Чистые металлы имеют. Получение металлов высокой чистоты. Общие физические свойства металлов
ВАКУУМНАЯ ДИСТИЛЛЯЦИЯ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ 4-ГО ПЕРИОДА (Mn, Cr, Fe,Ni,Co)
Наиболее тугоплавкими и труднолетучими металлами, кото-рые в настоящее время подвергают дистилляции, являются мар-ганец, хром, железо, никель и кобальт. Все указанные металлы входят в состав важнейших технических сплавов.
Механические и физические свойства сплавов на основе же-леза, никеля и других указанных элементов, особенно свойства различных жаропрочных сплавов, в значительной "степени опре-деляются чистотой исходных материалов. Хорошо известно, что неметаллические включения и ряд примесей, образующих легко-плавкие эвтектики, резко ухудшают многие свойства сплавов: пластичность, жаропрочность, коррозионную стойкость и др. Особенно вредными примесями во всех указанных металлах яв-ляются свинец, висмут, кадмий, сера, фосфор, азот и кислород. В связи с этим получение чистых металлов 4-го периода пред-ставляет исключительный интерес как с точки зрения исследова-ния их свойств, так и для изучения влияния легирующих добавок на изменение свойств сплавов. Чистые металлы необходимы в вакуумной технике для изготовления электродов, для анодов рентгеновских трубок и для производства некоторых деталей ионных приборов. Чистое железо почти не взаимодействует с па-рами ртути. Оно может быть использовано в трубках с оксидны-ми катодами, крайне чувствительными к малейшим загрязнени-ям. Чистое железо имеет высокую магнитную проницаемость, что позволяет использовать его для экранирования магнитных полей. Никель высокой чистоты необходим для нанесения покрытий на различные тугоплавкие металлы. Значительное количество чис-тых металлов 4-го периода потребляется химической промышлен-ностью для изготовления различных соединений. Подробные све-дения о влиянии примесей на свойства рассматриваемых метал-лов можно найти в монографиях .
Наиболее распространенный метод очистки тугоплавких ме-таллов 4-го периода заключается в химическом связывании при-месей в результате окислительно-восстановительных процессов (часто путем обработки водородом) с последующей дегазацией и отгонкой примесей при плавке в вакууме. Обработка расплав-ленных металлов в вакууме получила за последние 5—10 лет ши-рокое распространение. Она применяется не только для чистых металлов, но и для сталей и других сплавов. Не имея возможно-сти подробно осветить соответствующие работы, в которых круг рассматриваемых вопросов далеко выходит за рамки настоящей темы, мы ограничимся лишь описанием работ по дистилляции указанных металлов и по отгонке металлических примесей. Под-робные сведения относительно вакуумной плавки металлов и удаления газовых примесей можно найти в ряде сборников ста-тей и монографий .
Из рассматриваемых в настоящем параграфе металлов желе-зо, никель и кобальт входят в подгруппу железа VIII группы пе-риодической системы. В качестве основных примесей в этих ме-таллах, кроме родственных элементов, присутствуют медь, крем-ний, марганец, хром, алюминий, углерод, фосфор, сера й газы (N 2 , 0 2 , Н 2). Вследствие близости свойств родственных элемен-тов степень очистки от них при дистилляции невысока, но неболь-шие добавки этих металлов мало влияют на свойства основного элемента. Все чистые металлы подгруппы железа пластичны при комнатной и даже более низкой температуре, а никель пласти-чен вплоть до температуры жидкого гелия (4,2°К). Однако увеличение содержания газовых и некоторых металлических при-месей может привести к увеличению температуры перехода ме-таллов от пластичного к хрупкому состоянию. Так, железо, со-держащее >0,005% 0 2 , становится хрупким при 20° С. Кобальт обладает более низкой пластичностью, чем железо или никель, что, возможно, является следствием его недостаточной чистоты. Все три рассматриваемых металла имеют близкие значения упру-гости пара. Их дистилляция обычно проводится при температу-рах на 20—50° С выше точки плавления, хотя все они возгоняют-ся в вакууме при температуре > 1100° С.
В отличие от металлов подгруппы железа хром и марганец высокой чистоты являются хрупкими при комнаткой температу-ре. Даже незначительные концентрации таких примесей, как уг-лерод, сера, азот и кислород, резко ухудшают их механические свойства. У чистейшего хрома температура перехода ив хрупко-го в пластичное состояние близка к 50° С. Имеется, однако, воз-можность снижения этой температуры путем дальнейшей очист-ки металла.
В настоящее время считается, что основной причиной хрупко-сти хрома при комнатной температуре является присутствие в нем азота и кислорода в количествах ^0,001%. Температура перехода хрома в пластичное состояние резко возрастает при добавлении алюминия, меди, никеля, марганца и кобальта. Воз-можно, что большой эффект очистки хрома от азота может быть получен при дистилляции его в изолированном объеме.
Марганец хрупок во всем интервале существования α-фазы (до 700° С), тогда как высокотемпературные фазы (β- и γ-Μπ) довольно пластичны. Причины хрупкости α-Μn исследованы не-достаточно.
Хром и марганец имеют значительные упругости пара ниже температур их плавления. Хром сублимирует в вакууме с замет-ной скоростью выше 1200° С. Так как температура плавления хрома находится около 1900° С, то расплавить его в вакууме не-возможно из-за сублимации. Обычно переплавка исходного ме-талла или конденсата проводится в инертном газе при давлении более 700 мм рт. ст. Марганец перегоняется как путем сублима-ции, так и из жидкой фазы.
Обычно при дистилляции всех рассматриваемых металлов можно получить конденсаты чистотой ~ 99,99%. Однако высоко-эффективная очистка возможна лишь при использовании кон-денсаторов с градиентом температуры. Дистилляция хрома и марганца подробно исследована в основном Кроллем и в лабо-ратории авторов .
