цена неуклонно росла. При этом были периоды, когда она оставалась низкой из-за кризисных явлениях в мировой экономики.
Цена Nb на мировом рынке в тыс. $ за метрическую тонну по годам:
- 1940 – 0.77162;
- 1950 -13.991;
- 2004 – 48.372;
- 2010 – 41.500;
- 2018 – 42.280.
Азиатско-Тихоокеанский регион в потреблении Nb начал доминировать на мировом рынке с 2022 года, что было вызвано ростом использования конструкционных сталей в автомобильной и аэрокосмической промышленности в таких странах, как Китай, Индия и Япония.
На мировом рынке Nb крупным производителем является CBMM (Бразилия), обладающая монополией на его поставки с 84% долей мирового рынка.
Другие известные компании:
- China Molybdenum Co. Ltd, Китай NIOBEC (Magris Resources Company), Канада.
- Alkane Resources Ltd, США.
- Современное российское предприятие-производитель Nb в кон.
- Предприятия, которые остановили производство: Malyshevskoye mine department, ОАО «Забайкальский ГОК», ООО «Стальмаг», ОАО «Вишневогорский ГОК».\
Цена ниобия – 42.280 тыс. $ за метрическую тонну
Сегодня в России реализуются проекты с инвестициями по восстановлению редкоземельных месторождений и развитию ниобиевой отрасли:
- Томторпроект.
- Белозиминское месторождение.
- Катугинскоеместорождение.
- Чуктуконскоеместорождение.
- Зашихинскоеместорождение.
- Улуг-Танзекское месторождение.
Ожидается, что в 2019-2024 гг на мировом рынке ниобия будет среднегодовой темп роста в 5,90%. Основные факторы, влияющими на него – высокое потребление Nb в конструкционной стали и широкое использование сплавов при производстве авиационных двигателей.
Общие свойства тугоплавких металлов
Тугоплавкие металлы и их сплавы привлекают внимание исследователей из-за их необычных свойств и будущих перспектив в применении.
Физические свойства тугоплавких металлов, таких как молибден, тантал и вольфрам, их показатели твёрдости и стабильность при высоких температурах делает их используемым материалом для горячей металлообработки материалов как в вакууме, так и без него. Многие детали основаны на их уникальных свойствах: например, вольфрамовые нити накаливания способны выдерживать температуры вплоть до 3073 K
.
Однако, их сопротивляемость к окислению вплоть до 500 °C
делает их одним из главных недостатков этой группы. Контакт с воздухом может существенно повлиять на их высокотемпературные характеристики. Именно поэтому их используют в материалах, в которых они изолированы от кислорода (например лампочка).
Сплавы тугоплавких металлов — молибдена, тантала и вольфрама — применяются в деталях космических ядерных технологий. Эти компоненты были специально созданы в качестве материала способного выдержать высокие температуры (от 1350 K
до 1900
K
). Как было указано выше, они не должны контактировать с кислородом.
Список и характеристики тугоплавких металлов
Тугоплавкость характеризуется повышенным значением температуры перехода из твердого состояния в жидкую фазу. Металлы, плавление которых осуществляется при 1875 ºC и выше, относят к группе тугоплавких металлов. По порядку возрастания температуры плавки сюда входят следующие их виды:
- Ванадий
- Хром
- Родий
- Гафний
- Рутений
- Вольфрам
- Иридий
- Тантал
- Молибден
- Осмий
- Рений
- Ниобий.
Современное производство по количеству месторождений и уровню добычи удовлетворяют только вольфрам, молибден, ванадий и хром. Рутений, иридий, родий и осмий встречаются в естественных условиях довольно редко. Их годовое производство не превышает 1,6 тонны.
Жаропрочные металлы обладают следующими основными недостатками:
- Повышенная хладноломкость. Особенно она выражена у вольфрама, молибдена и хрома. Температура перехода у металла от вязкого состояния к хрупкому чуть выше 100 ºC, что создает неудобства при их обработке давлением.
- Неустойчивость к окислению. Из-за этого при температуре свыше 1000 ºC тугоплавкие металлы применяются только с предварительным нанесением на их поверхность гальванических покрытий. Хром наиболее устойчив к процессам окисления, но как тугоплавкий металл он имеет самую низкую температуру плавления.
К наиболее перспективным тугоплавким металлам относят ниобий и молибден. Это связано с их распространённостью в природе, а, следовательно, и низкой стоимостью в сравнении с другими элементами данной группы.
Помимо этого, ниобий зарекомендовал себя как металл с относительно низкой плотностью, повышенной технологичностью и довольно высокой тугоплавкостью. Молибден ценен, в первую очередь, своей удельной прочностью и жаростойкостью.
Физико-механические свойства
Металлы с высокой температурой плавления (тугоплавкие) являются переходными элементами. Согласно таблице Менделеева выделяют 2 их разновидности:
- Подгруппа 5A – тантал, ванадий и ниобий.
- Подгруппа 6A – вольфрам, хром и молибден.
Наименьшей плотностью обладает ванадий – 6100 кг\м3, наибольшей вольфрам – 19300 кг\м3. Удельный вес остальных металлов находится в рамках этих значений. Эти металлы отличаются малым коэффициентом линейного расширения, пониженной упругостью и теплопроводностью.
Данные металлы плохо проводят электрический ток, но обладает таким качеством как сверхпроводимость. Температура сверхпроводящего режима составляет 0,05-9 К исходя из вида металла.
