для чего используются сплавы тугоплавких и благородных металлов

Тугоплавкие металлы

Тугоплавкие металлы были выделены в отдельный класс благодаря объединяющему их свойству — высокой температуре плавления. Она выше, чем у железа, которая равна 1539 °C. Поэтому металлы данной группы и получили такое название. Они принадлежат к числу так называемых редкоземельных элементов. Так, например, по распространённости в земной коре ниобий и тантал составляют 3%, а цирконий только 2%.

По температурному показателю плавления кроме перечисленных, к ним относятся металлы, так называемой платиновой группы. Ещё их называют благородными или драгоценными.

Определённая схожесть строения атома обусловила схожесть их свойств. На основании этого можно обобщить некоторые черты проявления таких металлов в земной коре и определиться с технологией их добычи, производства и переработки.

Свойства тугоплавких металлов

За счёт того, что они расположены в соседних группах периодической таблицы, физические свойства у тугоплавких металлов достаточно близкие:

Физические свойства тугоплавких металлов

Химические свойства также достаточно схожие:

К основным недостаткам тугоплавких металлов относятся:

Производство тугоплавких металлов

Все способы производства тугоплавких металлов основаны на методиках так называемой порошковой металлургии. Сам процесс происходит в несколько этапов:

Применение тугоплавких металлов

Начиная со второй половины двадцатого века тугоплавкие металлы стали применяться во многих отраслях промышленного производства. Порошки тугоплавких металлов используются для производства первичной продукции. Тугоплавкие металлы вырабатывают в виде проволоки, слитков, арматуры, прокатного металла и фольги.

Отдельное место такие металлы занимают в технологии выращивания лейкосапфиров. Они относятся к классу монокристаллов и называются искусственными рубинами.

Изделия из тугоплавких металлов входят в состав бытовых и промышленных электрических приборов, огнеупорных конструкций, деталей для двигателей авиационной и космической техники. Особое место занимают тугоплавкие металлы при производстве деталей сложной конфигурации.

Вольфрам

Этот металл открыли в далёком 1781 г. Его температура плавления равна 3380 °С. Поэтому он на сегодняшний день является самым тугоплавким металлом. Получают вольфрам из специального порошка, подвергая его химической обработке. Этот процесс основан на прессовании с последующим спеканием при высоких температурах. Далее его подвергают ковке и волочению на станках. Это связано с его наибольшей тугоплавкостью. Так получают волокнистую структуру (проволоку). Она достаточно прочная и практически не ломается. На конечном этапе его раскатывают в виде тонких нитей или гибкой ленты. Для проведения механической обработки необходимо создать защитную среду из инертного газа. В этой среде температура должна превышать 400 °С. При температуре окружающей среды он приобретает свойства парамагнетика. Ему присущи следующие недостатки:

Для улучшения свойств вольфрама (тугоплавкости, устойчивости к коррозии, износостойкости) в него добавляют легирующие металлы. Например, рений и торий.

Металл используется для производства нитей накаливания для осветительных и сушильных ламп. Его добавляют в сварочные электроды, элементы электронных ламп и рентгеновских трубок. Также применяется при производстве элементов ракет, в реактивных двигателях, артиллерийских снарядах.

Молибден

По внешнему виду и характеристикам очень похож на вольфрам. Главным отличием является то, что его удельный вес почти в два раза меньше. Его получают аналогичным образом. Он широко применяется в радиоэлектронной промышленности, для изготовления различных испарителей в вакуумной технике, разрывных электрических контактов. Как и вольфрам, он является парамагнетиком. Для изготовления электродов стекловаренных (стеклоплавильных) печей он просто незаменим.

Ниобий

Температура плавления ниобия составляет 2741 °С. По своим химическим, физическим и механическим свойствам очень напоминает тантал. Он достаточно пластичен. Обладает хорошей свариваемостью и высокой теплопроводностью даже без дополнительного нагрева. Как и все остальные металлы его получают из порошка. Конечные заготовки из ниобия – проволока, лента, труба.