Дистилляция марганца в вакууме впервые описана Тиде и Бирнбрауэром . Гейлер подробно изучила этот про-цесс и исследовала ряд свойств полученного высокочистого мар-ганца. Дистилляцию осуществляли в кварцевой трубе длиной 600 мм и диаметром 100 мм. Марганец испарялся ив магнезито-вого тигля и конденсировался на другом таком же тигле. Металл нагревали токами высокой частоты. Испарение велось при темпе-ратуре ~ 1250° С в вакууме 1—2 мм рт. ст. В качестве исходного материала использовали алюминотермический металл чистотой ~99% и технический марганец (~96—98%). Результаты одно-кратной дистилляции показаны в табл. 48. Выход чистого метал-ла составлял —50% от веса загрузки. При указанных парамет-рах процесса и загрузке 2,7 кг за 5 ч получалось 0,76 кг чистого металла. В установке Гейлер не была устранена возможность взаимодействия металла с материалом трубы, в связи с чем в ряде опытов дистиллят загрязнялся кремнием.
ЧИСТЫЕ МЕТАЛЛЫ
металлы, металлы с низким содержанием примесей. В зависимости от степени чистоты различают металлы повышенной чистоты (99,90-99,99%), металлы высокой чистоты, или химически чистые (99,99-99,999%), металлы особой чистоты, или спектрально-чистые, ультрачистые металлы (свыше 99,999%).
Большая советская энциклопедия, БСЭ. 2012
Смотрите еще толкования, синонимы, значения слова и что такое ЧИСТЫЕ МЕТАЛЛЫ в русском языке в словарях, энциклопедиях и справочниках:
- ЧИСТЫЕ
ЧАСТНЫЕ ВНУТРЕННИЕ ИНВЕСТИЦИИ - валовой объем частных внутренних инвестиций за вычетом амортизационных … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
УБЫТКИ - потери экономических субъектов, связанные с созданием монополистом искусственного дефицита, приводящего к установлению цены, не совпадающей с предельными … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
ТРАНСФЕРТНЫЕ ПЛАТЕЖИ-личные и государственные трансфертные платежи жителям других стран за вычетом личных и государственных трансфертных платежей, полученных от жителей других … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
ТЕКУЩИЕ АКТИВЫ - текущие, легко реализуемые активы за вычетом затрат, связанных с их … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
ПОКУПКИ - суммарная величина покупок за определенный период за вычетом скидок, возвратов первоначально купленной продукции и сокращений нормальной цены и … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
НАЛОГИ НА ПРОДУКЦИЮ - разность между налогами на продукцию и субсидиями, выделенными на ее … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
НАЛОГИ НА ИМПОРТ - разность между налогами на импорт и субсидиями по … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
НАЛОГИ - налоги, которые уплачиваются населением государству, за вычетом трансфертных платежей, которые население получает от … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
ЛИКВИДНЫЕ АКТИВЫ - сумма наличных денежных средств, легко реализуемых ценных бумаг, а тж. дебиторской задолженности по … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
КАПИТАЛОВЛОЖЕНИЯ - валовые капиталовложения за вычетом … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
ИЗДЕРЖКИ ОБРАЩЕНИЯ - затраты, непосредственно связанные с процессом купли-продажи товара; включают транспортные затраты, затраты по перевалке груза, его обработке, … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
АКТИВЫ - расчетная величина, определяемая путем вычитания из суммы активов, в которую включаются денежное и неденежное имущество по балансовой стоимости, … - МЕТАЛЛЫ в Словаре экономических терминов:
ДРАГОЦЕННЫЕ - см ДРАГОЦЕННЫЕ МЕТАЛЛЫ … - МЕТАЛЛЫ в Библейской энциклопедии Никифора:
В Свящ. Писании нередко упоминаются из металлов: железо, медь, олово, свинец, цинк, серебро, золото. см. о каждом в своем … - МЕТАЛЛЫ в Большом энциклопедическом словаре:
(греч.) вещества, обладающие в обычных условиях высокими электропроводностью (106-107 Ом-1 см-1, уменьшается с ростом температуры) и теплопроводностью, ковкостью, "металлическим" блеском … - МЕТАЛЛЫ
простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: высокой электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэффициентом электропроводности, способностью хорошо отражать электромагнитные … - МЕТАЛЛЫ
I (и металлоиды) (хим.) — М. называется группа простых тел (см.), обладающих известными характерными свойствами, которые в типических представителях резко … - МЕТАЛЛЫ в Современном энциклопедическом словаре:
- МЕТАЛЛЫ в Энциклопедическом словарике:
простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами - высокой электропроводностью (106-104 Ом-1?см-1), уменьшающейся с ростом температуры, высокой теплопроводностью, блеском, … - ЧИСТЫЕ
"Ч́ИСТЫЕ БРАТЬЯ" ("Братья чистоты", араб. Ихван ас-сафа), группа философов 10 в., в к-рую входили мыслители Ирака (гл. обр. из г. … - МЕТАЛЛЫ в Большом российском энциклопедическом словаре:
"МЕТ́АЛЛЫ", науч. журнал РАН, с 1959, Москва. Учредитель (1998) - Ин-т металлургии им. А.А. Байкова. 6 номеров в … - МЕТАЛЛЫ в Большом российском энциклопедическом словаре:
МЕТ́АЛЛЫ, вeщества, обладающие в обычных условиях высокими электропроводностью (10 6 - 10 4 Ом -1 см -1 , уменьшается с … - ЧИСТЫЕ в Новом толково-словообразовательном словаре русского языка Ефремовой:
- МЕТАЛЛЫ в Современном толковом словаре, БСЭ:
(греч.), вещества, обладающие в обычных условиях высокими электропроводностью (106-107 Ом-1 см-1, уменьшается с ростом температуры) и теплопроводностью, ковкостью, «металлическим» блеском … - ЧИСТЫЕ в Толковом словаре Ефремовой:
чистые мн. разг. Деньги, остающиеся после вычетов, … - ЧИСТЫЕ в Новом словаре русского языка Ефремовой:
мн. разг. Деньги, остающиеся после вычетов, … - ЧИСТЫЕ в Большом современном толковом словаре русского языка:
мн. разг. Деньги, остающиеся после вычетов, … - ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
