Ogólna charakterystyka metali. Otrzymywanie metali o wysokiej czystości Ogólne właściwości fizyczne metali

Pozwala zaoszczędzić surowce energetyczne (koks, węgiel) i uzyskać większą wydajność produkt końcowy z surowców, skrócić cykl produkcyjny przy jednoczesnym podwyższeniu jakości i poprawie stanu środowiska atmosfery. Jest to metalurgia, czyli redukcja metali za pomocą wodoru.

Prehistoria, czyli w przyszłość czystych metali

Metalurgia towarzyszy ludzkości od epoki brązu i żelaza. Nawet 14 wieków p.n.e. mi. starożytni ludzie wytapiali żelazo metodą piecową. Zasadą była redukcja rudy żelaza węglem w stosunkowo niskiej temperaturze 1000°C. W rezultacie otrzymali kritsę - żelazną gąbkę, którą następnie kuto w celu uzyskania półfabrykatu, z którego wykonano artykuły gospodarstwa domowego i broń.

Już w XIV wieku zaczęły pojawiać się prymitywne piece i wielkie piece, które położyły podwaliny pod nowoczesne procesy metalurgiczne: wielkopiecowy, martenowski i konwertorowy. Obfitość złóż węgla i rud żelaza przez długi czas ugruntowała te metody jako główne. Jednak rosnące wymagania dotyczące jakości produktów, oszczędności zasobów i bezpieczeństwa środowiska doprowadziły do ​​​​tego, że już w połowie XIX wieku zaczęto wracać do korzeni: stosować bezpośrednią redukcję czystych metali. Pierwsza nowoczesna tego typu instalacja pojawiła się w 1911 roku w Szwecji, produkując małe partie metali wytwarzanych za pomocą wodoru o czystości 99,99%. W tamtym czasie jedynymi odbiorcami były laboratoria badawcze. W 1969 roku otwarto fabrykę w Portland (USA), produkującą do 400 tysięcy ton czystych metali. A już w 1975 roku tą metodą wyprodukowano na świecie 29 milionów ton stali.

Obecnie takich produktów oczekuje nie tylko przemysł lotniczy, przyrządowy, przedsiębiorstwa produkujące instrumenty medyczne i elektronikę, ale także wiele innych. Technologia ta zyskała szczególne zalety w metalurgii metali nieżelaznych, ale w niedalekiej przyszłości także w „metalurgii wodorowo-żelazowej”.

Czyste metale

metale o niskiej zawartości zanieczyszczeń. W zależności od stopnia czystości wyróżnia się metale o wysokiej czystości (99,90-99,99%), metale o wysokiej czystości lub chemicznie czyste (99,99-99,999%), metale o szczególnej czystości lub o czystości widmowej, metale ultraczyste (ponad 99,999%) ).

Duży Encyklopedia radziecka. - M .: Encyklopedia radziecka. 1969-1978 .

Zobacz, co „czyste metale” znajdują się w innych słownikach:

czyste metale- Metale o niskiej zawartości zanieczyszczeń (< 5 мас. %). Выделяют м. повыш. чистоты (от 99,90 до 99,99 %) и особой чистоты (от 9,999 до 99,9999 %). Тематики металлургия в целом EN pure metals … Przewodnik tłumacza technicznego

Metale lub stopy o niskiej zawartości zanieczyszczeń. W zależności od stopnia czystości rozróżnia się metale por. czystość lub czystość techniczna (99,0 99,90%). zwiększyć czystość (99,90 99,99%), wysoka czystość lub czystość chemiczna (99,99 99,999%). specjalne... ... Wielki encyklopedyczny słownik politechniczny

czyste metale- metale o niskiej zawartości zanieczyszczeń (< 5 мас. %). Выделяют металлы повышенной чистоты (от 99,90 до 99,99 %) и особой чистоты (от 9,999 до 99,9999%); Смотри также: Металлы щелочные металлы ультрачистые металлы тяжелые металлы …

CZYSTE METALE- sprawdź stopień czystości metalu lub stopu... Słownik metalurgiczny

Proste substancje, które w normalnych warunkach mają charakterystyczne właściwości: wysoką przewodność elektryczną i cieplną, ujemny współczynnik temperaturowy przewodności elektrycznej oraz zdolność dobrego odbijania fale elektromagnetyczne… …

