금속의 일반적인 특성. 고순도 금속 획득 금속의 일반적인 물리적 특성
에너지 자원(코크스, 석탄)을 절약하고 더 많은 생산량을 얻을 수 있습니다. 완성 된 제품원료로부터 생산주기를 단축하는 동시에 품질을 높이고 대기 환경을 개선합니다. 이것이 야금학, 즉 수소를 사용하여 금속을 환원시키는 것입니다.
선사 시대, 또는 순수 금속에 대한 과거로의 전진
금속공학은 청동기시대와 철기시대부터 인류와 함께해왔습니다. 기원전 14세기에도요. 이자형. 고대인들은 화로법을 사용하여 철을 제련했습니다. 1000℃라는 비교적 낮은 온도에서 석탄으로 철광석을 환원시키는 원리다. 결과적으로 그들은 철제 스폰지 인 kritsa를받은 다음 단조하여 가정 용품과 무기를 만드는 공백을 얻었습니다.
이미 14세기에 원시적인 단조와 용광로가 나타나기 시작하여 용광로, 노로 및 변환기 등 현대 야금 공정의 토대를 마련했습니다. 풍부한 석탄과 철광석으로 인해 이러한 방법이 오랫동안 주요 방법으로 굳어졌습니다. 그러나 제품 품질, 자원 절약 및 환경 안전에 대한 요구 사항이 증가함에 따라 이미 19세기 중반에 순수 금속의 직접 환원을 사용하는 뿌리로 돌아가기 시작했습니다. 최초의 현대식 시설은 1911년 스웨덴에서 등장하여 순도 99.99%의 수소를 사용하여 소량의 금속을 생산했습니다. 당시 유일한 소비자는 연구실뿐이었습니다. 1969년 미국 포틀랜드에 최대 40만 톤의 순수 금속을 생산하는 공장이 문을 열었습니다. 그리고 이미 1975년에 이 방법으로 전 세계에서 2,900만 톤의 철강이 생산되었습니다.
이제 이러한 제품은 항공, 장비 제조 산업, 의료 기기 및 전자 제품을 생산하는 기업뿐만 아니라 다른 많은 기업에서도 기대됩니다. 이 기술은 비철 야금에서 특별한 이점을 얻었지만 가까운 미래에는 "수소 철 야금"도 마찬가지입니다.
순수 금속 불순물 함량이 낮은 금속. 순도에 따라 고순도 금속(99.90~99.99%), 고순도 금속 또는 화학적으로 순수한 금속(99.99~99.999%), 특수 순도 금속, 스펙트럼 순수 초순수 금속(99.999% 이상)이 있습니다. ).
큰 소련 백과사전. - M.: 소련 백과사전. 1969-1978 .
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방사성 금속- 중성자, 양성자, 알파, 베타 입자 또는 감마 양자와 같은 방사성 입자를 방출하는 원자 번호 83(Bi)보다 큰 원소 주기율표의 위치를 차지하는 금속입니다. 자연에서 발견: At, Ac, Np, Pa, Po... 야금학 백과사전
전이금속- 주기율표 하위 그룹의 요소 Ib 및 VIIIb. 전이 금속 원자의 내부 껍질은 부분적으로만 채워져 있습니다. 점진적인 충전이 일어나는 d개의 금속이 있습니다 3d(Se에서 Ni로), 4d(Y에서 ... ... 야금학 백과사전
D.I. Mendeleev의 원소 주기율표에서 베릴륨에서 아스타틴까지 대각선을 그리는 경우 대각선을 따라 왼쪽 하단에 금속 원소가 있습니다(여기에는 파란색으로 강조 표시된 측면 하위 그룹의 원소도 포함됨). 비금속 요소(노란색으로 강조 표시). 대각선 근처에 위치한 원소 - 반금속 또는 준금속(B, Si, Ge, Sb 등)은 이중 문자(분홍색으로 강조 표시)를 갖습니다.
그림에서 볼 수 있듯이 대부분의 요소는 금속입니다.
화학적 성질에 따라 금속은 원자가 외부 또는 외부 에너지 준위에서 전자를 포기하여 양전하를 띤 이온을 형성하는 화학 원소입니다.
거의 모든 금속은 외부 에너지 준위에서 상대적으로 큰 반경과 적은 수의 전자(1~3개)를 가지고 있습니다. 금속은 전기 음성도 값이 낮고 환원 특성이 특징입니다.
가장 일반적인 금속은 기간의 시작 부분(두 번째부터 시작)에 위치하며, 왼쪽에서 오른쪽으로 금속 특성이 약해집니다. 위에서 아래로 그룹에서 금속 특성은 원자의 반경이 증가함에 따라 증가합니다(에너지 준위 수의 증가로 인해). 이로 인해 원소의 전기 음성도(전자를 끌어당기는 능력)가 감소하고 환원 특성(화학 반응에서 다른 원자에 전자를 기증하는 능력)이 증가합니다.
전형적인금속은 s-원소(Li에서 Fr까지의 IA 족 원소, Mg에서 Ra까지의 PA 족 원소)입니다. 원자의 일반 전자식은 ns 1-2입니다. 이들은 각각 산화 상태 + I 및 + II를 특징으로 합니다.