металлы, техническое название всех металлов и их сплавов (кроме железа и его сплавов, называемых чёрными металлами). Термин "Ц. м." в … - ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
металлы, по технической классификации - металлы, плавящиеся при температуре выше 1650-1700 |С; в число Т. м. (таблица) входят титан … - РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
металлы, условное название группы металлов (свыше 50), перечень которых дан в таблице. Это металлы, относительно новые в технике или ещё … - БЛАГОРОДНЫЕ МЕТАЛЛЫ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
металлы, золото, серебро, платина и металлы платиновой группы (иридий, осмий, палладий, родий, рутений), получившие своё название главным образом благодаря высокой … - МЕТАЛЛОВ ЛИТЬЕ: МЕТАЛЛЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ в Словаре Кольера:
К статье МЕТАЛЛОВ ЛИТЬЕ Литью поддаются все металлы. Но не все металлы обладают одинаковыми литейными свойствами, в частности жидкотекучестью - … - ИМПРЕССИОНИЗМ в Лексиконе нонклассики, художественно-эстетической культуры XX века, Бычкова:
(от франц. impression — впечатление) Направление в искусстве, возникшее во Франции в последней трети XIX в. Главные представители И.: Клод … - ТВЁРДОЕ ТЕЛО в Большой советской энциклопедии, БСЭ.
- РЕАКТИВЫ ХИМИЧЕСКИЕ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
химические, реагенты химические, химические препараты (вещества), применяемые в лабораториях для анализа, научных исследований (при изучении способов получения, свойств и превращений … - МЕТАЛЛУРГИЯ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
(от греч. metallurgeo - добываю руду, обрабатываю металлы, от metallon - рудник, металл и ergon - работа), в первоначальном, узком … - КЛЕИ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
природные или синтетические вещества, применяемые для соединения различных материалов за счёт образования адгезионной связи клеевой плёнки с поверхностями склеиваемых материалов. … - ИЗДЕРЖКИ ОБРАЩЕНИЯ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
обращения, совокупность затрат, связанных с процессом обращения товаров. По своей экономической природе И. о. подразделяются на чистые и дополнительные. Чистые … - ФТОР
- ТЮРКИ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона:
(точное значение слова неизвестно) — группа народностей, говорящих на различных диалектах тюркского языка (см. Турецкие языки) и по физическим признакам … - СПЛАВЫ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона.
- НАСАЖДЕНИЯ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона:
участки леса, естественно отличающиеся от соседних по характеру древесной растительности. Различие между Н. может обуславливаться происхождением их, составом, возрастом, степенью … - КРАСКИ ОРГАНИЧЕСКИЕ ИСКУССТВЕННЫЕ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона:
Развитие производства и применения искусственных органических К. тесно связано с историей научного исследования каменноугольной смолы. Изучая состав последней, Рунге в … - ЗАВОДЫ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона:
В разговорном языке не отличают понятий З. и фабрики, и, быть может, до сих пор нет особой в том надобности, … - ГЕРМАНЦЫ ФИЗИЧЕСКИЙ ТИП в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона:
Рим. писатели (Тацит и др.) описывали Г. как народ высокого роста, крепкого сложения, белокурый или рыжеволосый и с светлыми, голубыми … - ВОССТАНОВЛЕНИЕ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона:
Алхимики принимали, что металлы суть тела сложные, состоящие из духа, души и тела, или ртути, серы и соли; под духом, …
Общие краткие сведения
До недавнего времени тугоплавкие металлы - ванадий, хром, ниобий, тантал, молибден и вольфрам применялись главным образом для легирования сплавов на основе таких металлов, как железо, никель, кобальт, алюминий, медь, и в очень ограниченном количестве в других областях промышленности, например в электроламповой и химической промышленности.
Для легирования было вполне достаточно иметь металлы с содержанием 1-2% примесей. Тугоплавкие металлы с таким содержанием примесей чрезвычайно хрупки и не пригодны для использования в качестве конструкционных материалов. Однако пластичность тугоплавких металлов возрастает с повышением их чистоты, и проблема их применения в качестве конструкционных материалов стала вполне реальной после разработки методов получения этих металлов с очень малым содержанием примесей.
Тугоплавкие металлы получают обычно восстановлением их солей или окислов активными металлами или водородом, а также электролизом.
Ванадий получают восстановлением его пятиокиси кальцием или треххлористого ванадия магнием или кальцием. Наиболее чистый ванадий получают йодидным способом, а также электролитическим рафинированием в расплавленных солях.
Простым способом получения достаточно чистого хрома является электролитическое осаждение его из водных растворов. Электролитический хром содержит, однако, довольно значительные количества кислорода и водорода. Весьма чистый хром получают йодидным методом, а также вакуумной дистилляцией и водородным рафинированием технически чистого хрома.
Ниобий встречается в природе обычно вместе с танталом. Поэтому при получении этих металлов в чистом виде необходимо тщательное их разделение. После разделения чистый тантал получают восстановлением его фтортанталата натрием или другими активными металлами. Ниобий извлекают из карбида или окиси ниобия, которые образуются при разделении тантала и ниобия. Ниобий возможно также получить электролизом фторниобата калия и восстановлением пентахлорида ниобия водородом. Для окончательной очистки тантал и ниобий переплавляют в глубоком вакууме.
