Как за несколько минут расплавить самый тугоплавкий материал в мире?

Металлы — это самый распространенный материал (наряду с пластмассами и стеклом), который применяется людьми с древних времен. Уже тогда человеку была известна характеристика металлов, он с выгодой использовал все их свойства для создания прекрасных произведений искусства, посуды, предметов быта, сооружений.

Кстати рекомендую точный анализатор металлов и сплавов купить от компании олимпас-нк.рф по самым выгодным ценам.

Одной из главных черт при рассмотрении этих веществ является их твердость и тугоплавкость. Именно эти качества позволяют определять область использования того или иного металла. Поэтому рассмотрим все физические свойства и особое внимание уделим вопросам плавкости.

Физические свойства металлов

Характеристика металлов по физическим свойствам может быть выражена в виде четырех основных пунктов.

1. 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.
2. Агрегатное состояние — все твердые при обычных условиях, кроме ртути, которая находится в виде жидкости.
3. Электро- и теплопроводность — характерна для всех металлов, однако выражена в разной степени.
4. Ковкость и пластичность — также общий для всех металлов параметр, который способен варьироваться в зависимости от конкретного представителя.
5. 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.

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.

Легкоплавкие и тугоплавкие металлы

Данный параметр является очень важным, когда речь заходит об областях применения рассматриваемых веществ. Тугоплавкие металлы и сплавы — это основа машино- и кораблестроения, выплавки и литья многих важный изделий, получения качественного рабочего инструмента. Поэтому знание температур плавления и кипения играет основополагающую роль.

Характеризуя металлы по прочности, можно разделить их на твердые и хрупкие. Если же говорить о тугоплавкости, то здесь выделяют две основные группы:

1. Легкоплавкие — это такие, которые способны менять агрегатное состояние при температурах ниже 1000 оС. Примерами могут служить: олово, свинец, ртуть, натрий, цезий, марганец, цинк, алюминий и другие.
2. Тугоплавкими считаются те, чья температура плавления выше обозначенной величины. Их не так много, а на практике применяется еще меньше.

Таблица металлов, имеющих температуру плавления свыше 1000 оС, представлена ниже. Именно в ней и располагаются самые тугоплавкие представители.

Данная таблица металлов включает в себя всех представителей, чья температура плавления выше 1000 оС. Однако на практике многие из них не применяются по различным причинам. Например, из-за экономической выгоды или вследствие радиоактивности, слишком высокой степени хрупкости, подверженности коррозионному воздействию.

Также из данных таблицы очевидно, что самый тугоплавкий металл в мире — это вольфрам. Наименьший показатель у золота. При работе с металлами важное значение имеет мягкость. Поэтому многие из обозначенных выше также не используются в технических целях.

Получение тугоплавких материалов

Основная трудность, встречающаяся при получении тугоплавких металлов и сплавов, это их высокая химическая активность, которая мешает быть элементу в чистом виде.

Установка для получения тугоплавких металлов

Наиболее распространенной технологией получения считается порошковая металлургия. Существует несколько способов получить порошок тугоплавкого металла.

1. Восстановление с помощью триоксида водорода. Такой метод включает в себя несколько этапов, оборудование для обработки — это многотрубные печи, с диапазоном температур от 750 до 950 °С. Данный способ применяется для получения молибдена и вольфрама.
2. Восстановление водородом из перрената аммония. При температуре около 500 °С, на заключительном этапе, полученный порошок, отделяют от щелочей с помощью кислот и воды. Применяется для получения рения.
3. Соли различных металлов также применяются для получения порошка молибдена. Например, используют соль аммония металла и его порошок не более 15% от общей массы. Смесь нагревается до 500-850 °С при помощи инертного газа, а затем технология производства предусматривает провести восстановление водородом при температуре 850 — 1000 °С.

Производство тугоплавких металлов

Полученный этими способами порошок в дальнейшем подвергают к спеканию в специальные формы, для дальнейшей транспортировки и хранения.

На сегодняшний день, эти способы получения чистых тугоплавких металлов продолжают дорабатываться и применяются новые техники извлечения материала из горных пород. С развитием ядерной энергетики, космической отрасли, металлургии, мы в скором времени сможем наблюдать появление новых методов, возможно более дешевых и простых.

Наиболее тугоплавкий металл — вольфрам

В периодической системе располагается под порядковым номером 74. Название получил по фамилии известного физика Стивена Вольфрама. При обычных условиях представляет собой твердый тугоплавкий металл серебристо-белого цвета. Обладает ярко выраженным металлическим блеском. Химически практически инертен, в реакции вступает неохотно.

В природе содержится в виде минералов:

• вольфрамит;
• шеелит;
• гюбнерит;
• ферберит.