Сам металл и его сплавы демонстрируют эффект сверхпроводимости. Его широко применяют для изготовления анодов, экранных и антидинатронных сеток в электровакуумных приборах. Благодаря хорошей пористости, его успешно применяют в качестве газопоглотителей. В микроэлектронике он идёт на изготовление резисторов в микросхемах.

Ниобий хорошо себя проявил в качестве легирующей добавки. Используется при создании различных жаростойких конструкций, агрегатов работающих в агрессивных и радиоактивных средах. Из сплава стали и ниобия изготавливают некоторые элементы реактивных двигателей. Благодаря его свойству не взаимодействовать с радиоактивными веществами при высоких температурах, например, с ураном, применяется при изготовлении оболочек для урановых элементов, отводящих тепло в реакторах.

Тантал

Внешне имеет светло-серый цвет с небольшим голубоватым оттенком. Температура плавления близка к 3000 °С. Хорошо поддается основным видам обработки. Его можно ковать, прокатывать, производить волочение для изготовления проволоки. Эти операции не требуют значительного нагрева. Для удобства дальнейшего использования тантал изготавливают в форме фольги и тонких листов. Повышение температуры вызывает активное взаимодействие со всеми газами, кроме инертных – с ними никаких реакций не наблюдается.

Из тантала производят внутренние элементы генераторных ламп (магнетронов и клистронов). Он активно используется при производстве пластин в электролитических конденсаторах. Очень удобен для изготовления пленочных резисторов. Активно применяется для изготовления так называемых лодочек в испарителях, в которых осуществляется термическое напыление различных материалов на тонкие пленки.

Ввиду ряда своих уникальных качеств, считается незаменимым в ядерной, аэрокосмической и радиоэлектронной промышленности.

Рений

Был открыт позже всех из перечисленных ранее металлов. Он полностью оправдывает свое название «редкоземельный металл», потому что находится в небольших количествах в составе руды других металлов, таких как платина или медь. В основном его используют как легирующую добавку. Полученные сплавы приобретают хорошие характеристики прочности и ковкости. Это один из самых дорогих металлов, поэтому его применение приводит к резкому увеличению цены всего оборудования. Те не менее, его применяют в качестве катализатора.

Хром — уникальный металл. Широко применяется в промышленности благодаря своим замечательным свойствам: прочности, устойчивости к внешним воздействиям (нагреву и коррозии), пластичности. Достаточно твердый, но хрупкий металл. Имеет серо-стальной цвет. Весь необходимый хром извлекают из руды двух видов хромита железа или окиси хрома.

Основными его свойствами являются:

Он используется в металлургической, химической, строительной индустриях. Хром, как легирующая добавка, обязательно используется для производства различных марок нержавеющей стали. Особое место занимает при изготовлении такого материала как нихром. Этот материал способен выдерживать очень высокие температуры. Поэтому его используют в различных нагревательных элементах. Хромом активно покрывают поверхности различных деталей (металла, дерева, кожи). Это процесс осуществляется с помощью гальваники.

Токсичность некоторых солей хрома используют для сохранения древесины от повреждения, вредного воздействия грибков и плесени. Они также хорошо отпугивают муравьёв, термитов, насекомых разрушителей деревянных конструкций. Солями хрома обрабатывают кожу. Хром применяется при изготовлении различных красителей.

Благодаря высокой теплостойкости его используют как огнеупорный материал для доменных печей. Каталитические свойства соединений хрома успешно используют при переработке углеводородов. Его добавляют при производстве магнитных лент наивысшего качества. Именно он обеспечивает низкий коэффициент шума и широкую полосу пропускания.