일반적인 금속 원자의 외부 에너지 준위에 있는 전자(1-2)의 수가 적다는 것은 이러한 전자가 쉽게 손실되고 낮은 전기음성도 값에 반영되는 것처럼 강한 환원 특성을 나타냄을 의미합니다. 이는 일반적인 금속을 얻는 제한된 화학적 특성과 방법을 의미합니다.
일반적인 금속의 특징은 원자가 비금속 원자와 양이온 및 이온 화학 결합을 형성하려는 경향입니다. 비금속과 일반적인 금속의 화합물은 "비금속의 금속음이온"의 이온 결정입니다(예: K + Br -, Ca 2+ O 2-). 일반적인 금속의 양이온은 복합 음이온(예: Mg 2+ (OH -) 2, (Li +)2CO 3 2-)과 같은 복합 음이온이 있는 화합물에도 포함됩니다.
주기율표 Be-Al-Ge-Sb-Po에서 양쪽성 대각선을 형성하는 A족 금속과 이에 인접한 금속(Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi)은 전형적인 금속성을 나타내지 않습니다. 속성. 원자의 일반 전자식 ns 2 n.p. 0-4 더 다양한 산화 상태, 자신의 전자를 유지하는 더 큰 능력, 환원 능력의 점진적인 감소 및 특히 높은 산화 상태에서 산화 능력의 출현을 포함합니다(일반적인 예는 화합물 T1 III, Pb IV, Bi v입니다). . 유사한 화학적 거동은 대부분의 (d-원소, 즉 주기율표의 B-족 원소의 특징입니다. 전형적인 예- 양쪽성 원소 Cr 및 Zn).
금속성(염기성)과 비금속성의 이중성(양성) 특성이 나타나는 것은 화학 결합의 특성 때문입니다. 고체 상태에서 비정형 금속과 비금속의 화합물은 주로 공유 결합을 포함합니다(그러나 비금속 간의 결합보다 강도가 약함). 용액에서는 이러한 결합이 쉽게 끊어지고 화합물이 이온으로 해리됩니다(전체 또는 일부). 예를 들어, 금속 갈륨은 고체 상태의 Ga 2 분자로 구성되며 알루미늄과 수은의 염화물 (II) AlCl 3 및 HgCl 2는 강한 공유 결합을 포함하지만 용액에서는 AlCl 3이 거의 완전히 해리되고 HgCl 2 - 매우 적은 양(그리고 HgCl + 및 Cl - 이온에도 포함).
금속의 일반적인 물리적 특성
결정 격자에 자유 전자("전자 가스")가 존재하기 때문에 모든 금속은 다음과 같은 특징적인 일반 특성을 나타냅니다.
1) 플라스틱- 쉽게 모양을 바꾸고, 와이어로 늘리고, 얇은 시트로 굴릴 수 있는 능력.
2) 메탈릭한 광택그리고 불투명도. 이는 금속에 입사된 빛과 자유 전자의 상호 작용 때문입니다.
3) 전기 전도성. 이는 작은 전위차의 영향으로 자유 전자가 음극에서 양극으로 방향 이동하는 것으로 설명됩니다. 가열하면 전기전도도가 감소하기 때문에 온도가 증가함에 따라 결정 격자 노드의 원자와 이온의 진동이 강화되어 "전자 가스"의 방향 이동이 복잡해집니다.
4) 열 전도성.이는 자유 전자의 높은 이동성으로 인해 발생하며 이로 인해 온도가 금속 질량에 대해 빠르게 동일해집니다. 가장 높은 열전도도는 비스무트와 수은에서 발견됩니다.
5) 경도.가장 단단한 것은 크롬(유리 절단)입니다. 가장 부드러운 알칼리 금속(칼륨, 나트륨, 루비듐, 세슘)은 칼로 절단됩니다.
6) 밀도.금속의 원자 질량이 작을수록, 원자의 반경이 클수록 크기는 작아집니다. 가장 가벼운 것은 리튬(ρ=0.53 g/cm3)입니다. 가장 무거운 것은 오스뮴(ρ=22.6 g/cm3)입니다. 밀도가 5g/cm3 미만인 금속은 "경금속"으로 간주됩니다.
7) 녹는점과 끓는점.가장 가용성이 높은 금속은 수은(mp = -39°C)이고, 가장 내화성이 강한 금속은 텅스텐(mp = 3390°C)입니다. 녹는점을 갖는 금속 1000°C 이상은 내화성, 1000°C 미만은 저융점으로 간주됩니다.
금속의 일반적인 화학적 성질
강력한 환원제: Me 0 – nē → Me n +
다양한 전압이 수용액의 산화환원 반응에서 금속의 상대적 활성을 특징으로 합니다. 