Абсолютно все тугоплавкие металлы отличаются повышенной пластичностью в комнатных условиях. Вольфрам и молибден помимо этого выделяются на фоне остальных металлов более высокой жаропрочностью.
Коррозионная стойкость
Жаропрочным металлам свойственна высокая стойкость к большинству видов агрессивных сред. Сопротивление коррозии элементов 5A подгрупп увеличивается от ванадия к танталу. Как пример, при 25 ºC ванадий растворяется в царской водке, между тем как ниобий полностью инертен по отношению к данной кислоте.
Тантал, ванадий и ниобий отличаются устойчивостью к воздействию расплавленных щелочных металлов. При условии отсутствия в их составе кислорода, которые значительно усиливает интенсивность протекания химической реакции.
Молибден, хром и вольфрам имеют большую сопротивляемость к коррозии. Так азотная кислота, которая активно растворяет ванадий, значительно менее воздействует на молибден. При температуре 20 ºC данная реакция вообще полностью останавливается.
Все тугоплавкие металлы охотно вступают в химическую связь с газами. Поглощение водорода из окружающей среды ниобием осуществляется при 250 ºC. Тантал при 500 ºC. Единственный способ остановить эти процессы – проведение вакуумного отжига при 1000 ºC. Стоит заметить, что вольфрам, хром и молибден куда менее склонны к взаимодействию с газами.
Как уже было сказано ранее, лишь хром отличается сопротивляемостью к окислению. Данное свойство обусловлено его способностью образовывать твердую пленку оксида хрома на своей поверхности. Растворение кислорода хромом происходит только при 700 С. У остальных тугоплавких металлов процессы окисления начинаются ориентировочно при 550 ºC.
Хладноломкость
Распространению использования жаропрочных металлов в производстве мешает обладание ими повышенной склонности к хладноломкости. Это означает, что при падении температуры ниже определенного уровня происходит резкое возрастание хрупкости металла. Для ванадия такой температурой служит отметка в -195 ºC, для ниобия -120 ºC, а вольфрама +330 ºC.
Наличие хладноломкости жаропрочными металлами обусловлено содержанием примесями в их составе. Молибден особой чистоты (99,995%) сохраняет повышенные пластические свойства вплоть до температуры жидкого азота. Но внедрение всего 0,1% кислорода сдвигает точку хладноломкости к -20 С.
Физические свойства металлов
Характеристика металлов по физическим свойствам может быть выражена в виде четырех основных пунктов.
- Металлический блеск – все имеют примерно одинаковый серебристо-белый красивый характерный блеск, кроме меди и золота. Они имеют красноватый и желтый отлив соответственно. Кальций – серебристо-голубой.
- Агрегатное состояние – все твердые при обычных условиях, кроме ртути, которая находится в виде жидкости.
- Электро- и теплопроводность – характерна для всех металлов, однако выражена в разной степени.
- Ковкость и пластичность – также общий для всех металлов параметр, который способен варьироваться в зависимости от конкретного представителя.
- Температура плавления и кипения – определяет, какой металл тугоплавкий, а какой легкоплавкий. Этот параметр разный для всех элементов.
Все физические свойства объясняются особым строением металлической кристаллической решетки. Ее пространственным расположением, формой и прочностью.
Ниобий и его сплавы
Nb, или ниобий, — при обычных условиях серебристо-белый блестящий металл. Он также является тугоплавким, поскольку температура перехода в жидкое состояние для него составляет 2477 оС. Именно это качество, а также сочетание низкой химической активности и сверхпроводимости позволяет ниобию становиться все более популярным в практической деятельности человека с каждым годом. Сегодня этот металл используется в таких отраслях, как:
- ракетостроение;
- авиационная и космическая промышленность;
- атомная энергетика;
- химическое аппаратостроение;
- радиотехника.
Этот металл сохраняет свои физические свойства даже при очень низких температурах. Изделия на его основе отличаются коррозионной устойчивостью, жаростойкостью, прочностью, отличной проводимостью.
Этот металл добавляют к алюминиевым материалам для повышения химической стойкости. Из него изготовляют катоды и аноды, им легируют цветные сплавы. Даже монеты в некоторых странах делают с содержанием ниобия.
Где и как применяются
Для всех сфер применения решающее преимущество данной группы – низкая температура плавления.
Особенности использования
На основании этого свойства легкоплавких металлов определены способы использования:
- Мягкие легкоплавы – материал пайки микросхем. Пайка обычным припоем исключена, поскольку создает перегрев, который их расплавит.
- Гораздо чаще используются сплавы. Они легкоплавки, но плотные, прочные на разрыв, химически инертны.
- Самые востребованные соединения: свинцовые, оловянные, кадмиевые, цинковые, ртутные. А также с висмутом, таллием, индием, галлием как базисным компонентом.
Области применения
Сферы применения материала: энергетика, машиностроение, электро-, радиотехника, химпром:
- Основа жидких теплоносителей, смазка.
- Выплавка моделей сложной конфигурации.
- Пожарный сегмент: термодатчики, клапаны тушения огня, другая аппаратура раннего оповещения о возгораниях.
- Основа термометров разных видов и предназначения.
- Верхний слой, предохранители, термодатчики микроэлектроники.
- Медицина. Материал протезов, фиксатор при переломах.
Это также проводники, антикоррозионные покрытия, компонент антифрикционных сплавов.