Молибден и вольфрам получают восстановлением их очищенных окислов, хлоридов или аммониевых солей водородом.
Необходимо отметить, что после извлечения из руд большинство тугоплавких металлов имеет форму порошка или губки. Поэтому для получения их в компактной форме применяют методы порошковой металлургии, дуговую плавку, а в последнее время - весьма эффективную электронно-лучевую плавку.
Физические и химические свойства чистых тугоплавких металлов
Рассматриваемые здесь тугоплавкие металлы относятся к подгруппам VA (ванадий, ниобий и тантал) и VIA (хром, молибден и вольфрам).
Некоторые физические свойства чистых тугоплавких металлов приведены в табл. 25.
Из других физических свойств чистых тугоплавких металлов следует отметить сравнительно небольшое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов: у ниобия 1,1, у молибдена 2,4, у хрома 2,9 и у вольфрама 4,7 барна. Чистейшие вольфрам и молибден при температурах вблизи абсолютного нуля - сверхпроводники.
Это относится также и к ванадию, ниобию и танталу, температуры перехода которых в сверхпроводящее состояние соответственно равны 5,9 и 4,5° К.
Химические свойства чистых тугоплавких металлов весьма различны. Хром при комнатной температуре устойчив к действию воздуха и воды. С повышением температуры активность хрома возрастает и он непосредственно соединяется с галогенами, азотом, углеродом, кремнием, бором и рядом других элементов, а в кислороде сгорает.
Ванадий химически активен. Он начинает взаимодействовать с кислородом, водородом и азотом уже при температурах выше 300° С. С галогенами ванадий реагирует непосредственно при нагревании до 150-200° С.
Молибден при комнатной температуре устойчив на воздухе и в кислороде, но при нагревании выше 400° С начинает интенсивно окисляться. Он химически не реагирует с водородом, но слабо поглощает его. Молибден активно взаимодействует с фтором при обычной температуре, с хлором начинает взаимодействовать при 180° С, а с парами йода он почти не реагирует.
Вольфрам также устойчив на воздухе и в кислороде при комнатной температуре, но сильно окисляется при нагревании выше 500° С. С водородом вольфрам не реагирует вплоть до температуры плавления. Он реагирует с фтором при комнатной температуре, с хлором - при температуре выше 300° С и очень трудно взаимодействует с парами йода.
Из рассматриваемых металлов чистые тантал и ниобий характеризуются наиболее высокой коррозионной стойкостью. Они устойчивы в соляной, серной, азотной и других кислотах и несколько менее в щелочах. Во многих средах чистый тантал по своей химической стойкости приближается к платине. Характерной особенностью тантала и ниобия является их способность поглощать большие количества водорода, азота и кислорода. При нагревании выше 500° С эти металлы интенсивно окисляются на воздухе.
Для возможности применения тугоплавких металлов при повышенных температурах особое значение имеет их склонность к окислению. Из рассматриваемых металлов лишь чистый хром обладает высоким сопротивлением окислению. Все остальные тугоплавкие металлы интенсивно окисляются при температурах выше 500-600° С. Высокая стойкость хрома к окислению обусловлена образованием на его поверхности плотной тугоплавкой окисной пленки, которая защищает металл от дальнейшего окисления. На поверхности остальных тугоплавких металлов не образуется защитных окисных пленок.
Окислы молибдена и ванадия очень легкоплавки (температуры их плавления соответственно 795 и 660° С) и летучи. Окислы ниобия, тантала и вольфрама имеют сравнительно высокие температуры плавления (соответственно 1460, 1900 и 1470° С), но их удельные объемы значительно превышают удельные объемы соответствующих металлов. По этой причине окисные пленки даже при весьма небольшой их толщине растрескиваются и отслаиваются от металла, открывая доступ кислороду к его чистой поверхности.
Механические свойства чистых тугоплавких металлов и влияние примесей на эти свойства
Так как все описываемые тугоплавкие металлы обладают объемноцентрированной решеткой, их механические свойства имеют ряд особенностей, характерных для металлов с такой структурой. Механические свойства тугоплавких металлов (прочность на разрыв, пластичность, твердость) сильно зависят от наличия в них примесей. Отрицательное влияние даже ничтожных количеств примесей на их пластические свойства исключительно велико.
Решающую роль в изменении механических характеристик объемноцентрированных металлов играют такие примеси внедрения, как углерод, азот, кислород, водород, входящие в междуузельные пространства.
Так, в молибдене, плавленном в дуговой печи, содержание углерода можно снизить до 0,01 %, а содержание газов можно довести до очень малых величин, например кислорода до 1 части на миллион. Такой пруток может быть согнут без разрушения до температуры порядка -50° С, а при ударном испытании ломается.
Зонной плавкой содержание углерода в молибдене можно снизить с 0,01 до 0,002% и ниже. При ударном испытании зонноочищенные прутки сохраняют свою пластичность до -140° С. Отсюда ясно следует, что пластичность молибдена (а также других тугоплавких металлов) есть функция их чистоты в отношении примесей внедрения. Освобожденные от этих примесей молибден и другие тугоплавкие металлы легко выдерживают холодную обработку (прокатку, штамповку и другие подобные операции).
Весьма сильно влияет степень очистки молибдена от кислорода на температуру перехода в хрупкое состояние: при 0,01 % O2 она равна плюс 300° С, при 0,002% O2 - плюс 25° С, а при 0,0001%) O2 - минус 196° С.
В настоящее время (методом зонной плавки с электронно-лучевым нагревом) выращивают большие монокристаллы молибдена длиной порядка 500 мм и сечением 25х75 мм. В этих монокристаллах достигнута высокая чистота материала с общим содержанием примесей внедрения меньше 40 частей на 1 миллион. Такие монокристаллы чистейшего молибдена характеризуются очень высокой пластичностью вплоть до температуры жидкого гелия.
