H | Hej | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Li | Være | B | VS | IKKE | O | F | Født | |||||||||||
Ikke relevant | Mg | Al | Ja | P | S | Cl | Ar | |||||||||||
K | Det | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Eller | Cu | Zn | Ga | Ge | Es | Se | Br | Kr | |
Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | CD | I | Sn | Sb | Du | jeg | Xe | |
Cs | Ba | Det | * | Hf | Dit | W | Re | Knogle | Ir | Pt | På | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | På | Rn |
Fr | Ra | Ac | ** | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og |
* | Det her | Pr | Nd | Om eftermiddagen | Sm | Havde | Gd | TB | D y | Ho | Er | Tm | Yb | Læs | ||||
** | Th | Pa | U | Np | Kunne det | Er | Cm | Bk | Jf | Er | Fm | Md | Ingen | Lr |
__ Ildfaste metaller | __ Bredere definition af ildfaste metaller | __ Ildfaste metalloider |
De ildfaste metaller er en klasse af metaller, der er ekstremt modstandsdygtige over for varme og slid . Udtrykket bruges mest i sammenhæng med materialevidenskab , metallurgi og teknik . Definitionen af de elementer, der hører til denne gruppe, kan variere. Med den mest almindelige definition inkluderer denne gruppe 5 elementer, to fra den femte periode , niob og molybdæn , og tre fra den sjette periode , tantal , wolfram og rhenium . De deler alle nogle egenskaber, for eksempel, de har alle en højere smeltepunkt til 2000 ° C . De er kemisk inerte og har en relativt høj densitet. Deres høje smeltepunkt gør pulvermetallurgi til en valgfri metode til fremstilling af komponenter af disse metaller. Nogle af deres applikationer omfatter værktøjer til metalbearbejdning ved høje temperaturer, metalfilamenter, forme og beholdere til kemiske reaktioner i korrosive miljøer. Delvis på grund af deres høje smeltepunkt, ildfaste metaller behøver ikke flyde ved meget høje temperaturer.
De fleste definitioner af udtrykket "ildfaste metaller" nævner det usædvanligt høje smeltepunkt som en væsentlig betingelse. Ifølge en af definitionerne er et smeltepunkt over 2200 ° C nødvendigt for at blive bibeholdt. Følgende fem elementer: niob , molybdæn , tantal , wolfram og rhenium er inkluderet i alle definitioner, mens en bredere definition, inklusive alle grundstoffer med et smeltepunkt over 1850 ° C , omfatter et omtrentligt antal på yderligere ni grundstoffer, titanium , vanadium , krom , zirconium , hafnium , ruthenium , osmium og iridium . De transuranske elementer (dem ud over uran , som er ustabile og ikke findes naturligt på jorden) betragtes aldrig som en del af de ildfaste metaller.
Efternavn | Niob | Molybdæn | Tantal | Wolfram | Rhenium |
---|---|---|---|---|---|
Fusionspunkt | 2477 ° C | 2.623 ° C | 3017 ° C | 3422 ° C | 3.186 ° C |
Kogepunkt | 4.744 ° C | 4.639 ° C | 5 458 ° C | 5555 ° C | 5596 ° C |
Massefylde | 8,57 g · cm -3 | 10,28 g · cm -3 | 16,69 g · cm -3 | 19,25 g · cm -3 | 21,02 g · cm -3 |
Youngs modul | 105 GPa | 329 GPa | 186 GPa | 411 GPa | 463 GPa |
Vickers hårdhed | 1320 MPa | 1.530 MPa | 873 MPa | 3430 MPa | 2.450 MPa |
Smeltepunkterne for ildfaste metaller er de højeste af alle grundstoffer undtagen kulstof , osmium og iridium. Dette høje smeltepunkt definerer de fleste af deres applikationer. Alle disse metaller har en krystalstruktur af den centrerede kubiske type undtagen rhenium, som er en kompakt stak af kugler . De fleste af de fysiske egenskaber for elementerne i denne gruppe varierer meget, fordi de er medlemmer af forskellige grupper i det periodiske system.
Krybning modstand er en vigtig egenskab af ildfaste metaller. I metaller, initiering af krybning korrelerer med smeltepunktet af materialet, den krybning af aluminium legeringer starter fra 200 ° C , mens det for ildfaste metaller temperaturer over 1500 ° C er nødvendige. Denne modstandsdygtighed over for høje temperaturdeformationer gør ildfaste metaller modstandsdygtige over for stærke kræfter ved høje temperaturer, for eksempel i jetmotorer eller slagværktøjer .