Используются уникальные свойства отдельных позиций из списка легкоплавов:
- Свинец – материал подшипников, предохранителей, аккумуляторов, оболочка кабеля. Это щит от радиоактивного излучения.
- Олово – защитный слой стали.
- Цинк – компонент латуней, анодное покрытие стальных изделий с высоким КПД.
- Галлий – заменитель ртути, сохраняющий вакуум в аппаратуре.
Легко плавящиеся сплавы образуют также щелочные металлы. На практике такие материалы используются мало из-за чрезмерной химической активности.
Самый тугоплавкий металл в мире — Справочник металлиста
С древних времен человек научился обрабатывать и использовать в своей жизни металлы.
Какие-то из них подходят для изготовления посуды и других товаров народного потребления, из других, например нержавеющая сталь, делают оружие и медицинские инструменты.
А некоторые металлы и сплавы используются для строительства сложных технических механизмов, например космический корабль или самолет
Одной из характеристик, на которую обращают внимание при выборе того или иного материала, является его тугоплавкость
Самый тугоплавкий металл вольфрам
Тугоплавкость металлов
Внимание этой характеристике уделяют все инженеры и конструкторы, работающие в машиностроении. В зависимости от величины этой характеристики, человек может рассчитать и определить в какую конструкцию можно применить те или иные тугоплавкие материалы
Материалы, температура плавления который выше температуры плавления железа, равной 1539 °С, называются тугоплавкими. Самые тугоплавкие материалы:
- тантал;
- ниобий;
- молибден;
- рений;
- вольфрам.
ТанталМолибден
Полный список содержит больше химических элементов, но не все из них получили распространенное применение в производстве и некоторые обладают меньшими температурами плавления или радиоактивны.
Вольфрам – самый тугоплавкий металл. На вид он светло-серого цвета, твердость и вес достаточно велики. Однако, он становится хрупким при низких температурах и его легко сломать (хладноломкость). Если нагреть вольфрам больше 400 °С, он станет пластичным. С другими веществами вольфрам плохо соединяется. Добывают его из сложных и редких минералов руд, таких как:
- шеелит;
- ферберит;
- вольфрамит;
- гюбнерит.
Переработка руды очень сложный и дорогостоящий процесс. Извлеченный материал формируют в бруски или готовые детали.
Гюбнерит
Вольфрам был открыт в XVIII веке, но долгое время не существовало печей, способных нагреваться до температуры плавления этого тугоплавкого металла.
Стоит отметить, что по одной из теорий, сиборгий имеет большую температуру плавления, но не удается провести достаточное количество исследований, т.к. он радиоактивен и нестабилен.
Добавление вольфрама в сталь увеличивает ее твердость, поэтому его стали применять в изготовлении режущего инструмента, что увеличило скорость резания и тем самым привело к росту производства.
Высокая стоимость и трудность обработки этого тугоплавкого металла сказываются на сферах его применения. Он используется в тех случаях, когда нет возможности применить другой. Его достоинства:
- устойчив к высоким температурам;
- повышенная твердость;
- прочный или упругий при определенных температурах;
Переработка металлической руды
Все эти характеристики помогают вольфраму найти широкое применение в различных сферах, таких как:
- металлургия, для легированных сталей;
- электротехника, для нитей накаливания, электродов и др.;
- машиностроение, в изготовлении узлов зубчатых передач и валов, редукторов и многом другом;
- авиационное производство, в изготовлении двигателей;
- космическая отрасль, применяется в соплах ракет и реактивных двигателях;
- военно-промышленный комплекс, для бронебойных снарядов и патронов, брони военной техники, в устройстве торпед и гранат;
- химическая промышленность, вольфрам обладает хорошей коррозийной стойкостью к действию кислот, поэтому из него делают сетки для фильтров. Кроме того соединения с вольфрамом используют в качестве красителей тканей, в производстве одежды для пожарных и многом другом.
Такой перечень отраслей, где используется этот тугоплавкий металл говорит о том, что его значение для человечества очень велико. Ежегодно по всему миру изготавливают десятки тысяч тон чистого вольфрама и с каждым годом потребность в нем растет.
Применение и нахождение в природе
Самый легкоплавкий металл в мире находится в природе очень рассеяно. Общая его концентрация в земной коре составляет примерно 83 мг/т, что делает его довольно редким элементом. В больших количествах он находится в глинистых сланцах и сульфидных минералах, в особенности в сфалеритах и антимонитах. Встречается в ливингстонитах и метациннабаритах.
Несмотря на свою токсичность, ртуть применяется во многих сферах, например, в металлургии, медицине, химической промышленности, машиностроении, электротехнике и даже сельском хозяйстве. Самый легкоплавкий металл подходит для наполнения энергосберегающих ламп, термометров и барометров.
В тяжёлой промышленности вещество используют для ртутнопаровых турбин, вакуумных установок и диффузионных насосов. Им наполняют измерительные приборы, аккумуляторы, сухие батареи. Ртуть участвует в производстве кондиционеров, холодильников и стиральных машин. В сельском хозяйстве её применяют в составе пестицидов.