Монокристалл молибдена может быть изогнут без разрушения на 180 град., из монокристалла молибдена диаметром 12 мм холодной деформацией можно получить проволоку диаметром 30 мкм и длиной 700-800 м или фольгу толщиной 50 мкм, которая может быть подвергнута холодной штамповке с вытяжкой, что очень важно для получения ряда ответственных деталей электровакуумных приборов.
Подобным же методом получают монокристаллы других тугоплавких металлов - вольфрама, ванадия, ниобия, тантала. Вольфрам производится в настоящее время методом электронно-лучевой зонной плавки в форме монокристаллов диаметром около 5 мм и длиной около 250 мм высокой плотности и чистоты (99,9975% W). Такой вольфрам пластичен даже при температуре - 170° С.
Полученные электронно-лучевой плавкой монокристаллы вольфрама выдерживают изгиб вдвое при комнатной температуре, что свидетельствует об очень низкой температуре перехода этого металла из пластичного в хрупкое состояние. Для обычного вольфрама начало перехода в хрупкое состояние находится при температуре выше 700° С.
Вольфрамовые монокристаллы легко выдерживают холодную обработку и применяются в настоящее время для изготовления проволоки, пруткового материала, листов и других полуфабрикатов. Монокристаллический ниобий может деформироваться при комнатной температуре до 90% обжатия и сохраняет достаточно высокую пластичность при температуре жидкого азота (-194°С). Монокристалл тантала, обжатый на 80%, при изготовлении проволоки также обладает еще достаточной пластичностью.
Превосходная пластичность, минимальное упрочнение при нагартовке, высокая коррозионная стойкость и хорошая стабильность характерны для высокочистых тугоплавких металлов, получаемых в форме монокристаллов методом электронно-лучевой зонной плавки. Ванадий, ниобий и тантал в виде поликристаллических слитков электронно-лучевой плавки или очищенных зонной плавкой монокристаллов даже при очень глубоком охлаждении не переходят в хрупкое состояние.
Применение чистых тугоплавких металлов
Применение чистых тугоплавких металлов (а в дальнейшем они будут, очевидно, применяться только в таком виде) развивается по двум главным направлениям: 1) для сверхзвуковой авиации, управляемых снарядов, ракет и космических кораблей; 2) для электронной техники. В обоих случаях необходимы чистейшие металлы, обладающие весьма высокой пластичностью, что, как мы видели выше, достигается глубокой очисткой тугоплавких металлов от примесей внедрения.
Жаропрочные стали и сплавы на никелевой и кобальтовой основе, которые могут работать при температурах 650-870° С, уже не удовлетворяют требованиям сверхзвуковой авиации и ракетной техники. Необходимы материалы, обладающие достаточно длительной прочностью при температурах выше 1100°С. Такими материалами и являются чистые тугоплавкие металлы (или сплавы на их основе), способные к пластической деформации.
Для изготовления обшивки сверхзвуковых самолетов и ракет требуются листы из чистых молибдена и ниобия, обладающие большей удельной прочностью, чем тантал и вольфрам, до 1300° С.
В более тяжелых условиях работают детали воздушно-реактивных, ракетных и турбореактивных турбин. Для изготовления этих деталей, работающих при температурах до 1370° С, целесообразно применять чистые молибден и ниобий, но при более высоких температурах пригодны лишь тантал и вольфрам. Для работы при температуре выше 1370° С наибольший интерес представляет чистый тантал и его сплавы, которые имеют сравнительно высокую пластичность при таких температурах, а по жаропрочности не уступают вольфраму.
В наиболее жестких условиях работают детали газовых турбин. Для таких деталей наиболее подходят чистый ниобий и сплавы на его основе, обладающие приемлемым сопротивлением окислению.
Чистейшие тугоплавкие металлы находят разнообразное применение в электронной и вакуумной технике. Тантал является хорошим геттером и широко используется при производстве электровакуумных радиоламп. Ниобий применяется в электровакуумной технике для изготовления анодов, сеток, трубок и других деталей. Молибден и вольфрам используют в электровакуумных приборах и радиолампах для изготовления нитей накаливания, электродов, крючков, подвесок, анодов и сеток.
Высокочистые и беспористые монокристаллы вольфрама находят применение в качестве подогревателей катодов в электровакуумных приборах, для электрических контактов, в вакуумных переключателях, в вводах в вакуумные установки - там, где отсутствие газов является важным фактором.
Чистые тугоплавкие металлы, изготовляемые с применением электронно-лучевой плавки, найдут непосредственное применение в производстве миниатюрных электронных приборов. Интерес представляют покрытия из чистых тугоплавких металлов, получаемые напылением или термическим разложением соединений тугоплавких металлов.
Чистые ванадий и ниобий благодаря малому поперечному сечению захвата тепловых нейтронов успешно применяются и в ядерной энергетике. Из ванадия изготовляют тонкостенные трубы для атомных реакторов, оболочки тепловыделяющих элементов, так как он не сплавляется с ураном и имеет хорошую теплопроводность и достаточную коррозионную стойкость.
Чистый ниобий не взаимодействует с расплавленным натрием и висмутом, которые часто применяют в качестве теплоносителей, и не образует с ураном хрупких соединений.
Чистый тантал благодаря его высокой коррозионной стойкости применяют для изготовления деталей химической аппаратуры, работающих в кислых агрессивных средах, например при производстве искусственного волокна. В последнее время тантал здесь часто заменяют чистым ниобием, который дешевле и более распространен в природе. Аналогичные области применения имеет и чистый хром. Этими примерами далеко не исчерпываются все расширяющиеся области применения чистейших тугоплавких металлов.
