Тугоплавкие металлы

Химические свойства тугоплавких металлов схожи. Некоторая общность атомного строения определяет их физические, химические и физико-химические свойства, а, следовательно, и некоторые общие черты поведения в природе и технологии получения. Они имеют близкое электронное строение атомов и являются переходными элементами. Общность атомного строения состоит в способности атомов тугоплавких металлов отдавать электроны наружных s- и d-уровней, а также участвовать в образовании химических связей за счет частично заполненных d- и свободных р-орбиталей. В связи с этим атомы тугоплавких металлов обладают высокой активностью, которая определяет трудность сохранения ряда их соединений в стабильном состоянии. Так как межатомные связи в них очень прочные, эти металлы имеют высокую температуру плавления, повышенную механическую прочность, твердость, электрическое сопротивление. Как правило, эти металлы химически устойчивы к действию воздуха и многих агрессивных сред при низких температурах и небольшом нагревании, но становятся активными при повышенных. Поэтому при высоких температурах их эксплуатация осуществляется, как правило, в вакууме или в атмосфере инертных газов.

Эти металлы, кроме высокой температуры кипения, плавления и, соответственно, высокой температуры рекристаллизации, имеют одинаковую кристаллическую решетку — объемно-центрированную кубическую решетку (См. Структурные типы кристаллов, структура вольфрама), (кроме Re и Hf), не имеют полиморфных переходов (кроме Hf), обладают высокой плотностью выше плотности железа (кроме V и Cr) и малым коэффициентом теплового расширения (кроме V). Для металлов, имеющих ОЦК-структуру, характерно охрупчивание при определенных температурах (исключение – Ta). Температура этого перехода зависит от природы металла, его чистоты, от размера зерна и других факторов. Так как эти металлы имеют высокую температуру перехода в хрупкое состояние, то их пластическое деформирование должно проводиться в нагретом состоянии.

Из-за высокой активности тугоплавких металлов выделение их в чистом виде технологически затруднено. Производство тугоплавких металлов характеризуется многостадийностью и сложностью технологических переделов. При получении тугоплавких металлов чаще всего используются методы порошковой металлургии, используется плавка электронным или лазерным лучом, зонная плавка, плазменная обработка и другие методы.

Механические свойства полученных металлов в значительной мере зависят от их чистоты, степени деформации и условий термообработки. Металлы высокой чистоты могут быть получены химическими способами (ионная хроматография, йодидное рафинирование, дистилляция и ректификация галогенидов и других соединений металлов), электрометаллургическими (дуговая, электронно-лучевая, плазменная и лазерная плавки, зонная перекристаллизация с вытягиванием монокристаллов и др.) и электрохимическими в расплавленных средах (электролитическое рафинирование, электрохимическое восстановление галогенидов, окислов и других соединений). Механическая обработка этих металлов трудна и часто требует их подогрева.

Изделия из тугоплавких металлов, как правило, получают методами порошковой металлургии (прессованием и спекание порошков) или методами электровакуумных технологий (плавлением электронным или лазерным лучом, плазменной обработкой и др.).

Самую высокую Т_пл имеет вольфрам. В связи с высокой Т_пл получение вольфрама в виде компактного слитка затруднено. Характерной особенностью вольфрама, отличающего его от других металлов, является высокая внутрикристаллическая прочность при очень слабом сцеплении между отдельными зернами, Поэтому спеченные изделия, обладающие мелкозернистым строением, хрупки и легко ломаются. В результате механической обработки ковкой и волочением вольфрам приобретает волокнистую структуру и излом его весьма затруднен. Этим объясняется гибкость тонких вольфрамовых нитей. При нагревании тянутого вольфрама до высоких температур начинается процесс рекристаллизации, т. е. укрупнение зерен. Для улучшения механических свойств вольфрама различные присадки. Вольфрам обладает наименьшим температурным коэффициентом линейного расширения среди всех чистых металлов. Поэтому из него изготавливают спаи с тугоплавкими стеклами, которые тоже имеют низкий температурный коэффициент линейного расширения.

Молибден — металл, по технологии обработки близкий к вольфраму. Микроструктура спеченного, кованого и тянутого молибдена сходна со структурой аналогично обработанного вольфрама; нерекристаллизованный молибден по механическим свойствам близок к вольфраму, но в рекристаллизованном состоянии отожженный мелкозернистый молибден характеризуется высокой пластичностью. Улучшение структуры и повышение механической прочности происходит при введении специальных присадок (окиси кремния или тория и др.). Среди всех тугоплавких металлов молибден обладает наименьшим удельным сопротивлением. Высокая прочность молибдена в сочетании с хорошей пластичностью делают его одним из лучших проводниковых материалов для изготовления деталей сложной конфигурации, работающих при высоких температурах. Его используют в качестве нагревательных элементов электрических печей, Такие элементы в защитной атмосфере могут устойчиво работать при температурах 1700^оС, при которых еще слабо выражены процессы рекристаллизации.

Тантал, так же как вольфрам и молибден, получают методом порошковой металлургии, процесс спекания прессованных штабиков осуществляется в вауумных печах, так как тантал поглощает газы и становится хрупким. Механические операции ковки и протяжки в отличие от вольфрама и молибдена, производят при комнатной температуре, и в отличие от вольфрама и молибдена тантал не становится хрупким при нагревании в вакууме до высоких температур. Тантал используется в вакуумной технологии в качестве испарителей при осаждении тонких пленок различных веществ, его используют при производстве конденсаторов и тонкопленочных резисторов.

Ниобий обладает высокой газопоглощающей способностью в интервале температур 400-900^оС, Поэтому в электровакуумных приборах конструктивные детали из ниобия одновременно выполняли функцию нераспыляемого геттера. Среди тугоплавких металлов ниобий имеет наименьшую работу выхода электронов. Поэтому его применяют в качестве накаливаемых катодов в мощных генераторных лампах. Среди всех элементарных веществ ниобий имеет самую высокую критическую температуру перехода в состояние сверхпроводимости (9, 2К). Поэтому его и соединения на его основе применяют для изготовления сверхпроводящих магнитов, СВЧ волноводов и т. д. В электровакуумной технике ниобий применяют для производства анодов, экранов и других деталей, а также для получения пленочных резисторов в микросхемах.

Платиновые металлы тоже относятся к группе тугоплавких, но по технической классификации их относят к благородным металлам.

Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе, несмотря на дефицитность и высокую стоимость, являются основными проводниковыми материалами в электровакуумной промышленности. Они находят широкое применения в различных областях, их используют и самостоятельно, и в виде добавок в стали, работающие при высоких температурах, а также в различных сплавах, в частности, в качестве жаропрочных материалов (в самолётостроении, ракетной и космической технике, атомной энергетике, высокотемпературной технике). Применяются сплавы тугоплавких металлов, такие, как сплавы вольфрама с молибденом, молибдена с рением, вольфрама с рением, тантала с вольфрамом и др. Изменением содержания компонентов удается получать необходимые механические свойства и пластичность при заданных электрических и термических свойствах. Тугоплавкие металлы и их сплавы используются в качестве конструкционных материалов также в машиностроении, морском судостроении, электронной, электротехнической, химической, атомной промышленности и в др. отраслях техники.