Свойства ниобия (таблица): температура, плотность, давление и пр.:
| 100 | Общие сведения | |
| 101 | Название | Ниобий |
| 102 | Прежнее название | Колумбий |
| 103 | Латинское название | Niobium |
| 104 | Английское название | Niobium |
| 105 | Символ | Nb |
| 106 | Атомный номер (номер в таблице) | 41 |
| 107 | Тип | Металл |
| 108 | Группа | Переходный металл |
| 109 | Открыт | Чарльз Хэтчет, Великобритания, 1801 г. |
| 110 | Год открытия | 1801 г. |
| 111 | Внешний вид и пр. | Блестящий металл серебристо-серого цвета |
| 112 | Происхождение | Природный материал |
| 113 | Модификации | |
| 114 | Аллотропные модификации | |
| 115 | Температура и иные условия перехода аллотропных модификаций друг в друга | |
| 116 | Конденсат Бозе-Эйнштейна | |
| 117 | Двумерные материалы | |
| 118 | Содержание в атмосфере и воздухе (по массе) | 0 % |
| 119 | Содержание в земной коре (по массе) | 0,0017 % |
| 120 | Содержание в морях и океанах (по массе) | 1,0·10-10 % |
| 121 | Содержание во Вселенной и космосе (по массе) | 2,0·10-7 % |
| 122 | Содержание в Солнце (по массе) | 4,0·10-7 % |
| 123 | Содержание в метеоритах (по массе) | 0,000019 % |
| 124 | Содержание в организме человека (по массе) | |
| 200 | Свойства атома | |
| 201 | Атомная масса (молярная масса) | 92,90638(2) а. е. м. (г/моль) |
| 202 | Электронная конфигурация | 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d4 5s1 |
| 203 | Электронная оболочка | K2 L8 M18 N12 O1 P0 Q0 R0 |
| 204 | Радиус атома (вычисленный) | 164 пм |
| 205 | Эмпирический радиус атома* | 145 пм |
| 206 | Ковалентный радиус* | 137 пм |
| 207 | Радиус иона (кристаллический) | Nb3+ 86 (6) пм, Nb4+ 82 (6) пм, Nb5+ 78 (6) пм (в скобках указано координационное число – характеристика, которая определяет число ближайших частиц (ионов или атомов) в молекуле или кристалле) |
| 208 | Радиус Ван-дер-Ваальса | |
| 209 | Электроны, Протоны, Нейтроны | 41 электрон, 41 протон, 52 нейтрона |
| 210 | Семейство (блок) | элемент d-семейства |
| 211 | Период в периодической таблице | 5 |
| 212 | Группа в периодической таблице | 5-ая группа (по старой классификации – побочная подгруппа 5-ой группы) |
| 213 | Эмиссионный спектр излучения | |
| 300 | Химические свойства | |
| 301 | Степени окисления | -3, -1, +1, +2, +3, +4, +5 |
| 302 | Валентность | I, II, III, IV, V |
| 303 | Электроотрицательность | 1,6 (шкала Полинга) |
| 304 | Энергия ионизации (первый электрон) | 652,13 кДж/моль (6,75885(4) эВ) |
| 305 | Электродный потенциал | Nb3+ + 3e– → Nb, Eo = -1,1 В |
| 306 | Энергия сродства атома к электрону | 86,1 кДж/моль |
| 400 | Физические свойства | |
| 401 | Плотность | 8,57 г/см3 (при 0 °C/20 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – твердое тело) |
| 402 | Температура плавления* | 2477 °C (2750 K, 4491 °F) |
| 403 | Температура кипения* | 4742 °С (5015 K, 8567 °F) |
| 404 | Температура сублимации | |
| 405 | Температура разложения | |
| 406 | Температура самовоспламенения смеси газа с воздухом | |
| 407 | Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔHпл)* | 30 кДж/моль |
| 408 | Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔHкип)* | 689,9 кДж/моль |
| 409 | Удельная теплоемкость при постоянном давлении | 0,265 Дж/г·K (при 25 °C), 0,322 Дж/г·K (при 1000 °C) |
| 410 | Молярная теплоёмкость* | 24,44 Дж/(K·моль) |
| 411 | Молярный объём | 10,8 см³/моль |
| 412 | Теплопроводность | 53,7 Вт/(м·К) (при стандартных условиях), 53,7 Вт/(м·К) (при 300 K) |
| 500 | Кристаллическая решётка | |
| 511 | Кристаллическая решётка #1 | |
| 512 | Структура решётки | Кубическая объёмно-центрированная |
| 513 | Параметры решётки | 3,301 Å |
| 514 | Отношение c/a | |
| 515 | Температура Дебая | 275 K |
| 516 | Название пространственной группы симметрии | Im_ 3m |
| 517 | Номер пространственной группы симметрии | 229 |
| 900 | Дополнительные сведения | |
| 901 | Номер CAS | 7440-03-1 |
Примечание:
205* Эмпирический радиус атома ниобия согласно и составляет 146 пм.
206* Ковалентный радиус ниобия согласно и составляет 164±6 пм и 164 пм соответственно.
402* Температура плавления ниобия согласно и составляет 2468 °С (2741 K, 4474 °F) и 2470 °С (2743,15 K, 4478 °F) соответственно.
403* Температура кипения ниобия согласно и составляет 4742 °С (5015 K, 8567 °F) и 4760 °С (5033,15 K, 8600 °F) соответственно.
407* Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔHпл) ниобия согласно и составляет 26,8 кДж/моль и 28 кДж/моль соответственно.
408* Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔHкип) ниобия согласно и составляет 680 кДж/моль и 662 кДж/моль соответственно.
410* Молярная теплоёмкость ниобия согласно составляет 24,44 Дж/(K·моль).
Получение тугоплавких материалов
Как отмечалось ранее, основной препятствующий фактор производству жаропрочных металлов их высокая химическая активность, препятствующая выделению элементов в чистом виде.