07.02.2020
Перед тем, как приобрести полочные стеллажи в Киеве, предпринимателю стоит разобраться в их видах, назначении и нюансах покупки. Рассмотрим все основные и...
07.02.2020
Прежде чем хватать с прилавка первый попавшийся удлинитель и платить за него деньги, нужно уяснить для себя, подходит ли прибор по длине шнура, числу розеток,...
06.02.2020
Геотекстиль или геоткань, предназначенная для садовых дорожек, является биологически чистым материалом. Тонкие прессованные нити создают ее. В ландашфтном дизайне...
Если в периодической таблице элементов Д.И.Менделеева провести диагональ от бериллия к астату, то слева внизу по диагонали будут находиться элементы-металлы (к ним же относятся элементы побочных подгрупп, выделены синим цветом), а справа вверху – элементы-неметаллы (выделены желтым цветом). Элементы, расположенные вблизи диагонали – полуметаллы или металлоиды (B, Si, Ge, Sb и др.), обладают двойственным характером (выделены розовым цветом).
Как видно из рисунка, подавляющее большинство элементов являются металлами.
По своей химической природе металлы – это химические элементы, атомы которых отдают электроны с внешнего или предвнешнего энергетического уровней, образуя при этом положительно заряженные ионы.
Практически все металлы имеют сравнительно большие радиусы и малое число электронов (от 1 до 3) на внешнем энергетическом уровне. Для металлов характерны низкие значения электроотрицательности и восстановительные свойства.
Наиболее типичные металлы расположены в начале периодов (начиная со второго), далее слева направо металлические свойства ослабевают. В группе сверху вниз металлические свойства усиливаются, т.к увеличивается радиус атомов (за счет увеличения числа энергетических уровней). Это приводит к уменьшению электроотрицательности (способности притягивать электроны) элементов и усилению восстановительных свойств (способность отдавать электроны другим атомам в химических реакциях).
Типичными металлами являются s-элементы (элементы IА-группы от Li до Fr. элементы ПА-группы от Мg до Rа). Общая электронная формула их атомов ns 1-2 . Для них характерны степени окисления + I и +II соответственно.
Небольшое число электронов (1-2) на внешнем энергетическом уровне атомов типичных металлов предполагает легкую потерю этих электронов и проявление сильных восстановительных свойств, что отражают низкие значения электроотрицательности. Отсюда вытекает ограниченность химических свойств и способов получения типичных металлов.
Характерной особенностью типичных металлов является стремление их атомов образовывать катионы и ионные химические связи с атомами неметаллов. Соединения типичных металлов с неметаллами — это ионные кристаллы «катион металлаанион неметалла», например К + Вг — , Сa 2+ О 2-. Катионы типичных металлов входят также в состав соединений со сложными анионами — гидроксидов и солей, например Мg 2+ (OН —) 2 , (Li +)2СO 3 2-.
Металлы А-групп, образующие диагональ амфотерности в Периодической системе Ве-Аl-Gе-Sb-Ро, а также примыкающие к ним металлы (Gа, In, Тl, Sn, Рb, Вi) не проявляют типично металлических свойств. Общая электронная формула их атомов ns 2 np 0-4 предполагает большее разнообразие степеней окисления, большую способность удерживать собственные электроны, постепенное понижение их восстановительной способности и появление окислительной способности, особенно в высоких степенях окисления (характерные примеры — соединения Тl III , Рb IV , Вi v). Подобное химическое поведение характерно и для большинства (d-элементов, т. е. элементов Б-групп Периодической системы (типичные примеры — амфотерные элементы Сr и Zn).
Это проявление двойственности (амфотерности) свойств, одновременно металлических (основных) и неметаллических, обусловлено характером химической связи. В твердом состоянии соединения нетипичных металлов с неметаллами содержат преимущественно ковалентные связи (но менее прочные, чем связи между неметаллами). В растворе эти связи легко разрываются, а соединения диссоциируют на ионы (полностью или частично). Например, металл галлий состоит из молекул Ga 2 , в твердом состоянии хлориды алюминия и ртути (II) АlСl 3 и НgСl 2 содержат сильно ковалентные связи, но в растворе АlСl 3 диссоциирует почти полностью, а НgСl 2 — в очень малой степени (да и то на ионы НgСl + и Сl —).
Общие физические свойства металлов
Благодаря наличию свободных электронов («электронного газа») в кристаллической решетке все металлы проявляют следующие характерные общие свойства:
1) Пластичность — способность легко менять форму, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы.
2) Металлический блеск и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл светом.
3) Электропроводность . Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение «электронного газа».
4) Теплопроводность. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность — у висмута и ртути.
5) Твердость. Самый твердый – хром (режет стекло); самые мягкие – щелочные металлы – калий, натрий, рубидий и цезий – режутся ножом.
6) Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и больше радиус атома. Самый легкий — литий (ρ=0,53 г/см3); самый тяжелый – осмий (ρ=22,6 г/см3). Металлы, имеющие плотность менее 5 г/см3 считаются «легкими металлами».
7) Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл – ртуть (т.пл. = -39°C), самый тугоплавкий металл – вольфрам (t°пл. = 3390°C). Металлы с t°пл. выше 1000°C считаются тугоплавкими, ниже – низкоплавкими.
Общие химические свойства металлов
Сильные восстановители: Me 0 – nē → Me n +
Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.
I. Реакции металлов с неметаллами
1) С кислородом:
2Mg + O 2 → 2MgO
2) С серой:
Hg + S → HgS
3) С галогенами:
Ni + Cl 2 – t° → NiCl 2
4) С азотом:
3Ca + N 2 – t° → Ca 3 N 2
5) С фосфором:
3Ca + 2P – t° → Ca 3 P 2
6) С водородом (реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы):
2Li + H 2 → 2LiH
Ca + H 2 → CaH 2
II. Реакции металлов с кислотами
1) Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H восстанавливают кислоты-неокислители до водорода:
Mg + 2HCl → MgCl 2 + H 2
2Al+ 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2
6Na + 2H 3 PO 4 → 2Na 3 PO 4 + 3H 2
2) С кислотами-окислителями:
При взаимодействии азотной кислоты любой концентрации и концентрированной серной с металлами водород никогда не выделяется!