Источник

Тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, ниобий, тантал

Вольфрам входит в 4-ю группу периодической системы Менделеева. Его атомный номер 74, атомная масса 183,85. Природный вольфрам состоит из смеси пяти изотопов

Массовые числа изотопов: 180 182 183 184 186

Содержание природной смеси 0,13 26,31 14,28 30,64 28,64

Определение

Большинство определений термина тугоплавкие металлы определяют их как металлы имеющие высокие температуры плавления. По этому определению, необходимо, чтобы металлы имели температуру плавления выше 4,000 °F (2,200 °C). Это необходимо для их определения как тугоплавких металлов. Пять элементов — ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений входят в этот список как основные, в то время как более широкое определение этих металлов позволяет включить в этот список ещё и элементы имеющие температуру плавления 2123 K (1850 °C) — титан, ванадий, хром, цирконий, гафний, рутений и осмий. Трансурановые элементы (которые находятся за ураном, все изотопы которых нестабильны и на земле их найти очень трудно) никогда не будут относиться к тугоплавким металлам.

Тугоплавкие сплавы на основе вольфрама

Представителем таких сплавов является сплав вольфрама и ниобия ВВ2 с температурой жаропрочности до 1200°C. Для повышения коррозионной стойкости и тугоплавкости вольфрамовые сплавы легируют рением. А для повышения износостойкости торием.

Характеристика механических свойств металлов

Таблица прочности металлов поможет определить предел прочности тугоплавкого металла при растяжении, а также показатель прочности каждого вида.

Сплавы на основе молибдена

Молибден и его сплавы являются наверное самыми частоиспользуемыми из всех тугоплавких. В промышленности часто используются сплавы легированные цирконием, бором, титаном, ниобием: сплавы ЦМ3, ЦМ6, ЦМ2А, ВМ3

Твердость

Применение

Тугоплавкие металлы используются в качестве источников света, деталей, смазочных материалов, в ядерной промышленности в качестве АРК, в качестве катализатора. Из-за того, что они имеют высокие температуры плавления, они никогда не используются в качестве материала для выплавки на открытом месте. В порошкообразном виде материал уплотняют с помощью плавильных печей. Тугоплавкие металлы можно переработать в проволоку, слиток, арматуру, жесть или фольгу.

Сплавы ниобия

Тёмная часть сопла Apollo CSM сделана из сплава титан-ниобий.

Ниобий почти всегда находится вместе с танталом; ниобий был назван в честь Ниобы, дочери Тантала в греческой мифологии. Ниобий находит множество путей для применения, некоторые он разделяет с тугоплавкими металлами. Его уникальность заключается в том, что он может быть разработан путём отжига для того, чтобы достичь широкого спектра показателей твёрдости и упругости; его показатель плотности самый малый по сравнению с остальными металлами данной группы. Он может применяться в электролитических конденсаторах и является самым частым металлом в суперпроводниковых сплавах. Ниобий может применяться в газовых турбинах воздушного судна, в электронных лампах и ядерных реакторах.

Сплав ниобия C103, который состоит из 89 % ниобия, 10 % гафния и 1 % титана, находит своё применение при создании сопел в жидкостных ракетных двигателях, например таких как Apollo CSM (англ.). Применявшийся сплав не позволяет ниобию окисляться, так как реакция происходит при температуре от 400 °C.

Тантал

Тантал является самым стойким к коррозии металлом из всех тугоплавких металлов.

Важное свойство тантала было выявлено благодаря его применению в медицине — он способен выдерживать кислую среду (организма). Иногда он используется в электролитических конденсаторах. Применяется в конденсаторах сотовых телефонов и компьютера.

Сплавы рения

Рений является самым последним открытым тугоплавким элементом из всей группы. Он находится в низких концентрациях в рудах других металлов данной группы — платины или меди. Может применяться в качестве легирующего компонента с другими металлами и придает сплавам хорошие характеристики — ковкость и увеличивает предел прочности. Сплавы с рением могут применяться в компонентах электронных приборов, гироскопах и ядерных реакторах. Самое главное применение находит в качестве катализатора. Может применяться при алкилировании, деалкилировании, гидрогенизации и окислении. Его столь редкое присутствие в природе делает его самым дорогим из всех тугоплавких металлов.

Удельная прочность тугоплавких металлов

В таблице представлена удельная прочность металлов, рассчитанная при комнатной температуре. В общих случаях она зависима от чистоты и способа получения металла. По результатам сравнительного анализа видны преимущества таких металлов как Nb и Mo. Они значительно выигрывают по сравнению с Ta и W. Выделенное объективно до температуры в 1370 °С.