Основной технологией получения остается порошковая металлургия. Данная методика позволяет получать порошки тугоплавких металлов различными способами:
- Восстановление триоксидом водорода. Процесс производится в несколько этапов, внутри многотрубных печей при 750 – 950 °С. Технология применима под порошки тугоплавких металлов: вольфрам и молибден.
- Восстановлением водородом перрената. Схема реализуется в производстве металлического рения. Рабочие температуры составляют около 500 °С. Заключительная стадия предусматривает отмывание порошка от щелочи. Для этого последовательно используется горячая вода и раствор соляной кислоты.
- Использование солей металлов. Технология развита для выделения молибдена. Основным сырьем выступает аммонийная соль металла и его металлический порошок, вводимый в смесь на уровне 5 – 15% от массы. Состав проходит термическую обработку 500 – 850 °С в проточном инертном газе. Восстановление металла проходит в атмосфере водорода при температурах 800 – 1000 °С.
Производство тугоплавких металлов – порошковая металлургия
Экскурсия на производство
Способы получения жаропрочных металлов продолжают совершенствоваться, как и химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, что связано с развитием ядерной энергетики, авиастроения, появлением новых моделей ракетных двигателей.
Одно из крупнейших предприятий по производству вольфрама на территории РФ – унечский завод тугоплавких металлов. Этот предприятие относительно молодое, строительство его началось в 2007 году на территории населенного пункта Унеча. Производственный акцент завода направлен на порошки тугоплавких металлов, точнее вольфрама и его карбидов.
В дальнейшем, для получения слитков рассыпчатую массу спекают или сдавливают прессом. Подобным образом порошки тугоплавких металлов обрабатываются для производства жаропрочных изделий.
Сплавы на основе хрома
Сплавы на основе хрома обладают высокой жаростойкостью в атмосфере воздуха и применяются для изготовления деталей, длительно работающих в газовых и жидких агрессивных средах при температурах 1100…1150 °С, кратковременно до 1500…1600 °С. Наиболее широкое распростанение получили деформируемые сплавы на основе хрома марок ВХ-1, ВХ-1Н. Химический состав сплавов приведен в табл. 13.
Механические свойства сплава ВХ-1 представлены в табл. 14.
Таблица 13. Химический состав сплавов ВХ-1, ВХ-1Н
| Марка сплава | Химический состав, % | ||||
| Cr | O | N | H | Прочие примеси | |
| ВХ-1 | 99,7 | 0,02…0,04 | 0,02…0,04 | 0,001…0,003 | 0,25 |
| ВХ-1Н | 99,2 | ≤ 0,5 | 0,001…0,03 | ≤ 0,3 | |
Таблица 14. Механические свойства сплава ВХ-1
| Марка сплава | Вид полуфабриката | Механические свойства | |||||
| σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | Ψ, % | ак, (кгс·м)/см2 | НВ | ||
| ВХ-1 | Прутки | 290 | 200 | 4 | 6 | 0,1 | 100…120 |
Свойства самых тугоплавких металлов
Так самый тугоплавкий металл в мире (вольфрам) обычно легируется рением, торием, никелем при участии меди и/или железа. Первый делает сплав более коррозионстойким, второй — более надежным, а третий — придает небывалую плотность
Следует обратить внимание, что во всех сплавах вольфрама содержится не более 4/5. Из-за того, что вольфрам одновременно и твердый, и тугоплавкий его обычно применяют в электроснабжении, строении приборов, изготовлении оружия, снарядов, боеголовок и ракет
Более плотные сплавы (на базе никеля) применяют для производства клюшек для игры в гольф. Вольфрам образует и так называемые псевдосплавы. Дело в том, что в них металл не легируется, а наполняется жидким серебром или медью. За счет разницы в температурах расплава получаются лучшие тепло и электропроводные свойства.
Молибден в отличие от вольфрама можно легировать лишь не некоторые сотые долей и получать при этом отличные свойства. Основными легирующими элементами молибдена являются: титан+цирконий и вольфрам. С последним сплав получается чрезвычайно инертным, с большим сопротивлением. Это дает возможность использовать его для изготовления форм для литья цинковых деталей. Особое направления использования молибдена — в качестве легирующего элемента в стальных сплавах. Сплавы сталь+молибден обладают хорошей износостойкостью и невысокими показателями трения. Сталь+молибден применяют в для изготовления труб, трубных конструкций, автомобиле и машиностроении.
Ниобий и тантал как братья, всегда находятся рядом. И тот и другой применяют в изготовлении электролитических конденсаторов .Ниобий иногда также легируют гафнием и титаном, чтобы он не вступал в реакцию с кислородов во время нагрева. Отжиг ниобия позволяет получать металл с разными коэффициентами упругости и твердости. Ниобий можно встретить в электроснабжении, ракето- и судостроении, ядерной промышленности и пр. Тантал же благодаря своей инертности к кислотам используется в медицине и производстве высокоточной электроники.
Самый редкий и самый дорогой металл из представленных — рений. Его сложно добывать, поэтому в сплавах он выступает не в качестве основного элемента, а в качестве легирующего. Нередким является его применение с медью и платиной. Рений упрочняет такие образования и улучшает их способность к ковке. Используется в ядерной, химической (катализатор) и электронной промышленностях.
Использование полезных свойств тугоплавких металлов и сплавов рассматривается учеными всего мира, как весьма перспективное направление научных изысканий.