I. 금속과 비금속의 반응
1) 산소의 경우:
2Mg + O 2 → 2MgO
2) 유황의 경우:
Hg + S → HgS
3) 할로겐의 경우:
Ni + Cl 2 – t° → NiCl 2
4) 질소의 경우:
3Ca + N 2 – t° → Ca 3 N 2
5) 인의 경우:
3Ca + 2P – t° → Ca 3 P 2
6) 수소의 경우(알칼리 및 알칼리 토금속만 반응함):
2Li + H 2 → 2LiH
Ca + H 2 → CaH 2
II. 금속과 산의 반응
1) 최대 H까지의 전기화학적 전압 계열의 금속은 비산화성 산을 수소로 환원합니다.
Mg + 2HCl → MgCl 2 + H 2
2Al+ 6HCl → 2AlCl3 + 3H2
6Na + 2H3PO4 → 2Na3PO4 + 3H2
2) 산화성 산의 경우:
모든 농도의 질산과 진한 황산이 금속과 상호작용할 때 수소는 절대 방출되지 않습니다! 
Zn + 2H 2 SO 4(K) → ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
4Zn + 5H 2 SO 4(K) → 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O
3Zn + 4H 2 SO 4(K) → 3ZnSO 4 + S + 4H 2 O
2H 2 SO 4 (k) + Cu → Cu SO 4 + SO 2 + 2H 2 O
10HNO 3 + 4Mg → 4Mg(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O
4HNO 3 (k) + Cu → Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
III. 금속과 물의 상호 작용
1) 활성(알칼리 및 알칼리 토금속)은 가용성 염기(알칼리)와 수소를 형성합니다.
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2
Ca+ 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2
2) 중간 정도의 활성을 갖는 금속은 가열하면 물에 의해 산화되어 산화물이 됩니다.
Zn + H 2 O – t° → ZnO + H 2
3) 비활성(Au, Ag, Pt) - 반응하지 않습니다.
IV. 염 용액에서 활성이 낮은 금속을 보다 활성이 높은 금속으로 대체:
Cu + HgCl 2 → Hg+ CuCl 2
Fe+ CuSO 4 → Cu+ FeSO 4
산업계에서는 순수 금속이 아닌 이들의 혼합물을 사용하는 경우가 많습니다. 합금, 한 금속의 유익한 특성이 다른 금속의 유익한 특성으로 보완됩니다. 따라서 구리는 경도가 낮아 기계 부품 제조에 적합하지 않은 반면, 구리와 아연의 합금 ( 놋쇠)은 이미 매우 단단하며 기계 공학에서 널리 사용됩니다. 알루미늄은 연성이 높고 충분한 가벼움(저밀도)을 갖고 있지만 너무 무르다. 이를 바탕으로 마그네슘, 구리 및 망간 합금이 준비됩니다-두랄루민 (두랄루민)은 잃지 않고 유익한 특성알루미늄은 높은 경도를 가지며 항공기 제작에 적합합니다. 철과 탄소(및 기타 금속의 첨가물)의 합금은 널리 알려져 있습니다. 주철그리고 강철.
자유금속은 복원자.그러나 일부 금속은 코팅되어 있기 때문에 반응성이 낮습니다. 표면산화막, 물, 산 및 알칼리 용액과 같은 화학 시약에 대한 내성이 다양합니다.
예를 들어, 납은 항상 산화막으로 덮여 있습니다. 용액으로 전환하려면 시약(예: 묽은 질산)에 노출되어야 할 뿐만 아니라 가열도 필요합니다. 알루미늄의 산화막은 물과의 반응을 방지하지만 산과 알칼리에 의해 파괴됩니다. 느슨한 산화막 (녹)는 습한 공기 중에서 철 표면에 형성되어 철의 추가 산화를 방해하지 않습니다.
영향을 받고 집중된금속에 산이 형성됨 지속 가능한산화막. 이 현상을 패시베이션. 그래서 집중적으로 황산 Be, Bi, Co, Fe, Mg 및 Nb와 같은 금속은 부동태화되고(산과 반응하지 않음) 농축된 질산에서는 금속 A1, Be, Bi, Co, Cr, Fe, Nb, Ni, Pb , Th 및 U.
산성 용액에서 산화제와 상호작용할 때 대부분의 금속은 양이온으로 변환되며, 그 전하는 안정적인 산화 상태에 따라 결정됩니다. 이 요소의화합물(Na +, Ca 2+, A1 3+, Fe 2+ 및 Fe 3+)
산성 용액에서 금속의 환원 활성은 일련의 응력에 의해 전달됩니다. 대부분의 금속은 염산 및 묽은 황산을 사용하여 용액으로 이동하지만 Cu, Ag 및 Hg는 황산(농축) 및 질산으로만, Pt 및 Au는 "레지아 보드카"를 사용하여 용액으로 이동합니다.
금속 부식
금속의 바람직하지 않은 화학적 특성은 물과 접촉하고 물에 용해된 산소의 영향으로 활성 파괴(산화)된다는 것입니다. (산소 부식).예를 들어, 철 제품이 물에 부식되어 녹이 발생하고 제품이 분말로 부서지는 현상이 널리 알려져 있습니다.
용해된 가스 CO 2 및 SO 2의 존재로 인해 물에서도 금속 부식이 발생합니다. 산성 환경이 생성되고 H+ 양이온이 대체됩니다. 활성 금속수소 H 2의 형태로 ( 수소 부식).