Общие свойства тугоплавких металлов

Таблица перевода чисел твердости

Упругие свойства тугоплавких металлов

Коэффициент теплопроводности тугоплавких металлов

Термодинамические свойства тугоплавких металлов

Обозначение символов:

Источник

9 Тугоплавкие и благородные металлы и сплавы

8. Тугоплавкие и благородные металлы и сплавы

8.1. Общая характеристика тугоплавких металлов и их сплавов

Традиционно к тугоплавким металлам относят металлы, имеющие температуру плавления выше, чем у железа (1539 °С), исключая из этого ряда при этом металлы групп платины и урана и некоторые редкоземельные металлы. Поэтому к группе тугоплавких металлов относят ванадий, вольфрам, гафний, молибден, ниобий, рений, тантал, технеций, титан, хром, цирконий. Все эти элементы относятся к металлам переходных групп. Самостоятельное применение в прикладном материаловедении в качестве конструкционных материалов и материалов с особыми свойствами (исключая из рассмотрения титан, свойства и применение которого приведены ранее) находят V, W, Mo, Nb, Ta, Zr. Физические свойства этих металлов приведены в таблице 8.1.

Рекомендуемые файлы

Удельное электросо-противление, мкОм*см

Тип кристалли-ческой решетки

Ниже приведены специфичекие свойства отдельных металлов и области их применения в технике.

Ванадий. Стоек против окисления до 600 °С, имеет относительно небольшую плотность. Сплавы ванадия используются в авиационной, ракетной и атомной технике, а также в химической промышленности благодаря их высокой коррозионной стойкости.

Молибден. Имеет высокие значения модуля упругости, электропроводности, теплопроводности и малый коэффициент термического расширения. Технический Мо хрупок при комнатной температуре (из-за высокого содержания примесей внедрения), плохо сваривается и сильно окисляется при повышенных температурах. Наибольшее распространение в странах СНГ приобрел жаропрочный сплав ЦМ-2А (0,15% Ti, 0,12% Zr), имеющий при 1200 °С sв =220 Н/мм 2 и d =18%. Молибден и его сплавы, наряду с ниобием и сплавами на его основе, являются наиболее перспективными материалами для изготовления обшивки и деталей каркаса ракет и сверх-звуковых самолетов.

Тантал. Обладает высокой пластичностью до очень низкой температуры. Для сплавов тантала характерны высокая прочность и высокая температура рекристаллизации (например, 1600 °С для сплава Ta+20% W). Сплавы тантала с вольфрамом, выпускаемые промышленностью, имеют структуру твердых растворов и применяются как жаропрочные материалы. Чистый тантал применяют в электронной технике для изготовления пружин, конденсаторов, сопротивлений и т.д. Из тугоплавких металлов тантал является наиболее кислотостойким: он не подвергается коррозии в кипящей серной кислоте при ее концентрации до 80%.

8.2. Специфика применения тугоплавких металлов и сплавов в

машиностроении и исследовательских приборах

Вольфрам, молибден, тантал и сплавы на их основе, учитывая их высокое электрическое сопротивление, используют для изготовления нагревательных элементов высокотемпературных (выше 1200°С) термических печей (в виде проволоки и ленты, площадь поперечного сечения которых зависит от необходимой мощности печи), а также нагревательных устройств исследовательских приборов и установок, например, высокотемпературных рентгеновских установок, электронных микроскопов и т.д., для проведения исследований при высоких температурах (до 2500 °С). Учитывая высокую окисляемость тугоплавких металлов, такие нагревательные элементы должны работать в вакууме, либо в атмосфере инертных газов.

Ниобий и сплавы на его основе легче других материалов переходят в сверхпроводящее состояние. Чистый ниобий имеет самую высокую критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние: 9,17 К

(- 263,83 °С). Практическое использование находят сверхпроводящие сплавы 65 БТ (в среднем 65% Nb, 25% Ti, 10% Zr) с Ткр=9,7 К, 35 БТ ( 35% Nb, 62% Ti, 3% Zr). Эти сплавы применяют для обмоток мощных генераторов, магнитов большой мощности (например, в поездах на магнитной подушке), туннельных диодов для компьютеров.