Учеными было доказано, что вольфрам — наиболее тугоплавкий металл из всех существующих. Однако существуют предположения о том, что сиборгий теоретически способен побить рекорд этого металла. Но он является радиоактивным элементом с очень коротким периодом существования. Поэтому доказать это пока невозможно.

При определенной температуре (свыше 1500 оС) вольфрам становится ковким и пластичным. Поэтому возможно изготовление тонкой проволоки на его основе. Это свойство используется для изготовления нитей накаливания в обычных бытовых электрических лампочках.

Как наиболее тугоплавкий металл, выдерживающий температуры больше 3400 оС, вольфрам применяется в следующих областях техники:

• как электрод при аргонной сварке;
• для получения кислотоустойчивых, износостойких и жаростойких сплавов;
• в качестве нагревательного элемента;
• в вакуумных трубках как нить накаливания и прочее.

Помимо металлического вольфрама, широко применяются в технике, науке и электронике его соединения. Как самый тугоплавкий металл в мире он и соединения формирует с очень высококачественными характеристиками: прочные, устойчивые практически ко всем видам химического воздействия, не подвергающиеся коррозии, выдерживающие низкие и высокие температуры (победит, сульфид вольфрама, его монокристаллы и другие вещества).

Технология получения

Исходник большинства тугоплавов – руда.

Процесс традиционен:

1. Из нее удаляют примеси.
2. Рафинируют (восстанавливают нужный элемент). Способ восстановления зависит от требуемой степени чистоты металла. Поэтому задействуют дугообразную, электронно-лучевую либо плазменную плавку.
3. Лучший продукт дает плазма. Он представляет собой мелкие гранулы, порошок либо заготовки (проволока, фольга, слитки, арматура, прокат).

Технология плавления специфична, поэтому таким сырьем занимаются специальные предприятия. В СССР их было всего два.

Обработка тугоплавких металлов возможна только методами порошковой металлургии.

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.

Физические и механические свойства

Тугоплавкие металлы входят в группу переходных элементов. Таблица Менделеева различает две их разновидности:

• ниобий, тантал, ванадий входят в подгруппу 5А;
• хром, вольфрам и молибден – в подгруппу 6А.

Самая небольшая плотность у ванадия (6100 кг/м3), а максимальная у вольфрама (19300 кг/м3). Остальные металлы по показателю удельной плотности находятся в пределах этих рамок. Все они обладают низким коэффициентом линейного расширения, малой теплопроводностью и упругостью. Элементы плохо проводят электроток, но отличаются сверхпроводимостью. В зависимости от вида элемента температура сверхпроводимости колеблется в пределах от 0,05 до 9 К.

Примечательно, что при комнатной температуре тугоплавким металлам присуща высокая пластичность. Кроме того, молибдену и вольфраму свойственна повышенная жаропрочность на фоне остальных элементов. Не все элементы обладают высокой степенью жаростойкости. Большая часть тугоплавких металлов устойчивы к агрессивному воздействию щелочи или кислоты в обычной среде. Но при нагреве до 400 градусов их активность резко увеличивается. По этой причине материалы нуждаются в создании особых условий эксплуатации. В высокотемпературной рабочей среде их нередко помещают в особую атмосферу инертных газов или разреженный до состояния вакуума воздух.

Общим для всех элементов показателем является высокая степень химической активности. Именно эта особенность заметно усложняет получение чистых элементов, вызывая необходимость построения многоэтапной технологической цепочки.

Кроме того, определенные сложности с применением жаропрочных металлов в промышленном производстве объясняются их повышенной склонностью к хладноломкости. Иными словами, при снижении температуры рабочей среды до определенной отметки материал становится хрупким. Ванадий проходит эту отметку на -195 градусах, ниобий на -120, а вольфрам на +330 градусах по шкале Цельсия. Эта особенность объясняется присутствием некоторых примесей в составе металлов.

Тантал

Металл, в свободном виде и при обычных условиях покрытый оксидной пленкой. Обладает набором физических свойств, которые позволяют ему быть широко распространенным и очень важным для человека. Его основные характеристики следующие:

1. При температуре свыше 1000 оС становится сверхпроводником.
2. Это наиболее тугоплавкий металл после вольфрама и рения. Температура плавления составляет 3017 оС.
3. Прекрасно поглощает газы.
4. С ним легко работать, так как он прокатывается в пласты, фольгу и проволоку без особого труда.
5. Обладает хорошей твердостью и не хрупкий, сохраняет пластичность.
6. Очень устойчив к воздействию химических агентов (не растворяется даже в царской водке).

Благодаря таким характеристикам сумел завоевать популярность как основа для многих жаропрочных и кислотоустойчивых, антикоррозионных сплавов. Его многочисленные соединения находят применение в ядерной физике, электронике, приборах вычислительного плана. Используются как сверхпроводники. Раньше тантал использовался как элемент в лампах накаливания. Сейчас его место занял вольфрам.