Zn + 2H 2 SO 4(К) → ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
4Zn + 5H 2 SO 4(К) → 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O
3Zn + 4H 2 SO 4(К) → 3ZnSO 4 + S + 4H 2 O
2H 2 SO 4(к) + Сu → Сu SO 4 + SO 2 + 2H 2 O
10HNO 3 + 4Mg → 4Mg(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O
4HNO 3 (к) + Сu → Сu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
III. Взаимодействие металлов с водой
1) Активные (щелочные и щелочноземельные металлы) образуют растворимое основание (щелочь) и водород:
2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2
Ca+ 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2
2) Металлы средней активности окисляются водой при нагревании до оксида:
Zn + H 2 O – t° → ZnO + H 2
3) Неактивные (Au, Ag, Pt) — не реагируют.
IV. Вытеснение более активными металлами менее активных металлов из растворов их солей:
Cu + HgCl 2 → Hg+ CuCl 2
Fe+ CuSO 4 → Cu+ FeSO 4
В промышленности часто используют не чистые металлы, а их смеси - сплавы , в которых полезные свойства одного металла дополняются полезными свойствами другого. Так, медь обладает невысокой твердостью и малопригодна для изготовления деталей машин, сплавы же меди с цинком (латунь ) являются уже достаточно твердыми и широко используются в машиностроении. Алюминий обладает высокой пластичностью и достаточной легкостью (малой плотностью), но слишком мягок. На его основе готовят сплав с магнием, медью и марганцем — дуралюмин (дюраль), который, не теряя полезных свойств алюминия, приобретает высокую твердость и становится пригодным в авиастроении. Сплавы железа с углеродом (и добавками других металлов) — это широко известные чугун и сталь.
Металлы в свободном виде являются восстановителями. Однако реакционная способность некоторых металлов невелика из-за того, что они покрыты поверхностной оксидной пленкой , в разной степени устойчивой к действию таких химических реактивов, как вода, растворы кислот и щелочей.
Например, свинец всегда покрыт оксидной пленкой, для его перехода в раствор требуется не только воздействие реактива (например, разбавленной азотной кислоты), но и нагревание. Оксидная пленка на алюминии препятствует его реакции с водой, но под действием кислот и щелочей разрушается. Рыхлая оксидная пленка (ржавчина ), образующаяся на поверхности железа во влажном воздухе, не мешает дальнейшему окислению железа.
Под действием концентрированных кислот на металлах образуется устойчивая оксидная пленка. Это явление называется пассивацией . Так, в концентрированной серной кислоте пассивируются (и после этого не реагируют с кислотой) такие металлы, как Ве, Вi, Со, Fе, Мg и Nb, а в концентрированной азотной кислоте — металлы А1, Ве, Вi, Со, Сг, Fе, Nb, Ni, РЬ, Тh и U.
При взаимодействии с окислителями в кислых растворах большинство металлов переходит в катионы, заряд которых определяется устойчивой степенью окисления данного элемента в соединениях (Nа + , Са 2+ ,А1 3+ ,Fе 2+ и Fе 3+)
Восстановительная активность металлов в кислом растворе передается рядом напряжений. Большинство металлов переводится в раствор соляной и разбавленной серной кислотами, но Сu, Аg и Нg — только серной (концентрированной) и азотной кислотами, а Рt и Аи — «царской водкой».
Коррозия металлов
Нежелательным химическим свойством металлов является их , т. е. активное разрушение (окисление) при контакте с водой и под воздействием растворенного в ней кислорода (кислородная коррозия). Например, широко известна коррозия железных изделий в воде, в результате чего образуется ржавчина, и изделия рассыпаются в порошок.
Коррозия металлов протекает в воде также из-за присутствия растворенных газов СО 2 и SО 2 ; создается кислотная среда, и катионы Н + вытесняются активными металлами в виде водорода Н 2 (водородная коррозия ).
Особенно коррозионно-опасным может быть место контакта двух разнородных металлов (контактная коррозия). Между одним металлом, например Fе, и другим металлом, например Sn или Сu, помещенными в воду, возникает гальваническая пара. Поток электронов идет от более активного металла, стоящего левее в ряду напряжений (Ре), к менее активному металлу (Sn, Сu), и более активный металл разрушается (корродирует).
Именно из-за этого ржавеет луженая поверхность консервных банок (железо, покрытое оловом) при хранении во влажной атмосфере и небрежном обращении с ними (железо быстро разрушается после появления хотя бы небольшой царапины, допускающей контакт железа с влагой). Напротив, оцинкованная поверхность железного ведра долго не ржавеет, поскольку даже при наличии царапин корродирует не железо, а цинк (более активный металл, чем железо).
Сопротивление коррозии для данного металла усиливается при его покрытии более активным металлом или при их сплавлении ; так, покрытие железа хромом или изготовление сплава железа с хромом устраняет коррозию железа. Хромированное железо и сталь, содержащая хром (нержавеющая сталь ), имеют высокую коррозионную стойкость.
электрометаллургия , т. е. получение металлов электролизом расплавов (для наиболее активных металлов) или растворов солей;
пирометаллургия , т. е. восстановление металлов из руд при высокой температуре (например, получение железа в доменном процессе);
гидрометаллургия , т. е. выделение металлов из растворов их солей более активными металлами (например, получение меди из раствора СuSO 4 действием цинка, железа или алюминия).