8.3. Благородные металлы

К благородным металлам относят золото, серебро, металлы группы платины, а также сплавы на их основе. Свойства благородных металлов приведены в таблице 8.2.

Источник

Тугоплавкие и благородные металлы, их применение в электронике и микроэлектронике

9.1 К тугоплавким относят металлы с температурой плавления превышающей 1700° С. Как правило, они химически устойчивы при низких температурах, но становятся активными при повышенных. Эксплуатация их при высоких температурах возможна в атмосфере инертных газов (такие газы имеют полностью завершенную электронную оболочку) или в вакууме.

Эти металлы чаще всего получают методами порошковой металлургии – прессовкой и спеканием порошков. В электронной технике получают распространение методы электровакуумной технологии производства чистых тугоплавких металлов: плавка электронным или лазерным лучом, зонная очистка, плазменная обработка и другие. Механическая обработка этих металлов трудна и часто требует их подогрева. Основными тугоплавкими металлами являются: вольфрам (W), молибден (Mo), тантал (Ta), ниобий (Nb), хром (Cr), ванадий (V), титан (Ti), цирконий (Zr) и рений (Re).

Тугоплавкие металлы применяются в качестве испарителей в установках для вакуумного осаждения тонких пленок. Их особенность – малое давление насыщенного пара. Это условие – основное требование к материалу испарителя.

1. СплавыW – Mo (вольфрам – молибден). Эти металлы хорошо сплавляются и образуют непрерывный ряд сплавов – твердых растворов. Сплавы обладают более высокими по сравнению с молибденом температурами плавления и рекристаллизации, механической прочностью. В то же время они более вязкие и легче обрабатываются, чем вольфрам. Используются в вакуумной технике в виде проволок или лент для пружин, крючков, держателей катодов прямого накала или нитей ламп накаливания, а также для подогревателей катодов косвенного накала. Рабочая температура таких деталей не выше 1500° С.

2. Тантал (Та) и Ниобий (Nb) Содержание Тантала в земной коре очень мало как и Ниобия. Получение тантала и ниобия связано с переработкой огромных количеств руды и с необходимостью вести металлургический процесс в вакууме. Кроме того, операция отделения тантала от ниобия очень сложна. Тантал после обжига в вакууме является одним из самых пластичных металлов уже при комнатной температуре. Механическая обработка ведется только в холодном состоянии, так как тантал чувствителен к кислороду и азоту. Ниобий и его сплавы переходят в сверхпроводящее состояние при сравнительно высокой температуре: Nb – 9 К, соединения – до 22 К и поэтому применяется для изготовления сверхпроводящих магнитов, СВЧ резонаторов, волноводов, криотронов. Ниобий и тантал обладают близкими свойствами, сопутствуют друг другу в рудах и их разделение является сложной и дорогостоящей операцией. Поэтому в промышленности получают их сплавы без разделения металлов. Широко применяют ТН 3 и ТН 20. Области применения аналогичны танталу и ниобию.

3. Цирконий (Zr). В природе встречается преимущественно в виде минералов циркония ZrSiO₄ и бразилита или бадеилита ZrO₂. Цирконий обладает высокой химической активностью к кислороду, углероду, азоту, поэтому процесс получения чистого циркония ведется в вакууме или в среде инертного газа (аргона). Цирконий хорошо поглощает газы при T = 400…1500° С, поэтому его применяют в электровакуумной промышленности в качестве конструкционного материала для изготовления деталей, работающих при высоких температурах (аноды, сетки ламп), служащих одновременно и газопоглотителями. Цирконий служит припоем для пайки вольфрамовых изделий.

4. Никель(Ni). Никель является одним из наиболее распространенных элементов. Чистый никель получают переплавкой «сырого» никеля в вакууме или в атмосфере водорода и др. Никель, используемый в электровакуумных приборах, не должен содержать легкоиспаряющиеся примеси (кадмий, цинк, фосфор, мышьяк, сурьма, сера и прочее). Никель на воздухе при 400…500° С покрывается защитной оксидной пленкой NiO Никель магнитен. Теряет магнетизм при 631 К.