Классификация
В зависимости от температуры плавления тугоплавкие металлы причисляются к основной либо дополнительной группе.
Основная группа
Данный сегмент включает пять позиций: вольфрам, ниобий, тантал, молибден, рений. Плавятся при 2200°С+.
Свойства четвёртой группы элементов
| Название | Ниобий | Молибден | Тантал | Вольфрам | Рений |
| Температура плавления | 2750 K (2477 °C) | 2896 K (2623 °C) | 3290 K (3017 °C) | 3695 K (3422 °C) | 3459 K (3186 °C) |
| Температура кипения | 5017 K (4744 °C) | 4912 K (4639 °C) | 5731 K (5458 °C) | 5828 K (5555 °C) | 5869 K (5596 °C) |
| Плотность | 8,57 г·см³ | 10,28 г·см³ | 16,69 г·см³ | 19,25 г·см³ | 21,02 г·см³ |
| Модуль Юнга | 105 ГПа | 329 ГПа | 186 ГПа | 411 ГПа | 463 ГПа |
| Твёрдость по Виккерсу | 1320 МПа | 1530 МПа | 873 МПа | 3430 МПа | 2450 МПа |
Молибден
Самый востребованный из тугоплавких элементов.
Сфера использования номер один – металлургия:
- Молибденом «усиливают» сталь, чтобы получить твердый сплав.
- На пару с нержавеющей сталью применяют как материал инфраструктуры трубопроводов, деталей автомобилей, другой продукции машиностроения.
- Благодаря температуре плавления, износостойкости, малой истираемости используется как легирующая присадка.
Например, полпроцента титана плюс 0,08% циркония создают молибденовый сплав, не снижающий прочность до 1060°C.
Неординарные параметры по трению обусловили использование молибдена как долговечной смазки с высоким КПД.
Материал незаменим для ртутных реле, поскольку амальгама с данным металлом ртутью не формируется.
Вольфрам
Открыт в конце 18 века. Самый твердый и самый тугоплавкий (3422°C) металл.
Тугоплавкий прочный металл, светло-серого цвета – вольфрамВместе с медью и железом используется как основа (до 80%) сплавов с рением, торием, никелем. Такие добавки повышают плотность, порог стойкости к ржавлению, надежность.
Востребован как материал систем электроснабжения, приборов, боеприпасов, ядерных боеголовок ракет. Никелевые сплавы как материал клюшек ценят поклонники гольфа.
Вольфрам в слитках
Тантал
Самый стойкий к кислотам, коррозии из сегмента тугоплавких металлов.
Тяжёлый твёрдый металл серого цвета – тантал
Поэтому используется в конденсаторах смартфонов, планшетов, других гаджетов.
Совместим с биологическими организмами (не меняется под воздействием природных кислот). Благодаря этому применяется медициной.
Ниобий
Металл с небанальными характеристиками:
- Самый легкий (малой плотности) в сегменте.
- Уникален благодаря свойству менять коэффициент твердости и упругости в зависимости от степени отжига.
- Самый частый в сплавах-суперпроводниках.
Применяется как материал конденсаторов, газовых турбин ракет, самолетов. А также элемент ядерных реакторов и ламп электронных приборов.
Рений
Самый редкий и дорогой из тугоплавких металлов:
- В сплавах выступает легирующим, никогда – основным компонентом.
- Как лигатура, повышает утилитарные кондиции сплава: прочность, ковкость (например, с медью и платиной).
- Обнаружен последним в тугоплавком сегменте.
Сплавы с рением служат катализаторами, начинкой электронного оборудования, гироскопов, реакторов атомных объектов.
Дополнительная группа
Данный сегмент тугоплавких металлов включает девять позиций. Их общий признак – порог плавления от 1850°C.
Сюда зачислены девять элементов из трех групп (четвертый – шестой периоды) таблицы Менделеева.
У каждого своя «изюминка»:
- Осмий – самое плотное вещество планеты, самый тяжелый тугоплав.
- Иридий встречается чаще в метеоритах, чем на Земле.
- Метаморфозы теплоемкости гафния необъяснимы наукой до сих пор.
- Рутений назван в честь России.
- Из чистого ванадия вытачивают жетоны и медали для коллекционеров.
- Титан – единственный тугоплавкий цветной металл. Материал зубных и костных протезов.
- Без циркония невозможны салюты и фейерверки. Медицинский «дублер» титана.
Тонким слоем хрома и благородного родия покрывают поверхность изделий класса люкс, включая ювелирные. Процессы называются хромированием и родированием.
Общие свойства тугоплавких металлов
Тугоплавкие металлы и их сплавы привлекают внимание исследователей из-за их необычных свойств и будущих перспектив в применении. Физические свойства тугоплавких металлов, таких как молибден, тантал и вольфрам, их показатели твёрдости и стабильность при высоких температурах делает их используемым материалом для горячей металлообработки материалов как в вакууме, так и без него
Многие детали основаны на их уникальных свойствах: например, вольфрамовые нити накаливания способны выдерживать температуры вплоть до 3073 K
Физические свойства тугоплавких металлов, таких как молибден, тантал и вольфрам, их показатели твёрдости и стабильность при высоких температурах делает их используемым материалом для горячей металлообработки материалов как в вакууме, так и без него. Многие детали основаны на их уникальных свойствах: например, вольфрамовые нити накаливания способны выдерживать температуры вплоть до 3073 K
.