두 개의 서로 다른 금속 사이의 접촉 영역은 특히 부식성이 있을 수 있습니다( 접촉 부식).갈바니 쌍은 Fe와 같은 한 금속과 Sn 또는 Cu와 같은 물에 있는 다른 금속 사이에서 발생합니다. 전자의 흐름은 전압계열에서 왼쪽에 있는 금속(Re)에서 활성이 낮은 금속(Sn, Cu)으로 이동하며, 활성이 높은 금속은 파괴(부식)됩니다.
습한 환경에 보관하고 부주의하게 다루면 캔(주석을 입힌 철)의 주석 도금 표면이 녹슬는 현상이 발생합니다(철은 작은 흠집이라도 생기면 금방 무너져 수분과 접촉하게 됩니다). 반대로, 쇠통의 아연도금 표면은 긁힌 자국이 있어도 부식되는 것은 철이 아니라 아연(철보다 활성이 더 강한 금속)이기 때문에 오랫동안 녹슬지 않습니다.
특정 금속의 내식성은 보다 활성이 높은 금속으로 코팅하거나 융합할 때 증가합니다. 따라서 철에 크롬을 코팅하거나 철과 크롬의 합금을 만들면 철의 부식이 사라집니다. 크롬 도금 철 및 크롬을 함유한 강철( 스테인레스 스틸), 높은 내식성을 가지고 있습니다.
전기 야금학즉, 용융물(가장 활성이 높은 금속의 경우) 또는 염 용액을 전기분해하여 금속을 얻는 것입니다.
건식야금술즉, 고온에서 광석으로부터 금속을 회수하는 것(예를 들어 용광로 공정에서 철을 생산하는 것)
습식 야금술즉, 보다 활성이 높은 금속에 의한 염 용액으로부터 금속의 분리(예를 들어, 아연, 철 또는 알루미늄의 작용에 의한 CuSO 4 용액으로부터 구리의 생성).
천연 금속은 때때로 자연에서 발견되지만(전형적인 예로는 Ag, Au, Pt, Hg) 금속은 화합물 형태로 발견되는 경우가 더 많습니다( 금속 광석). 금속은 지각에 풍부하게 존재합니다. 가장 일반적인 것(Al, Na, Ca, Fe, Mg, K, Ti)부터 가장 희귀한 것(Bi, In, Ag, Au, Pt, Re)까지 다양합니다.
제4기 내화금속(Mn, Cr, Fe, Ni, Co)의 진공증류
현재 증류에 사용되는 가장 내화성이 높고 휘발성이 낮은 금속은 망간, 크롬, 철, 니켈 및 코발트입니다. 이들 금속은 모두 가장 중요한 기술 합금의 일부입니다.
기계 및 물리적 특성철, 니켈 및 기타 특정 원소를 기반으로 한 합금, 특히 다양한 내열 합금의 특성은 주로 출발 물질의 순도에 따라 결정됩니다. 비금속 개재물과 가용성 공융을 형성하는 수많은 불순물이 잘 알려져 있습니다. 연성, 내열성, 내식성 등 합금의 많은 특성을 급격히 악화시킵니다. 특히 납, 비스무트, 카드뮴, 황, 인, 질소 및 산소는 이러한 모든 금속의 유해한 불순물입니다. 4기는 특성 연구와 합금 특성 변화에 대한 합금 첨가제의 영향을 연구하는 관점 모두에서 전극 제조, X 양극용 순수 금속이 필요합니다. -선 튜브 및 이온 장치의 일부 생산용 순수 철은 수은 증기와 거의 상호 작용하지 않으며 약간의 오염에도 매우 민감한 산화물 음극이 있는 튜브에 사용할 수 있습니다. 순철은 투자율이 높아 자기장을 차폐하는 데 사용할 수 있습니다. 다양한 내화금속 코팅에는 고순도 니켈이 필요합니다. 다양한 화합물 제조를 위해 화학 산업에서 상당한 양의 4기 순금속이 소비됩니다. 문제의 금속 특성에 불순물이 미치는 영향에 대한 자세한 정보는 논문에서 확인할 수 있습니다.
4기 내화 금속을 정제하는 가장 일반적인 방법은 산화환원 공정(종종 수소 처리)의 결과로 불순물을 화학적으로 결합한 후 진공에서 용융하는 동안 가스를 제거하고 불순물을 증류하는 것입니다. 지난 5~10년 동안 진공에서 용융 금속을 처리하는 것이 널리 보급되었습니다. 순금속뿐만 아니라 철강 및 기타 합금에도 사용됩니다. 고려되는 문제의 범위가 이 주제의 범위를 훨씬 넘어서는 관련 작업을 자세히 다룰 수는 없으므로 증류 작업에 대한 설명에만 국한하겠습니다. 특정 금속그리고 금속 불순물을 증류하기 위해 사용됩니다. 금속의 진공 용해 및 가스 불순물 제거에 관한 자세한 정보는 수많은 기사 모음 및 논문에서 찾을 수 있습니다.