9.2 К благородным металлам относят платину (Pt), палладий (Pd), золото (Au) и серебро (Ag). Химическая инертность по отношению к составляющим атмосферы; в том числе и при повышенной температуре, делает благородные металлы и сплавы незаменимыми для изготовления терморезисторов, термопар и нагревательных элементов, работающих в особых условиях, ответственных электрических контактов, выводов интегральных микросхем и полупроводниковых приборов.

1. Платина и ее сплавы. Из платиновых руд гидрометаллургическим способом получают губчатую платину чистоты 99 %. Химически чистая платина предназначена для изготовления чувствительных элементов терморезисторов. Сплавы платины с родием применяются для термоэлектродов термопар. Работа с проволокой платины должна вестись в условиях исключающих возможность загрязнения ее поверхности другим металлом, огнеупорами, графитом, органическими соединениями. Даже незначительная деформация (например, изгиб, намотка) приводит к уменьшению R₁₀₀/R₀ (отношение их омических сопротивлений при 100° С и при 0° С). Для восстановления этих свойств платину необходимо обжечь, нагрев до 800…850° С и выдержать 30…60 минут.

2. Палладий (Pd) и его сплавы. Палладий по внешнему виду напоминает платину, но легче ее и имеет меньшую температуру плавления. В чистом виде мягок, пластичен, легко поддается обработке. По многим свойствам палладий очень близок к платине, но дешевле ее в 4 раза. Применяется как покрытие в скользящих контактах с небольшим контактным усилием.

3. Золото. Золото – блестящий металл желтого цвета обладающий высокой пластичностью. В электронике часто применяют как коррозионно-устойчивый контактный материал. Существенным преимуществом золота является его устойчивость к образованию сернистых и окисных пленок при контакте с атмосферой. Золотом покрывают контактные площадки и выводы микросхем.

4. Серебро. Серебро белый, блестящий металл, стойкий к окислению при нормальной температуре. Серебро среди всех металлов обладает наименьшим удельным сопротивлением. Широкое применение серебро получило при изготовлении контактов различных мощностей. Действительно, обладая низким удельным сопротивлением и высокой теплопроводностью, а также достаточной коррозионной стойкостью серебро обеспечивает низкий нагрев контактов и быстрый отвод тепла от контактных точек. Серебро применяют также для нанесения контактов непосредственно на диэлектрик при производстве слюдяных и керамических конденсаторов. В связи с высокой электропроводностью серебра его применяют для серебрения волноводов, проводов высокочастотных катушек. Недостатки: склонность к диффузии его атомов внутрь диэлектрика в условии повышенной влажности, склонность к образованию темных пленок Ag₂S вследствие реакции с сероводородом. Поэтому применение серебра вблизи серосодержащих материалов (резина, эбонит и др.) не рекомендуется. Серебро хорошо паяется обычными припоями. Широкое применение серебра ограничивается в основном малым его содержанием в природе, и, как следствие, высокой ценой.

Тугоплавкие и благородные металлы, их применения в электронике и микроэлектронике.

К тугоплавким относят металлы с температурой плавления превышающей 1700° С. Как правило, они химически устойчивы при низких температурах, но становятся активными при повышенных. Эксплуатация их при высоких температурах возможна в атмосфере инертных газов или в вакууме.

Эти металлы чаще всего получают методами порошковой металлургии – прессовкой и спеканием порошков. В электронной технике получают распространение методы электровакуумной технологии производства чистых тугоплавких металлов: плавка электронным или лазерным лучом, зонная очистка, плазменная обработка и другие. Механическая обработка этих металлов трудна и часто требует их подогрева. Основными тугоплавкими металлами являются: вольфрам (W), молибден (Mo), тантал (Ta), ниобий (Nb), хром (Cr), ванадий (V), титан (Ti), цирконий (Zr) и рений (Re).