В природе иногда встречаются самородные металлы (характерные примеры — Аg, Аu, Рt, Нg), но чаще металлы находятся в виде соединений (металлические руды ). По распространенности в земной коре металлы различны: от наиболее распространенных — Аl, Nа, Са, Fе, Мg, К, Тi) до самых редких — Вi, In, Аg, Аu, Рt, Rе.
Чистые металлы и сплавы, применяемые в радиоэлектронике
Лекция 8. Проводниковые материалы и провода
Назначение проводниковых материалов;
Назначение и виды проводов.
Цели лекции:
Изучение проводниковых материалов;
Изучение проводов.
8.1 Нзначение проводниковых материалов
Большинство металлических проводниковых материалов обладает вы-сокой электропроводностью (ρ = 0,015 ÷ 0,028 мкОм·м). Это преимущес-твенно чистые металлы, которые используют для изготовления обмоточных и радиомонтажных проводов и кабелей.
Наряду с этим в радиоэлектронике применяют проводники с большим электрическим сопротивлением – сплавы различных металлов. У металличес- ких (резистивных) ρ = 0,4 ÷ 2,0 мкОм·м. Эти сплавы составляют группу металлических материалов с малым температурным коэффициентом удельного сопротивления (ТК ρ ) и применяются для изготовления проволоч- ных резисторов и других радиокомпонентов.
Медь – главный материал, обладающий высокой пластичностью, доста- точной механической прочностью и высокой электропроводностью. Температура плавления меди 1083°С, коэффициент температурного расширения КТР = 17· 10 -6 1/°С. Для изготовления изделий (обмоточные, ра-диомонтажные провода и кабели) применяют чистую медь марок М00к; МОКу; Мок; М1к и М00б; Моб; М1б. Содержание меди 99,99 – 99,90%. У изделий из мягкой меди (при 20°С) плотность 8900 кг/м 3 ; σ р = 200÷280 МПа; е = 6÷35%; ρ = 0,072÷0,01724 мкОм·м. Температурный коэффициент удельного сопротивления для всех марок меди ТК ρ = 0,0041/°С.
Бронза представляет собой сплавы меди с оловом (оловянная бронза), алюминием (алюминиевая), бериллием (бериллиевая) и другими легирующи-ми элементами. В отношении электропроводности бронза уступает меди, но превосходит ее по механической прочности, упругости, сопротивлению исти- ранию и коррозионной стойкости. Из бронзы изготовляют пружинящие контакты, контактные части разъемов и другие детали.
Латунь – сплав меди с цинком, в котором наибольшее содержание цинка может составлять 45% (по массе). Из листовой латуни изготовляют ра-зличные детали: зажимы, контакты, крепежные детали. Основные харак-теристики бронзы, латуни и меди приведены в таблице 8.1.
Ковар – сплав никеля (около 29% по массе), кобальта (около 18%), же-леза (остальное). Характерной особенностью ковара является близость значе-ний его КТР=(4,3÷5,4) · 10 -6 1/°С к значениям КТР стекла и керамики в интер- вале температур 20 – 200°С. Это позволяет производить согласованные, гер- метичные спаи ковара со стеклом и керамикой. Его применяют для изготовления корпусов ИС и полупроводниковых приборов.
Алюминий является вторым после меди проводниковым материалом благодаря его сравнительно большой электропроводности и стойкости к ат-мосферной коррозии.
Плотность алюминия 2700 кг/м 3 , ᴛ.ᴇ. он в 3,3 раза легче меди, темпе-ратура плавления 658°С. Алюминий отличается малой твердостью и неболь- шой прочностью при растяжении (σ р = 80÷180 МПа) и больший по сравне-нию с медью КТР= 24·10 -6 1/°С. Это является недостатком алюминия.
Из марок алюминия особой чистоты изготовляют обкладки электроли- тических конденсаторов, а также фольгу. Алюминиевую проволоку выпуска- ют Ø0,08 – 8мм трех разновидностей: мягкую (АМ), полутвердую (АПТ), твердую (АТ).
Таблица 8.1
Серебро относится к группе благородных металлов, не окисляющихся в воздухе при комнатной температуре. Окисление начинается при 200°С. Серебро отличается высокой пластичностью, позволяющей получать фольгу и проволоку Ø до 0,01мм, и наивысшей электропроводностью.
Основные характеристики серебра: плотность 1050 кг/м 3 ; температура плавления 960,5 °С; σ р = 150÷180 Мпа (мягкое серебро); σ р = 200÷300 Мпа (твердое серебро); ρ = 0,0158 мкОм·м; ТКρ = 0,003691/°С; КТР= 24·10 -6 1/°С.
Из серебра выполняют защитные слои на медных жилах радиомонтаж- ных проводов, используемых при температуре до 250°С. Серебро наносят на внутреннюю поверхность волноводов для получения слоя с высокой электро-провдностью, а также вводят в припои (ПСр10, ПСр50), применяемые для пайки токопроводящих частой в РЭА.
Золото – в отличие от серебра не окисляется в воздухе даже при высо-ких температурах. Оно обладает весьма высокой пластичностью, из него получают фольгу толщиной до 0,005 мм и проволоку Ø до 0,01мм.
Основные характеристики золота: плотность 1930 кг/м 3 ; температура плавления 1063°С; σ р = 150÷180 Мпа, ρ = 0,0224 мкОм·м; ТКρ = 0,003691/°С;
КТР= 14,2·10 -6 1/°С.
Золото применяют для тонкопленочных контактных покрытий при коммутации малых токов в микросхемах, а также для покрытия стенок
волноводов и резонаторов СВЧ.
Чистые металлы и сплавы, применяемые в радиоэлектронике - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Чистые металлы и сплавы, применяемые в радиоэлектронике" 2017, 2018.