Однако, их сопротивляемость к окислению вплоть до 500 °C
делает их одним из главных недостатков этой группы. Контакт с воздухом может существенно повлиять на их высокотемпературные характеристики. Именно поэтому их используют в материалах, в которых они изолированы от кислорода (например лампочка).
Сплавы тугоплавких металлов — молибдена, тантала и вольфрама — применяются в деталях космических ядерных технологий. Эти компоненты были специально созданы в качестве материала способного выдержать высокие температуры (от 1350 K
до 1900
K
). Как было указано выше, они не должны контактировать с кислородом.
Температура перехода металлов в сверхпроводящее состояние
| Металл | °К |
| Титан | 0,53 |
| Ванадий | 5,1 |
| Цирконий | 0,7 |
| Ниобий | 9,17 |
| Молибден | 0,9-0,98 |
| Гафний | 0,35 |
| Тантал | 4,40 |
| Рений | 1,7 |
| Вольфрам | 0,05 |
Таблица перевода чисел твердости
| Твердость по Роквеллу | Твердость по Виккерсу (HV) | Твердость по Бринелю (HB) | |
| По шкале С (HRC) | По шкале А (HRA) | ||
| 70 | 86,5 | 1076 | — |
| 69 | 86,0 | 1004 | — |
| 68 | 85,5 | 942 | — |
| 67 | 85,0 | 894 | — |
| 66 | 84,5 | 854 | — |
| 65 | 84,0 | 820 | — |
| 64 | 83,5 | 769 | — |
| 63 | 83,0 | 763 | — |
| 62 | 82,5 | 739 | — |
| 61 | 81,5 | 715 | — |
| 60 | 81,0 | 695 | — |
| 50 | 76,0 | 513 | — |
| 49 | 75,5 | 498 | — |
| 48 | 74,5 | 485 | — |
| 47 | 74,0 | 471 | 448 |
| 46 | 73,5 | 458 | 437 |
| 45 | 73,0 | 446 | 425 |
| 44 | 72,5 | 435 | 415 |
| 42 | 71,5 | 413 | 393 |
| 40 | 70,5 | 393 | 372 |
| 30 | — | 301 | 283 |
| 28 | — | 285 | 270 |
| 26 | — | 271 | 260 |
| 24 | — | 257 | 250 |
| 22 | — | 246 | 240 |
| 20 | — | 236 | 230 |
Упругие свойства тугоплавких металлов
| Металл | Коэффициент сжимаемости, Х106 см2/кГ | Модуль нормальной упругости, кГ/мм2 | Модуль сдвига, кГ/мм2 | Коэффициент Пуассона |
| Титан | — | 9000-10000 | — | — |
| Цирконий | 1,097 | 8960 | 3330 | 0,35 |
| Гафний | — | 9800-14060 | — | — |
| Ванадий | — | 13500 | — | — |
| Ниобий | — | 9080 | 8820 | 0,39 |
| Тантал | 0,52 | 18830 | 7000 | 0,35 |
| Хром | — | 25000 | — | — |
| Молибден | 0,347 | 33630 | 12200 | 0,31 |
| Вольфрам | 0,293 | 41500 | 15140 | 0,30 |
| Рений | — | 47000 | — | — |
| Рутений | — | 42000 | — | — |
| Родий | — | 28640 | — | — |
| Осмий | — | 57000 | — | — |
| Иридий | — | 53830 | — | — |
Коэффициент теплопроводности тугоплавких металлов
| Элемент | T °C | Коэффициент теплопроводности k Вт/м∙К |
| Ванадий | 20 | 33,2 |
| Вольфрам | 27 | 130 |
| Молибден | 27 | 162 |
| Ниобий | 27 | 53 |
| Тантал | 27 | 63 |
| Хром | 27 | 67 |
| Цирконий | 50 | 20,96 |
Термодинамические свойства тугоплавких металлов
| Элемент | Удельная теплоемкость, Дж/К∙моль | Теплота плавления, кДж/моль | Теплота испарения, кДж/моль |
| Ванадий | 0,485 | 17,5 | 460 |
| Вольфрам | 24,8 | 35 | 824 |
| Молибден | 0,251 | 28 | 590 |
| Ниобий | 0,268 | 26,8 | 680 |
| Тантал | 0,140 | 24,7 | 758 |
| Хром | 0,488 | 21 | 342 |
| Цирконий | 0,281 | 19,2 | 567 |
Обозначение символов:
- σв — предел прочности;
- σт— предел текучести;
- σ0,2 — предел текучести при котором остаточные деформации составляют 0,2 % от длины испытываемого образца;
- δ — относительное удлинение;
- ψ — относительное сужение;
- k — коэффициент теплопроводности;
- HB — твердость по Бринеллю;
- HV — твердость по Виккерсу;
- HR — твердость по Роквеллу.
Область применения
По данным USGS (Геологическое обследование США), около 80 процентов Nb используется в сталелитейной промышленности для создания высокопрочных низколегированных сталей. Свойства ниобия позволяют применять его в сплавах, что повышает механическую и жаропрочность, ударную вязкость и коррозионную стойкость.
Другие области применения его включают строительство трубопроводов, суперсплавов для жаропрочного оборудования, а также реактивные двигатели и ювелирные изделия. Ниобий, вольфрам, молибден, тантал и рений известны как пять тугоплавких металлов. Все они обладают очень высокой устойчивостью к нагреву и износу.