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

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.

Молибдену требуется пара процентов лигатур в составе, чтобы свойства сплава изменились.

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 – вольфрам

Вместе 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

Вольфрам, его сплавы востребованы там, где нужна повышенная плотность в условиях запредельных температур.

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.

В природе ниобий и тантал соседи. Не случайно названы по именам отца и дочери – Тантала и Ниобы, персонажей древнегреческих мифов.

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.

Вместе с гафнием и титаном – материал двигателей космических аппаратов (например, американского Аполлона).

Хром и его сплавы

Один из самых твердых металлов, в естественном виде голубовато-белой окраски. Его температура плавления ниже, чем у рассмотренных до сих пор элементов, и составляет 1907 оС. Однако он все равно используется в технике и промышленности повсеместно, так как хорошо поддается механическим воздействиям, обрабатывается и формуется.

Особенно ценен хром в качестве напылителя. Его наносят на изделия для придания им красивого блеска, защиты от коррозии и повышения износостойкости. Процесс называется хромированием.

Сплавы хрома очень популярны. Ведь даже небольшое количество этого металла в сплаве значительно увеличивает твердость и устойчивость последнего к воздействиям.

Цирконий

Один из самых дорогих металлов, поэтому применение его в технических целях затруднено. Однако физические характеристики делают его просто незаменимым во многих других отраслях.

При обычных условиях это красивый серебристо-белый металл. Обладает достаточно высокой температурой плавления — 1855 оС. Имеет хорошую твердость, устойчивость к коррозии, так как химически не активен. Также отличается великолепной биологической совместимостью с кожей человека и всего организма в целом. Это делает его ценным металлом для использования в медицине (инструменты, протезы и так далее).

Основные области применения циркония и его соединений, в том числе сплавов, следующие:

• ядерная энергетика;
• пиротехника;
• легирование металлов;
• медицина;
• изготовление биопосуды;
• конструкционный материал;
• как сверхпроводник.

Из циркония и сплавов на его основе изготавливаются даже украшения, способные влиять на улучшение состояния здоровья человека.

При какой температуре плавится

Металлические элементы, какими бы они ни были – плавятся почти один в один. Этот процесс происходит при нагреве. Оно может быть, как внешнее, так и внутреннее. Первое проходит в печи, а для второго используют резистивный нагрев, пропуская электричество либо индукционный нагрев. Воздействие выходит практически схожее. При нагреве, увеличивается амплитуда колебаний молекул. Образуются структурные дефекты решётки, которые сопровождаются обрывом межатомных связей. Под процессом разрушения решётки и скоплением подобных дефектов и подразумевается плавление.

У разных веществ разные температуры плавления. Теоретически, металлы делят на:

1. Легкоплавкие – достаточно температуры до 600 градусов Цельсия, для получения жидкого вещества.
2. Среднеплавкие – необходима температура от 600 до 1600 ⁰С.
3. Тугоплавкие – это металлы, для плавления которых требуется температура выше 1600 ⁰С.

Плавление железа

Температура плавления железа достаточно высока. Для технически чистого элемента требуется температура +1539 °C. В этом веществе имеется примесь – сера, а извлечь ее допустимо лишь в жидком виде.

Без примесей чистый материал можно получить при электролизе солей металла.

Плавление чугуна

Чугун – это лучший металл для плавки. Высокий показатель жидкотекучести и низкий показатель усадки дают возможность эффективнее пользоваться им при литье. Далее рассмотрим показатели температуры кипения чугуна в градусах Цельсия:

• Серый – температурный режим может достигать отметки 1260 градусов. При заливке в формы температура может подниматься до 1400.
• Белый – температура достигает отметки 1350 градусов. В формы заливается при показателе 1450.

Важно! Показатели плавления такого металла, как чугун – на 400 градусов ниже, по сравнению со сталью. Это значительно снижает затраты энергии при обработке.

Плавление стали

Плавления стали при температуре 1400 °C

Сталь – это сплав железа с примесью углерода. Её главная польза – прочность, поскольку это вещество способно на протяжении длительного времени сохранять свой объем и форму. Связано это с тем, что частицы находятся в положении равновесия. Таким образом силы притяжения и отталкивания между частицами равны.

Справка! Сталь плавится при 1400 °C.

Плавление алюминия и меди

Температура плавления алюминия равна 660 градусам, это означает то, что расплавить его можно в домашних условиях.

Чистой меди – 1083 градусов, а для медных сплавов составляет от 930 до 1140 градусов.

Молибден

Если выяснять, какой металл самый тугоплавкий, то, помимо обозначенного вольфрама, можно назвать и молибден. Его температура плавления составляет 2623 оС. При этом он достаточно твердый, пластичный и поддающийся обработке.