이 단락에서 고려되는 금속 중에서 철, 니켈 및 코발트는 주기율표 VIII 족의 철 하위 그룹에 포함됩니다. 이들 금속의 주요 불순물로는 관련 원소 외에 구리, 규소, 망간, 크롬, 알루미늄, 탄소, 인, 황 및 가스(N 2, O 2, H 2)가 있습니다. 관련 원소의 특성이 유사하기 때문에 증류 중 정제 정도는 낮지만 이러한 금속을 소량 첨가하면 주원소의 특성에 거의 영향을 미치지 않습니다. 철 하위군의 모든 순수 금속은 실온 이하에서 연성을 가지며, 니켈은 액체 헬륨 온도(4.2°K)까지 연성을 가집니다. 그러나 가스 함량과 일부 금속 불순물이 증가하면 금속이 연성 상태에서 취성 상태로 전이되는 온도가 증가할 수 있습니다. 따라서 >0.005% O 2 를 함유한 철은 20°C에서 부서지기 쉽습니다. 코발트는 철이나 니켈보다 연성이 낮으며 이는 순도가 부족하기 때문일 수 있습니다. 고려 중인 세 가지 금속 모두 유사한 증기압 값을 갖습니다. 증류는 일반적으로 융점보다 20-50 ° C 높은 온도에서 수행되지만 모두 1100 ° C 이상의 온도에서 진공에서 승화됩니다.
철 하위 그룹의 금속과 달리 고순도 크롬과 망간은 실온에서 부서지기 쉽습니다. 탄소, 황, 질소 및 산소와 같은 불순물의 농도가 미량이라도 기계적 특성이 급격히 저하됩니다. 가장 순수한 크롬의 경우 취성 상태에서 플라스틱 상태로 전환되는 온도는 50°C에 가깝습니다. 그러나 금속을 더욱 정제하여 이 온도를 낮추는 것이 가능합니다.
현재 실온에서 크롬이 부서지기 쉬운 주요 원인은 0.001% 미만의 양으로 크롬에 질소와 산소가 존재하기 때문인 것으로 알려져 있습니다. 크롬이 플라스틱 상태로 변하는 온도는 알루미늄, 구리, 니켈, 망간, 코발트를 첨가하면 급격히 증가합니다. 크롬을 분리된 부피로 증류함으로써 질소로부터 크롬을 정제하는 큰 효과를 얻을 수도 있다.
망간은 α상(최대 700°C)의 전체 존재 범위에 걸쳐 깨지기 쉬운 반면, 고온 상(β- 및 γ-Μπ)은 상당히 가소성입니다. α-Μn의 취약성에 대한 이유는 충분히 연구되지 않았습니다.
크롬과 망간은 녹는점보다 낮은 증기압을 가지고 있습니다. 크롬은 1200°C 이상에서 눈에 띄는 속도로 진공에서 승화합니다. 크롬의 녹는점은 약 1900°C이므로 승화로 인해 진공에서 녹이는 것은 불가능합니다. 일반적으로 원래 금속 또는 응축수의 용융은 700mmHg 이상의 압력에서 불활성 가스에서 수행됩니다. 미술. 망간은 승화와 액상 모두에서 증류됩니다.
일반적으로 문제의 모든 금속을 증류하면 ~99.99% 순도의 응축물이 생성될 수 있습니다. 그러나 매우 효율적인 청소는 온도 구배가 있는 콘덴서를 사용할 때만 가능합니다. 크롬과 망간의 증류는 주로 Kroll과 저자의 실험실에서 자세히 연구되었습니다.
진공 상태에서 망간의 증류는 Tiede와 Birnbrauer에 의해 처음으로 기술되었습니다. Geiler는 이 공정을 자세히 연구하고 생성된 고순도 망간의 여러 특성을 조사했습니다. 길이 600mm, 직경 100mm의 석영 튜브에서 증류를 수행했습니다. 망간은 마그네사이트 도가니에서 증발하고 다른 유사한 도가니에서 응축되었습니다. 금속은 전류에 의해 가열되었습니다. 고주파. 증발은 1-2 mm Hg의 진공에서 ~ 1250 ° C의 온도에서 수행되었습니다. 미술. 처럼 소스 자료우리는 순도 ~99%의 알루미늄열열 금속과 공업용 망간(~96~98%)을 사용했습니다. 단일 증류의 결과를 표에 나타내었다. 48. 순금속의 수율은 적재 중량의 -50%였다. 지정된 공정 매개변수와 2.7kg의 하중으로 5시간 만에 0.76kg의 순금속을 얻었습니다. Geyler 설치에서는 금속과 파이프 재료 사이의 상호 작용 가능성이 제거되지 않았으므로 여러 실험에서 증류액이 실리콘으로 오염되었습니다.
일반 요약
최근까지 내화성 금속인 바나듐, 크롬, 니오븀, 탄탈륨, 몰리브덴 및 텅스텐은 주로 철, 니켈, 코발트, 알루미늄, 구리와 같은 금속을 기반으로 한 합금을 합금하는 데 사용되었습니다. 한정수량전구 및 화학 산업과 같은 다른 산업 분야에서도 마찬가지입니다.