Тугоплавкие металлы применяются в качестве испарителей в установках для вакуумного осаждения тонких пленок. Их особенность – малое давление насыщенного пара. Это условие – основное требование к материалу испарителя.

Вольфрам

Основная область применения – нити ламп накаливания. В этой области вольфрам не имеет конкурентов. Впервые применил его для этой цели Лодыгин в 1890 году.

Вольфрам важный металл электровакуумной техники – электродоподогреватели, пружины в электронных лампах, рентгеновских трубках. Применяются марки ВА (с Al) и ВТ (c Th₂O₃). ВТ имеет хорошие эмиссионные свойства за счет снижения работы выхода.

Молибден

Молибден по внешнему виду и по технологии обработки близок к вольфраму. Важнейшей промышленной рудой является молибденит (MoS₂).

Микроструктура спеченного (опресованного) кованного и тянутого молибдена сходна со структурой аналогично обработанных образцов вольфрама. Но в отличие от вольфрама обожженный мелкозернистый молибден характеризуется высокой пластичностью. Поэтому механическая обработка молибдена не представляет особых затруднений.

Добавки в виде SiO, Th₂O₃ улучшают структуру и повышают механическую прочность.

Молибден более активен, чем вольфрам. При 300° С начинает окисляться, а при 600° С образуется трёхокись МоО₃, которая при 700° С быстро испаряется.

Среди всех тугоплавких металлов молибден имеет наименьшее удельное электрическое сопротивление r = 0,048 мкОм×м.

Из молибдена изготавливаются сетки и электроды электронных ламп, рентгеновских трубок и различные вспомогательные детали электровакуумных приборов с напряженным тепловым режимом. Молибден используется также в качестве нагревательных элементов нагревательных печей. Такие элементы в защитной среде могут устойчиво работать при температуре 1700 °С.

Промышленностью молибден выпускается следующих марок: МЧ (молибден чистый) и МК (с присадкой окиси кремния).

Молибден в паре с вольфрамом дает термопару, пригодную для измерения температуры до 2000° С в неокисляющей среде.

СплавыW – Mo (вольфрам – молибден)

Эти металлы хорошо сплавляются и образуют непрерывный ряд сплавов – твердых растворов. Сплавы обладают более высокими по сравнению с молибденом температурами плавления и рекристаллизации, механической прочностью и удельным сопротивлением. В то же время они более вязкие и легче обрабатываются, чем вольфрам.

Зависимость важнейших физических свойств сплавов вольфрам – молибден от массового содержания молибдена имеет вид (рис. 15):

Рис. 15. Физические свойства сплава вольфрам-молибден

Исходным материалом для получения сплавов вольфрам – молибден является смесь порошков вольфрама и молибдена или их оксидов WO₃ и MoO₃. Скорость взаимной диффузии этих металлов велика, поэтому при температуре спекания прессованного из смеси порошков изделия легко образуется их твердый раствор, который затем подвергается механической обработке.

В России выпускают две марки сплавов вольфрам – молибден. МВ 20 (20 % вольфрама) и MB 50 (50 % вольфрама) в виде проволок диаметром 0,02…1,0 мм.

Используются в вакуумной технике в виде проволок или лент для пружин, крючков, держателей катодов прямого накала или нитей ламп накаливания, а также для подогревателей катодов косвенного накала. Рабочая температура таких деталей не выше 1500° С.

Тантал (Та)

Получение тантала и ниобия связано с переработкой огромных количеств руды и с необходимостью вести металлургический процесс в вакууме. Кроме того, операция отделения тантала от ниобия очень сложна.

Получение непористого металла ведется методом порошковой металлургии подобно вольфраму и молибдену.

Тантал после обжига в вакууме является одним из самых пластичных металлов уже при комнатной температуре. Механическая обработка ведется только в холодном состоянии, так как тантал чувствителен к кислороду и азоту.

Широко применяется фольга толщиной 6-50 мкм для изготовления электролитических конденсаторов.

Применяется также в электровакуумных приборах. При Т = 600…1200 °С является не только конструкционным материалом, но и поглотителем газов (аноды и сетки генераторных ламп, вспомогательные детали).