Ildfaste metaller viser en lang række kemiske egenskaber, fordi de er en del af tre forskellige grupper i elementernes periodiske system . De oxideres let, men denne reaktion nedsættes i det faste metal ved dannelsen af stabile oxidlag på overfladen. Imidlertid er rheniumoxid mere flygtigt end metallet, og derfor går stabilisering ved iltangreb ved høj temperatur tabt, fordi oxidlaget fordamper. De er alle relativt stabile over for syrer.
Ildfaste metaller anvendes i belysning , værktøj, smøremidler , nukleare reaktionskontrolstænger , som katalysatorer og til deres kemiske eller elektriske egenskaber. På grund af deres høje smeltepunkt fremstilles ildfaste metalkomponenter aldrig ved støbning . Den pulvermetallurgi proces anvendes. Rent metalpulver komprimeres, opvarmes ved hjælp af en elektrisk strøm, og andre fremstilles ved koldbearbejdning med udglødningstrin. Ildfaste metaller kan bearbejdes i ledninger, barrer , stænger , ark eller ark.
Wolfram blev opdaget i 1781 af den svenske kemiker Carl Wilhelm Scheele . Wolfram har det højeste smeltepunkt for alle metaller ved 3.410 ° C ( 6.170 ° F ).
Rhenium bruges i wolframlegeringer op til en hastighed på 22%, det forbedrer modstandsdygtighed ved høj temperatur og korrosionsbestandighed. Thorium som legeringsforbindelse anvendes, når elektriske buer skal etableres. Dette letter kontakten og stabiliserer buen. Ved pulvermetallurgi skal bindemidler anvendes i sintringsprocessen . Til fremstilling af tung wolframlegering anvendes bindemiddelblandinger af nikkel og jern eller nikkel og kobber i vid udstrækning. Wolframindholdet i legeringen er normalt over 90%. Diffusionen af bindingselementerne i wolframkornene er lav, selv ved sintringstemperaturer, og derfor forbliver det indre af kornene udgjort af ren wolfram.
Wolfram og dets legeringer bruges ofte til applikationer, der involverer høje temperaturer, men stadig hvor der kræves høj styrke, og høj tæthed er ikke et problem. Wolframfilamenter findes i langt størstedelen af glødelamper til husholdninger, men er også almindelige i belysningsindustrien som elektroder i buelamper. Effektiviteten ved at konvertere elektrisk energi til lys i lamper øges med højere temperaturer, derfor er et højt smeltepunkt vigtigt for påføring som glødetråd. I TIG-gassvejsning bruger udstyret en permanent, ikke-smeltbar elektrode . Det høje smeltepunkt og slidstyrken mod lysbue gør wolfram til et egnet materiale til elektroden. Høj densitet og hårdhed er også væsentlige egenskaber, der favoriserer brugen af wolfram i missiler , for eksempel som et alternativ til kinetisk energipenetratorer til tankkanoner. Den høje smeltepunkt af wolfram gør det til et godt materiale til applikationer som raket dyser , for eksempel i de UGM-27 Polaris . Nogle af anvendelserne af wolfram er ikke relateret til dets ildfaste egenskaber, men simpelthen dens densitet. For eksempel bruges det i balancevægte til fly og helikoptere eller til hovederne på golfklubber . I disse applikationer kan lignende tætte materialer, såsom det dyrere osmium, også anvendes.
Molybdænlegeringer anvendes i vid udstrækning, fordi de er billigere end højere wolframlegeringer. Den mest anvendte legering er TZM-molybdæn, en titanium - zirconium- molybdæn- legering , der består af 0,5% titanium og 0,08% zirconium (resten er molybdæn). Legeringen udviser lavere krybning og ved forhøjede temperaturer, hvilket gør brugstemperaturer over 1060 ° C mulige for dette materiale. Den høje resistivitet af Mo-30W, en legering af 70% molybdæn og 30% wolfram, mod smeltet zinkangreb, gør det til et ideelt materiale til zinkstøbning. Det bruges også til at konstruere ventiler til smeltet zink.
Molybdæn bruges i relæer med befugtede kviksølvkontakter, fordi molybdæn ikke samler sig og derfor er modstandsdygtig over for korrosion af flydende kviksølv .