합금화의 경우 불순물이 1~2% 함유된 금속이면 충분했습니다. 이러한 불순물 함량을 지닌 내화 금속은 매우 부서지기 쉬우며 구조용 재료로 사용하기에 적합하지 않습니다. 그러나 내화성 금속의 연성은 순도가 증가함에 따라 증가하며, 불순물 함량이 매우 낮은 이러한 금속을 생산하는 방법이 개발된 이후 구조 재료로 사용하는 문제가 상당히 현실화되었습니다.
내화성 금속은 일반적으로 활성 금속이나 수소로 염이나 산화물을 환원하거나 전기분해하여 얻습니다.
바나듐은 오산화인을 칼슘으로 환원하거나 삼염화바나듐을 마그네슘이나 칼슘으로 환원하여 얻습니다. 가장 순수한 바나듐은 요오드화법과 용융염의 전해 정제를 통해 얻습니다.
충분히 순수한 크롬을 얻는 간단한 방법은 수용액으로부터 전해 침전하는 것입니다. 그러나 전해 크롬에는 상당한 양의 산소와 수소가 포함되어 있습니다. 매우 순수한 크롬은 요오드화물 방법뿐만 아니라 기술적으로 순수한 크롬의 진공 증류 및 수소 정제를 통해 얻습니다.
니오븀은 일반적으로 탄탈륨과 함께 자연에서 발생합니다. 따라서 이러한 금속을 순수한 형태로 얻을 때는 세심한 분리가 필요합니다. 분리 후, 플루오로탄탈레이트를 나트륨 또는 기타 활성 금속으로 환원하여 순수한 탄탈륨을 얻습니다. 니오븀은 탄탈륨과 니오븀이 분리될 때 생성되는 탄화니오븀이나 산화물에서 추출됩니다. 니오븀은 플루오로니오브산칼륨을 전기분해하고 5염화니오븀을 수소로 환원하여 얻을 수도 있습니다. 최종 정제를 위해 탄탈륨과 니오븀을 고진공 상태에서 녹입니다.
몰리브덴과 텅스텐은 정제된 산화물, 염화물 또는 암모늄염을 수소로 환원하여 얻습니다.
광석에서 추출한 후 대부분의 내화 금속은 분말이나 스폰지 형태라는 점에 유의해야 합니다. 따라서 이를 컴팩트한 형태로 얻기 위해 분말야금 방법, 아크 용해, 그리고 최근에는 매우 효과적인 전자빔 용해가 사용됩니다.
물리적이고 화학적 특성순수 내화 금속
여기에서 고려되는 내화성 금속은 하위 그룹 VA(바나듐, 니오븀 및 탄탈륨) 및 VIA(크롬, 몰리브덴 및 텅스텐)에 속합니다.
순수 내화 금속의 일부 물리적 특성이 표에 나와 있습니다. 25.
순수 내화 금속의 다른 물리적 특성 중에서 열 중성자 포획을 위한 상대적으로 작은 단면적(니오븀 1.1, 몰리브덴 2.4, 크롬 2.9 및 텅스텐 4.7 헛간)에 주목해야 합니다. 절대 영도에 가까운 온도에서 가장 순수한 텅스텐과 몰리브덴은 초전도체입니다.
이는 초전도 상태로의 전이 온도가 각각 5.9°K와 4.5°K인 바나듐, 니오븀, 탄탈륨에도 적용됩니다.
순수 내화 금속의 화학적 성질은 매우 다릅니다. 크롬은 실온에서 공기와 물에 강합니다. 온도가 상승함에 따라 크롬의 활성도가 증가하고 할로겐, 질소, 탄소, 규소, 붕소 및 기타 여러 원소와 직접 결합하여 산소 속에서 연소됩니다.
바나듐은 화학적으로 활성입니다. 바나듐은 이미 300°C 이상의 온도에서 산소, 수소 및 질소와 상호작용하기 시작합니다. 바나듐은 150-200°C로 가열되면 할로겐과 직접 반응합니다.
몰리브덴은 실온에서 공기와 산소 중에서 안정적이지만 400°C 이상으로 가열하면 집중적으로 산화되기 시작합니다. 수소와 화학적으로 반응하지 않지만 약하게 흡수합니다. 몰리브덴은 상온에서 불소와 적극적으로 상호 작용하고 180 ° C에서 염소와 상호 작용하기 시작하며 요오드 증기와 거의 반응하지 않습니다.
텅스텐은 실온에서는 공기와 산소 중에서 안정적이지만 500°C 이상으로 가열하면 강하게 산화됩니다. 텅스텐은 녹는점까지 수소와 반응하지 않습니다. 실온에서는 불소와, 300°C 이상의 온도에서는 염소와 반응하며 요오드 증기와는 매우 어렵게 반응합니다.