- (z greckiego metalon, pierwotnie kopalnia, ruda, kopalnia), proste w va, które w normalnych warunkach mają charakterystyczne właściwości: wysoką przewodność elektryczną i cieplną, ujemny współczynnik temperaturowy. przewodność elektryczna, dobra zdolność... ... Encyklopedia fizyczna

ultraczyste metale- metale o wysokiej czystości, ultraczyste, w których udział masowy zanieczyszczeń nie przekracza 1 10 3%. Główne etapy technologii produkcji metali ultraczystych: otrzymywanie czystych związków chemicznych, przywracanie ich do stanu... ... słownik encyklopedyczny w metalurgii

Metale o wysokiej czystości, zwłaszcza czyste metale, metale, których łączna zawartość zanieczyszczeń nie przekracza 1․10 3% (wagowo). Główne etapy technologii produkcji chemicznej: otrzymywanie czystych związków chemicznych, przywracanie ich do stanu... ... Wielka encyklopedia radziecka

metale radioaktywne- metale zajmujące miejsca w układzie okresowym pierwiastków o liczbie atomowej większej niż 83 (Bi), emitujące cząstki radioaktywne: neutrony, protony, cząstki alfa, beta lub kwanty gamma. Występuje w naturze: At, Ac, Np, Pa, Po... Encyklopedyczny słownik metalurgii

metale przejściowe- pierwiastki Ib i VIIIb podgrupy układu okresowego. W atomach metali przejściowych powłoki wewnętrzne są wypełnione tylko częściowo. Istnieją d metale, w których następuje stopniowe wypełnianie 3d (od Se do Ni), 4d (od Y do ... ... Encyklopedyczny słownik metalurgii

Jeśli w układzie okresowym pierwiastków D.I. Mendelejewa narysujemy przekątną od berylu do astatyny, to w lewym dolnym rogu wzdłuż przekątnej znajdą się elementy metalowe (obejmują one również elementy podgrup bocznych, zaznaczone na niebiesko), a w prawym górnym rogu - elementy niemetalowe (podświetlone na żółto). Elementy znajdujące się w pobliżu przekątnej - półmetale lub metaloidy (B, Si, Ge, Sb itp.) mają charakter dualny (podświetlony na różowo).

Jak widać na rysunku, zdecydowana większość pierwiastków to metale.

Ze względu na swoją naturę chemiczną metale są pierwiastkami chemicznymi, których atomy oddają elektrony z zewnętrznych lub przedzewnętrznych poziomów energii, tworząc dodatnio naładowane jony.

Prawie wszystkie metale mają stosunkowo duże promienie i niewielką liczbę elektronów (od 1 do 3) na zewnętrznym poziomie energii. Metale charakteryzują się niskimi wartościami elektroujemności i właściwościami redukującymi.

Najbardziej typowe metale znajdują się na początku okresów (począwszy od drugiego), następnie od lewej do prawej właściwości metaliczne słabną. W grupie od góry do dołu właściwości metaliczne rosną wraz ze wzrostem promienia atomów (ze względu na wzrost liczby poziomów energetycznych). Prowadzi to do zmniejszenia elektroujemności (zdolności przyciągania elektronów) pierwiastków i wzrostu właściwości redukcyjnych (zdolność oddawania elektronów innym atomom w reakcjach chemicznych).

Typowy metale są pierwiastkami s (pierwiastki grupy IA od Li do Fr. elementy grupy PA od Mg do Ra). Ogólny wzór elektronowy ich atomów to ns 1-2. Charakteryzują się odpowiednio stopniami utlenienia + I i + II.

Mała liczba elektronów (1-2) na zewnętrznym poziomie energii typowych atomów metali powoduje, że elektrony te łatwo ulegają utracie i wykazują silne właściwości redukujące, co znajduje odzwierciedlenie w niskich wartościach elektroujemności. Oznacza to ograniczone właściwości chemiczne i metody otrzymywania typowych metali.