Используется он в основном не в чистом виде, а как составной компонент сплавов. Они, благодаря присутствию молибдена, значительно укрепляются в износостойкости, жаропрочности и антикоррозийности.

Некоторые соединения молибдена используют как технические смазки. Также этот металл является легирующим материалом, одновременно влияющим и на прочность, и на антикоррозийность, что встречается очень редко.

Что такое температура плавления

Каждый металл имеет неповторимые свойства, и в этот список входит температура плавления. При плавке металл уходит из одного состояния в другое, а именно из твёрдого превращается в жидкое. Чтобы сплавить металл, нужно приблизить к нему тепло и нагреть до необходимой температуры – этот процесс и называется температурой плавления. В момент, когда температура доходит до нужной отметки, он ещё может пребывать в твёрдом состоянии. Если продолжать воздействие – металл или сплав начнет плавиться.

Рений и сплавы на его основе

Какой металл самый тугоплавкий после вольфрама? Это рений. Его показатель плавкости составляет 3186 оС. По прочности превосходит и вольфрам, и молибден. Пластичность его не слишком высока. Спрос на рений очень велик, а вот добыча составляет сложности. Вследствие этого он является самым дорогим металлом из существующих на сегодняшний день.

Применяется для изготовления:

• реактивных двигателей;
• термопар;
• нитей накаливания для спектрометров и прочих устройств;
• как катализатор при нефтепереработке.

Все области применения дорогостоящие, поэтому он используется только в случае крайней необходимости, когда заменить чем-либо другим возможности нет.

Виды и области применения

Благодаря своим уникальным качествам тугоплавкие металлы очень полезны для различных областей применения и отраслей. Их основные преимущества:

• Сверхвысокая точка плавления. В частности, к тугоплавким металлам относятся вольфрам, молибден и тантал, которые применяются при производстве стекла;
• Прочность при сверхвысоких температурах. Например, конусы ракет, сделанные из вольфрама, имеют вдвое большую прочность на разрыв, чем железо при нормальных температурах;
• Превосходная стойкость к истиранию и износу, что позволяет продлить срок службы седел клапанов, уплотнений, форсунок и других участков, подверженных сильному износу;
• Отличная коррозионная стойкость, поэтому особо ответственные трубопроводы на химических предприятиях обычно изготавливаются из тугоплавких металлов;
• Устойчивость к тепловому удару. В частности, вольфрамовые изделия могут противостоять нагрузкам, вызванным быстрым расширением из-за резких перепадов температуры;
• Тепловая и электрическая проводимость, вследствие чего из вольфрама и молибдена изготавливают детали радиаторов;
• Чрезвычайная твердость, поэтому высокостойкий режущий штамповый и бурильный инструмент производят из карбида вольфрама;
• Высокая плотность тугоплавких металлов – причина их применения при изготовлении головок клюшек для гольфа и авиационных гироскопов.

Кроме того, эти материалы используются в качестве катализаторов химических реакций, при процессах ядерного синтеза и т.д.

К тугоплавким металлам относятся получившие особое распространение вольфрам, молибден, ниобий, тантал, рений и хром. Об особенностях их применения – далее.

Вольфрам

Вольфрам — самый распространенный среди тугоплавких металлов. Он имеет самую высокую температуру плавления и одну из самых высоких плотностей. Обладает также высокой устойчивостью к коррозии. Широко используется в проволочных волокнах, например, в большинстве ламп накаливания, используемых в домах, а также в промышленных дуговых лампах и прочей технике для освещения.

Молибден

Молибден — наиболее используемый тугоплавкий металл из всех, потому что он дешевле, чем большинство других, и, когда он превращен в сплав, может быть очень устойчивым к ползучести и высоким температурам. Он также не образует амальгам, что делает его устойчивым к коррозии.

Молибден используется для упрочнения стальных сплавов, особенно в конструкционных трубопроводах и насосно-компрессорных трубах. Этот металл также обладает отличными антифрикционными качествами, что делает его идеальным компонентом масел и смазок, используемых в автомобилях.

Ниобий

Обладает оптимальным сочетанием пластичности и прочности. Его можно использовать при изготовлении электролитических конденсаторов, сверхпроводников, ядерных реакторов и электронных ламп.

Тантал

Более других устойчив к коррозии, поэтому находит применение в медицине (особенно – хирургии), а также в средах с повышенной кислотностью. Тантал также является основным компонентом компьютерных, телефонных и конденсаторных цепей.

Рений

Известен своей высокой прочностью на разрыв и пластичностью. Он широко используется в ядерных реакторах, гироскопах и других электрических компонентах. Из-за своей редкости рений очень дорог. Понятие коррозионной стойкости особенно актуально именно для рения, потому что он очень летуч. Может терять устойчивость к воздействию кислорода при высоких температурах, поскольку оксидный слой активно испаряется.