Molybdæn er det mest anvendte ildfaste metal. Dens vigtigste anvendelse er til opbygning af en legering af stål . Strukturelle rør og rør indeholder ofte molybdæn såvel som mange rustfrit stål. Dens høje temperaturstyrke, slidstyrke og lave friktionskoefficient er de egenskaber, der gør den uvurderlig som en legeringsmasse. Dens disulfid , molybdenit , har fremragende antifriktionsegenskaber, der fører til dets inkorporering i fedt og olier, hvor pålidelighed og ydeevne er kritisk. CV-samlinger til biler bruger fedt indeholdende molybdæn. Molybdenit binder let til metal og danner en meget hård, friktionsbestandig belægning. De fleste af verdens molybdæn malm er fundet i Kina , det USA , Chile, og Canada .
Niobium findes næsten altid forbundet med tantal og blev opkaldt efter Niobe , datteren til den græske mytologiske konge Tantalum, der gav metallet sit navn. Niobium har mange anvendelser, hvoraf nogle deler det med andre ildfaste metaller. Det er unikt ved, at det kan udglødes for at opnå en bred vifte af styrker og elasticiteter og er den mindst tætte af de ildfaste metaller. Det kan også findes i elektrolytiske kondensatorer og i superledende legeringer . Niob kan findes i gasturbiner fra fly , de elektroniske rør og atomreaktorer .
En legering, der anvendes til raketforstærkere , såsom i hovedmotoren til Apollo-månemoduler , er C103, som består af 89% niob, 10% hafnium og 1% titanium. En anden nioblegering blev brugt til dysen på Apollo servicemodul. Da niob oxiderer ved temperaturer over 400 ° C , er det nødvendigt med en beskyttende belægning til disse applikationer for at forhindre legeringen i at blive sprød.
Tantal er et af de mest korrosionsbestandige tilgængelige stoffer.
Der er fundet flere vigtige anvendelser for tantal på grund af denne egenskab, især inden for det medicinske og kirurgiske område såvel som i sure miljøer . Det bruges også til at fremstille elektrolytiske kondensatorer af højere kvalitet. Tantalfilm kommer på andenpladsen i kapacitet pr. Volumen enhed blandt ethvert stof lige efter airgel , og tillade miniaturisering af elektroniske komponenter og kredsløb . De mobiltelefoner og computere indeholder tantal kondensatorer.
Rhenium er det senest opdagede ildfaste metal. Det findes i lave koncentrationer med mange andre metaller, i malme af andre ildfaste metaller, platin eller kobber . Det er nyttigt som legeringselement med andre ildfaste metaller, hvor det tilføjer duktilitet og trækstyrke. Rheniumlegeringer findes i elektroniske komponenter, gyroskoper og atomreaktorer. Rhenium finder sin vigtigste anvendelse som katalysator. Det bruges som en katalysator i reaktioner såsom alkylering , dealkylering, hydrogenering og oxidation . Imidlertid gør dets sjældenhed det dyreste af de ildfaste metaller. Det øger oxidationskinetikken, når den er til stede i en legering med wolfram.
Ildfaste metaller og legeringer har tiltrukket forskernes opmærksomhed på grund af deres bemærkelsesværdige egenskaber og deres lovende praktiske udsigter.
De fysiske egenskaber ved ildfaste metaller, såsom molybdæn, tantal og wolfram, deres styrke og høje temperaturstabilitet gør disse materialer velegnede til varmmetallurgiske anvendelser såvel som vakuumovnsteknologier. Talrige specifikke anvendelser udnytte disse egenskaber: for eksempel, wolfram glødelamper operere ved temperaturer op til 3073 K , og molybdæn viklinger ovn modstå 2273 K .
Imidlertid er dårlig fremstillingsevne ved lave temperaturer og ekstrem oxiderbarhed ved høje temperaturer manglerne ved de fleste ildfaste metaller. Interaktioner med miljøet kan i væsentlig grad påvirke deres modstandsdygtighed over for høje temperaturer. Påføring af disse metaller kræver en beskyttende atmosfære eller belægning.
De ildfaste metallegeringer af molybdæn, niob, tantal og wolfram er blevet anvendt i kerneenergirumssystemer. Disse systemer er designet til at fungere ved temperaturer på 1350 K til ca. 1900 K . Miljøet må ikke interagere med det pågældende materiale. De kan bruges med specielle varmeoverføringsvæsker såsom flydende alkalimetaller såvel som i ultrahøjvakuumteknikker .
Krybning af legeringer ved høj temperatur skal begrænses til at bruge dem. Kryp bør ikke overstige 1-2%. En yderligere komplikation i studiet af krybning af ildfaste metaller er interaktioner med miljøet, som kan have betydelig indflydelse på krybningen.