Ниобий используется в сталелитейной промышленности
Промышленное использование Nb началось еще в начале 1900-х годов. Крупнейшим рынком ниобия (> 80%) является производство высокопрочной низколегированной стали, где он обеспечивает высокую жаропрочность и коррозионную стойкость для газопроводов, автомобильных компонентов и конструкционной стали.
Nb, как и тантал, позволяет переменному току проходить только в одном направлении через электролизер. Металл ниобий используется в дуговых сварочных стержнях для стабилизированных марок нержавеющей стали. Наиболее интересные его применения в области сверхпроводимости. Сверхпроводящие магниты изготовлены из проволоки Nb-Zr (ниобий и цирконий), которая сохраняет сверхпроводимость в сильных магнитных полях.
Какой металл считается самым тугоплавким
Металл с давних времён используются человеком в различных сферах деятельности
Чтобы получить качественное металлическое изделие, важно подобрать хороший материал, оценивая при этом его характеристики. Важный параметр — тугоплавкость
Для изготовления некоторых изделий подходят только самые тугоплавкие металлы.
Определение
Тугоплавкий металл — отдельный класс, к которому относятся металлические заготовки, выдерживающие воздействие критически высоких температур. Обычно у представителей этого класса температура плавления более 1600 градусов, что считается точкой плавления железа. К ним относят благородные сплавы. Их ещё называют представителями платиновой группы.
Свойства
Чтобы понимать, где лучше использовать материал, нужно знать свойства тугоплавких металлов. Из них изготавливаются детали для промышленного оборудования, техники и электроники. Характеристики тяжелых тугоплавких металлов будут описаны ниже.
Физические свойства
Характеристики:
- Плотность — до 10000 кг/м3. У вольфрама этот показатель достигает 19000 кг/м3.
- Средняя температура плавления — 2500 градусов по Цельсию. Самая высокая температура плавления металла у вольфрама — 3390 градусов.
- Удельная теплоёмкость — 400 Дж.
Тугоплавкие предметы не выдерживают ударов и падений.
Химические свойства
Химические свойства:
- Это твердые вещества, обладающие высокой химической активностью.
- Прочная межатомная структура.
- Сопротивляемость длительному воздействию кислот и щелочей.
- Высокий показатель парамагнитности.
Эти материалы имеют некоторые недостатки. Главным из них является трудный процесс обработки и изготовления продукции из него.
Применение
Изначально тугоплавкие металлы использовались при изготовлении конденсаторов и транзисторов для радиоэлектроники. Количество их сфер применения увеличилось только к середине 20 века. Промышленной комплекс расширился до изготовления деталей для станков, автомобилей, самолётов и ракет.
Сплавы, выдерживающие воздействие критических температур, начали использоваться для изготовления посуды. Тугоплавкие металлы применяются в процессе производства строительных и соединительных материалов. Из них делают детали для бытовых приборов и электроники.
Самым тугоплавким считается вольфрам. Его температура плавления в 3390 градусов превышает показатели других материалов. Однако нельзя забывать про то, что при падении вольфрамовой детали с высоты, она треснет или разобьётся на отдельные части.Вольфрам — Самый ТУГОПЛАВКИЙ Металл На ЗЕМЛЕ! Остальные материалы с высоким показателем плавления, немногим отличаются от вольфрама. Используются в машиностроении, кораблестроении, ядерной энергетики, изготовлении промышленного оборудования. Их разработка и исследование продолжается и по сей день.
Какой металл считается самым тугоплавким Ссылка на основную публикацию
Что такое тугоплавкость металлов?
Суть термина должна быть ясна из самого словосочетания – это металлы, которые «туго» /тяжело плавятся. В большинстве научной и технической литературы, термин присваивается на основании минимальной температуры плавления химического элемента – от +2 200 градусов по Цельсию.
Дополнительные химические элементы относятся к так называемой расширенной группе тугоплавких металлов – 9 веществ + 5 из основной группы. Существуют и другие металлы, у которых температура плавления входит в промежуток тугоплавких веществ, но они расположены в периодической системе за ураном (трансурановые).
В силу нестабильности изотопов + малого распространения по земной поверхности, трансурановые металлы не относят к группе тугоплавких.
Физические/химические свойства тугоплавких металлов:
- если не брать в расчет углерод с осмием, температурные показатели для плавления у веществ не имеет конкурентов в таблице Менделеева;
- высокий порог сопротивления к деформации вещества под постоянным воздействием давления механического типа (деформация ползучести). У обычных металлических элементов оговоренный порог начинается от 220 градусов, а у тугоплавких от 15000 градусов. Именно потому ковать железо куда проще, нежели изделие с ниобия или другого тугоплавкого вещества;
- благодаря простоте вступления в реакции соединения с прочими химическими элементами, найти тугоплавкие металлы в чистом виде почти нереально;
- на открытом воздухе тугоплавкие металлы окисляются очень медленно. Почти сразу на поверхности образовывается защитный слой в виде пленки;
- при нагревании неплавких металлов, те становятся уязвимыми к коррозии. Повышается их хрупкость + теряется 50%+ свойств.
Физические свойства тугоплавких металлов сильно отличаются из-за их принадлежности к различным группам. Все 100% элементов – тугоплавкие, но только 25% из них можно отнести к жаростойким. Подобное различие обусловлено сменой физических свойств при нагревании химического элемента. Металл может стать подвержен действиям агрессивных сред, таких как щелочи и кислоты. Детальнее по каждому из тугоплавких металлов будет ниже.