고려 중인 금속 중에서 순수 탄탈륨과 니오븀은 내식성이 가장 높은 것이 특징입니다. 염산, 황산, 질산 및 기타 산에서는 안정적이지만 알칼리에서는 다소 덜 안정적입니다. 많은 환경에서 순수 탄탈륨의 내화학성은 백금에 가깝습니다. 탄탈륨과 니오븀의 특징은 다량의 수소, 질소 및 산소를 흡수하는 능력입니다. 500°C 이상으로 가열하면 이들 금속은 공기 중에서 집중적으로 산화됩니다.
고온에서 내화성 금속을 사용할 가능성이 있기 때문에 산화 경향이 특히 중요합니다. 고려 중인 금속 중에서 순수한 크롬만이 산화에 대한 저항성이 높습니다. 다른 모든 내화성 금속은 500-600°C 이상의 온도에서 집중적으로 산화됩니다. 크롬의 산화에 대한 높은 저항성은 표면에 조밀한 내화성 산화막이 형성되어 금속이 추가 산화되는 것을 방지하기 때문입니다. 다른 내화 금속 표면에는 보호 산화막이 형성되지 않습니다.
몰리브덴과 바나듐의 산화물은 매우 가용성이며(융점은 각각 795°C와 660°C입니다) 휘발성이 있습니다. 니오븀, 탄탈륨 및 텅스텐의 산화물은 상대적으로 높은 융점(각각 1460, 1900 및 1470°C)을 갖지만 비체적은 해당 금속의 비체적을 크게 초과합니다. 이러한 이유로 산화막은 두께가 매우 얇더라도 금속에서 균열이 생기고 벗겨져 깨끗한 표면에 산소가 접근할 수 있게 됩니다.
기계적 성질순수 내화 금속 및 이러한 특성에 대한 불순물의 영향
설명된 모든 내화 금속은 체심 격자를 갖기 때문에 기계적 특성은 이러한 구조를 가진 금속의 특징적인 많은 특징을 갖습니다. 내화성 금속의 기계적 성질(인장 강도, 연성, 경도)은 불순물의 존재 여부에 크게 좌우됩니다. 극소량의 불순물이라도 플라스틱 특성에 미치는 부정적인 영향은 매우 큽니다.
체심금속의 기계적 특성을 변화시키는 결정적인 역할은 격자간 공간으로 유입되는 탄소, 질소, 산소, 수소 등의 격자간 불순물에 의해 이루어진다.
따라서 아크로에서 용융된 몰리브덴에서 탄소 함량은 0.01%로 감소할 수 있고, 가스 함량은 산소 1ppm까지 매우 작은 값으로 감소할 수 있습니다. 이러한 막대는 약 -50°C의 온도까지 파괴되지 않고 구부러질 수 있지만 충격 테스트 중에 파손됩니다.
구역 제련을 통해 몰리브덴의 탄소 함량을 0.01%에서 0.002% 이하로 줄일 수 있습니다. 충격 테스트 동안 구역 청소 로드는 -140°C까지 연성을 유지합니다. 몰리브덴(및 기타 내화성 금속)의 연성은 격자간 불순물에 대한 순도의 함수라는 것이 분명합니다. 이러한 불순물이 없는 몰리브덴 및 기타 내화성 금속은 냉간 가공(롤링, 스탬핑 및 기타 유사한 작업)을 쉽게 견딜 수 있습니다.
산소로부터 몰리브덴을 정제하는 정도는 취성 상태로의 전환 온도에 매우 큰 영향을 미칩니다. 0.01% O2에서는 +300°C, 0.002% O2에서는 +25°C, 0.0001% O2에서는 +2입니다. - 영하 196° 와.
현재 길이 약 500mm, 단면적 25x75mm의 대형 몰리브덴 단결정이 성장하고 있습니다(전자빔 가열을 이용한 영역 용융 방법). 이러한 단결정은 40ppm 미만의 총 격자간 불순물 함량으로 높은 재료 순도를 달성합니다. 이러한 가장 순수한 몰리브덴 단결정은 액체 헬륨 온도까지 매우 높은 가소성을 특징으로 합니다.
몰리브덴 단결정은 파괴되지 않고 180도 구부러질 수 있습니다. 직경 12mm의 몰리브덴 단결정에서 냉간 변형은 직경 30미크론, 길이 700-800m의 와이어 또는 두께가 있는 호일을 생성할 수 있습니다. 50 마이크론의, 복종될 수 있습니다 콜드 스탬핑배기 후드는 전기 진공 장치의 중요한 부품을 확보하는 데 매우 중요합니다.
텅스텐, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨과 같은 다른 내화 금속의 단결정을 얻는 데 유사한 방법이 사용됩니다. 현재 텅스텐은 전자빔 존 용융에 의해 직경 약 5mm, 길이 약 250mm의 고밀도 및 순도(99.9975% W)의 단결정 형태로 생산된다. 이 텅스텐은 -170°C의 온도에서도 플라스틱입니다.
전자빔 용해에 의해 얻은 텅스텐 단결정은 실온에서 두 번 굽힘을 견딜 수 있는데, 이는 이 금속이 연성에서 취성 상태로 전이하는 온도가 매우 낮음을 나타냅니다. 일반 텅스텐의 경우 취성 상태로의 전환이 시작되는 온도는 700°C 이상입니다.