Cechą charakterystyczną typowych metali jest tendencja ich atomów do tworzenia kationów i jonowych wiązań chemicznych z atomami niemetali. Związki typowych metali z niemetalami to kryształy jonowe „metalionu niemetalu”, np. K + Br -, Ca 2+ O 2-. Kationy typowych metali wchodzą także w skład związków z anionami złożonymi - wodorotlenkami i solami, np. Mg 2+ (OH -) 2, (Li +) 2CO 3 2-.

Metale z grupy A tworzące amfoteryczną przekątną układu okresowego Be-Al-Ge-Sb-Po, a także metale z nimi sąsiadujące (Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi) nie wykazują typowych cech metalicznych nieruchomości. Ogólny wzór elektroniczny ich atomów ns 2 n.p. 0-4 wiąże się z większą różnorodnością stopni utlenienia, większą zdolnością do zatrzymywania własnych elektronów, stopniowym zmniejszaniem się ich zdolności redukcyjnych i pojawianiem się zdolności utleniających, zwłaszcza na wysokich stopniach utlenienia (typowymi przykładami są związki Tl III, Pb IV, Bi v) . Podobne zachowanie chemiczne jest charakterystyczne dla większości (pierwiastków d, tj. pierwiastków z grup B układu okresowego ( typowe przykłady- pierwiastki amfoteryczne Cr i Zn).

Ten przejaw dualności (amfoterycznych) właściwości, zarówno metalicznych (zasadowych), jak i niemetalicznych, wynika z natury wiązania chemicznego. W stanie stałym związki metali nietypowych z niemetalami zawierają głównie wiązania kowalencyjne (ale słabsze niż wiązania między niemetalami). W roztworze wiązania te łatwo ulegają rozerwaniu, a związki dysocjują na jony (w całości lub w części). Na przykład metaliczny gal składa się z cząsteczek Ga 2; w stanie stałym chlorki glinu i rtęci (II) AlCl 3 i HgCl 2 zawierają silnie wiązania kowalencyjne, ale w roztworze AlCl 3 dysocjuje prawie całkowicie, a HgCl 2 - do w bardzo małym stopniu (a następnie na jony HgCl + i Cl -).

Ogólne właściwości fizyczne metali

Ze względu na obecność wolnych elektronów („gazu elektronowego”) w sieci krystalicznej wszystkie metale wykazują następujące charakterystyczne właściwości ogólne:

1) Plastikowy- możliwość łatwej zmiany kształtu, rozciągania w drut i zwijania w cienkie arkusze.

2) Metaliczny połysk i nieprzezroczystość. Dzieje się tak na skutek oddziaływania wolnych elektronów ze światłem padającym na metal.

3) Przewodnictwo elektryczne. Wyjaśnia się to kierunkowym ruchem wolnych elektronów od bieguna ujemnego do dodatniego pod wpływem niewielkiej różnicy potencjałów. Po podgrzaniu przewodność elektryczna maleje, ponieważ Wraz ze wzrostem temperatury nasilają się drgania atomów i jonów w węzłach sieci krystalicznej, co komplikuje kierunkowy ruch „gazu elektronowego”.

4) Przewodność cieplna. Jest to spowodowane dużą ruchliwością wolnych elektronów, dzięki czemu temperatura szybko wyrównuje się nad masą metalu. Najwyższą przewodność cieplną stwierdzono w bizmucie i rtęci.

5) Twardość. Najtwardszy jest chrom (tnie szkło); najmiększe metale alkaliczne - potas, sód, rubid i cez - tnie się nożem.

6) Gęstość. Im mniejsza masa atomowa metalu i im większy promień atomu, tym jest on mniejszy. Najlżejszy jest lit (ρ=0,53 g/cm3); najcięższy jest osm (ρ=22,6 g/cm3). Za „metale lekkie” uważa się metale o gęstości mniejszej niż 5 g/cm3.

7) Temperatura topnienia i wrzenia. Najbardziej topliwym metalem jest rtęć (mp = -39°C), najbardziej ogniotrwałym metalem jest wolfram (mp = 3390°C). Metale o temperaturze topnienia powyżej 1000°C uważa się za ogniotrwałe, poniżej – niskotopliwe.

Ogólne właściwości chemiczne metali

Silne środki redukujące: Me 0 – nē → Men n +

Szereg napięć charakteryzuje porównawczą aktywność metali w reakcjach redoks w roztworach wodnych.