Ниобий (Nb)

Физико-механические свойства Ниобия приведены в табл. 8.

По химическим и механическим свойствам ниобий является аналогом тантала, но проявляет несколько большую активность.

Ниобий дорогой металл и применяется в ответственных электровакуумных приборах (генераторные лампы, рентгеновские трубки – аноды, экраны, сетки, катоды прямого накала).

Ниобий имеет очень малую работу выхода электронов. Поэтому применяется в качестве трубчатого катода в мощных генераторных лампах.

Физические свойства ниобия

Ниобий и его сплавы переходят в сверхпроводящее состояние при сравнительно высокой температуре: Nb – 9 К, соединения – до 22 К и поэтому применяется для изготовления сверхпроводящих магнитов, СВЧ резонаторов, волноводов, криотронов.

Ниобий и тантал обладают близкими свойствами, сопутствуют друг другу в рудах и их разделение является сложной и дорогостоящей операцией. Поэтому в промышленности получают их сплавы без разделения металлов. Широко применяют ТН 3 и ТН 20. Области применения аналогичны танталу и ниобию.

Цирконий (Zr)

Элемент четвертой группы таблицы Менделеева, довольно распространенный, но рассеянный металл. В природе встречается преимущественно в виде минералов циркония ZrSiO₄ и бразилита или бадеилита ZrO₂.

Цирконий обладает высокой химической активностью к кислороду, углероду, азоту, поэтому процесс получения чистого циркония ведется в вакууме или в среде инертного газа (аргона).

Физические свойства циркония

Цирконий хорошо поглощает газы при T = 400…1500° С, поэтому его применяют в электровакуумной промышленности в качестве конструкционного материала для изготовления деталей, работающих при высоких температурах (аноды, сетки ламп), служащих одновременно и газопоглотителями. Цирконий служит припоем для пайки вольфрамовых изделий.

Никель(Ni)

Никель является одним из наиболее распространенных элементов. Содержание в земной коре 0,003 %. В природе встречается в виде полиметаллических руд: пентландит NiS·FeS, никелевый блеск NiS₂·NiAs₂. Металлургия никеля сложна и зависит от состава исходного сырья. Чистый никель получают переплавкой «сырого» никеля в вакууме или в атмосфере водорода, или электролитическим рафинированием, или карбонильным методом (обработкой СО).

Никель, используемый в электровакуумных приборах, не должен содержать легкоиспаряющиеся примеси (кадмий, цинк, фосфор, мышьяк, сурьма, сера и прочее), причем содержание серы должно быть не более 0,005…0,008 %, так как она снижает механическую прочность.

Физические свойства никеля

Никель на воздухе при 400…500° С покрывается защитной оксидной пленкой NiO.

Никель магнитен. Теряет магнетизм при 631 К.

Применяется в электровакуумных приборах при t 3Температура плавления1770 °КУдельное сопротивление ρ алюминия при 20 °С0,098 мкОм×м

Химически чистая платина предназначена для изготовления чувствительных элементов терморезисторов.

Сплавы платины с родием: ПР10 (10 % родия), ПР6, ПР30 – применяются для термоэлектродов термопар.

Важным показателем терморезисторов является отношение сопротивлений R₁₀₀/R₀, то есть отношение их омических сопротивлений при 100° С и при 0° С. По этому показателю платина подразделяется на несколько марок:

Марки платины, выпускаемые промышленностью России

Работа с проволокой платины должна вестись в условиях исключающих возможность загрязнения ее поверхности другим металлом, огнеупорами, графитом, органическими соединениями. Даже незначительная деформация (например, изгиб, намотка) приводит к уменьшению R₁₀₀/R₀. Для восстановления этих свойств платину необходимо обжечь, нагрев до 800…850° С и выдержать 30…60 минут.

Применяются термопары (табл. 13):

Температурные пределы применения термопар

Сплавы платины с иридием (Ir), родием (Rh), никелем (Ni) применяются для контактных материалов ПлИ-10, ПлИ-25, ПлН-4,5, ПлРд-10.

Источник