텅스텐 단결정은 냉간 가공에 쉽게 견딜 수 있으며 현재 와이어, 막대 재료, 시트 및 기타 반제품 제조에 사용됩니다. 단결정 니오븀은 실온에서 최대 90% 압축까지 변형될 수 있으며 액체 질소 온도(-194°C)에서 상당히 높은 연성을 유지합니다. 80% 압축된 탄탈륨 단결정도 와이어를 만들 때 여전히 충분한 연성을 갖고 있습니다.
우수한 연성, 최소한의 가공 경화, 높은 내식성 및 우수한 안정성은 전자빔 영역 용융에 의해 단결정 형태로 얻은 고순도 내화 금속의 특징입니다. 전자 빔 용해의 다결정 잉곳 또는 구역 용해에 의해 정제된 단결정 형태의 바나듐, 니오븀 및 탄탈륨은 매우 깊은 냉각에서도 부서지지 않습니다.
순수 내화금속의 적용
순수 내화 금속(향후에는 분명히 이 형태로만 사용될 것임)의 사용은 두 가지 주요 방향으로 발전하고 있습니다. 1) 초음속 항공기, 유도 미사일, 미사일 및 우주선; 2) 전자 장비의 경우. 두 경우 모두 매우 높은 연성을 갖는 가장 순수한 금속이 필요하며, 이는 위에서 본 것처럼 격자간 불순물로부터 내화성 금속을 심층적으로 정제하여 달성됩니다.
650-870°C의 온도에서 작동할 수 있는 내열강 및 니켈 및 코발트 기반 합금은 더 이상 초음속 항공 및 로켓 기술의 요구 사항을 충족하지 않습니다. 1100°C 이상의 온도에서 충분한 장기 강도를 갖는 재료가 필요합니다. 이러한 재료는 소성 변형이 가능한 순수 내화성 금속(또는 이를 기반으로 한 합금)입니다.
초음속 항공기 및 미사일용 스킨을 제조하려면 최대 1300°C까지 탄탈륨 및 텅스텐보다 비강도가 더 높은 순수 몰리브덴 및 니오븀 시트가 필요합니다.
공기제트, 로켓, 터보제트 터빈의 부품은 더욱 가혹한 조건에서 작동합니다. 최대 1370°C의 온도에서 작동하는 이러한 부품을 제조하려면 순수한 몰리브덴과 니오븀을 사용하는 것이 좋습니다. 고온탄탈륨과 텅스텐만 적합합니다. 1370°C 이상의 온도에서 작업할 때 가장 큰 관심은 이러한 온도에서 상대적으로 높은 연성을 갖고 내열성이 텅스텐보다 열등하지 않은 순수 탄탈륨과 그 합금에 있습니다.
가장 가혹한 조건가스 터빈 부품이 작동합니다. 이러한 부품의 경우 허용 가능한 내산화성을 갖는 순수 니오븀 및 이를 기반으로 한 합금이 가장 적합합니다.
가장 순수한 내화 금속은 전자 및 진공 기술에서 다양한 용도로 사용됩니다. 탄탈륨은 우수한 게터이며 진공관 생산에 널리 사용됩니다. 니오븀은 양극, 그리드, 튜브 및 기타 부품 제조를 위한 전기 진공 기술에 사용됩니다. 몰리브덴과 텅스텐은 필라멘트, 전극, 후크, 펜던트, 양극 및 그리드 제조용 전기 진공 장치 및 무선 튜브에 사용됩니다.
고순도 및 기공이 없는 텅스텐 단결정은 가스가 없는 것이 중요한 요소인 전기 진공 장치, 전기 접점, 진공 스위치, 진공 설비 입력 장치의 음극 히터로 사용됩니다.
전자빔 용해를 통해 생산된 순수 내화 금속은 미니어처 생산에 직접 적용됩니다. 전자 기기. 내화성 금속 화합물을 분무하거나 열분해하여 얻은 순수 내화성 금속으로 만들어진 코팅이 중요합니다.
낮은 덕분에 순수한 바나듐과 니오븀 교차 구역열중성자 포획에 성공 원자력 에너지. 바나듐은 벽이 얇은 파이프를 만드는 데 사용됩니다. 원자로, 우라늄과 합금되지 않고 열전도율이 좋고 내식성이 충분하기 때문에 연료 요소의 껍질입니다.
순수한 니오븀은 종종 냉각제로 사용되는 용융 나트륨 및 비스무스와 상호 작용하지 않으며 우라늄과 부서지기 쉬운 화합물을 형성하지 않습니다.
높은 내식성으로 인해 순수 탄탈륨은 인공 섬유 생산과 같이 공격적인 산성 환경에서 작동하는 화학 장비 부품 제조에 사용됩니다. 최근에는 탄탈륨이 순수 니오븀으로 대체되는 경우가 많습니다. 이는 자연적으로 더 저렴하고 풍부합니다. 순수 크롬도 비슷한 용도로 사용됩니다. 이러한 예는 가장 순수한 내화 금속의 계속 확장되는 응용 분야를 소진시키지 않습니다.
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