I. Reakcje metali z niemetalami

1) Z tlenem:
2Mg + O2 → 2MgO

2) Z siarką:
Hg + S → HgS

3) Z halogenami:
Ni + Cl 2 – t° → NiCl 2

4) Z azotem:
3Ca + N 2 – t° → Ca 3 N 2

5) Z fosforem:
3Ca + 2P – t° → Ca 3 P 2

6) Z wodorem (reagują tylko metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych):
2Li + H2 → 2LiH

Ca + H 2 → CaH 2

II. Reakcje metali z kwasami

1) Metale z szeregu napięć elektrochemicznych do H redukują kwasy nieutleniające do wodoru:

Mg + 2HCl → MgCl2 + H2

2Al+ 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

6Na + 2H 3PO 4 → 2Na 3PO 4 + 3H 2

2) Z kwasami utleniającymi:

Gdy kwas azotowy o dowolnym stężeniu i stężony kwas siarkowy oddziałują z metalami Wodór nigdy nie jest uwalniany!

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 4NO 3 + 3H 2 O

4HNO 3 (k) + Cu → Cu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

III. Oddziaływanie metali z wodą

1) Aktywne (metale alkaliczne i ziem alkalicznych) tworzą rozpuszczalną zasadę (alkaliczne) i wodór:

2Na + 2H 2O → 2NaOH + H2

Ca+ 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

2) Metale o średniej aktywności utleniają się wodą po podgrzaniu do tlenku:

Zn + H 2 O – t° → ZnO + H 2

3) Nieaktywny (Au, Ag, Pt) - nie reaguj.

IV. Wypieranie metali mniej aktywnych przez metale bardziej aktywne z roztworów ich soli:

Cu + HgCl 2 → Hg + CuCl 2

Fe+ CuSO 4 → Cu+ FeSO 4

W przemyśle często nie stosuje się czystych metali, ale ich mieszaniny - stopy, w którym korzystne właściwości jednego metalu uzupełniają korzystne właściwości innego. Zatem miedź ma niską twardość i nie nadaje się do produkcji części maszyn, natomiast stopy miedzi i cynku ( mosiądz) są już dość twarde i są szeroko stosowane w inżynierii mechanicznej. Aluminium ma wysoką ciągliwość i wystarczającą lekkość (mała gęstość), ale jest zbyt miękkie. Na jego podstawie przygotowywany jest stop z magnezem, miedzią i manganem - duraluminium (duraluminium), które bez utraty korzystne właściwości aluminium, uzyskuje dużą twardość i nadaje się do budowy samolotów. Powszechnie znane są stopy żelaza z węglem (oraz dodatkami innych metali). żeliwo I stal.

Wolne metale są konserwatorzy. Jednak niektóre metale mają niską reaktywność ze względu na fakt, że są powlekane powierzchniowa warstwa tlenku w różnym stopniu odporny na działanie odczynników chemicznych takich jak woda, roztwory kwasów i zasad.

Na przykład ołów jest zawsze pokryty warstwą tlenku; jego przejście do roztworu wymaga nie tylko ekspozycji na odczynnik (na przykład rozcieńczony kwas azotowy), ale także ogrzewania. Warstwa tlenku na aluminium zapobiega jego reakcji z wodą, ale jest niszczona przez kwasy i zasady. Luźna warstwa tlenku (rdza), powstający na powierzchni żelaza pod wpływem wilgotnego powietrza, nie zakłóca dalszego utleniania żelaza.

Pod wpływem stężony na metalach tworzą się kwasy zrównoważony film tlenkowy. Zjawisko to nazywa się pasywacja. Czyli w stężeniu Kwas Siarkowy metale takie jak Be, Bi, Co, Fe, Mg i Nb ulegają pasywacji (i wtedy nie reagują z kwasem), a w stężonym kwasie azotowym - metale A1, Be, Bi, Co, Cr, Fe, Nb, Ni, Pb , Th i U.

Podczas interakcji z utleniaczami w roztworach kwaśnych większość metali przekształca się w kationy, których ładunek zależy od stabilnego stopnia utlenienia tego elementu w związkach (Na +, Ca 2+, A1 3+, Fe 2+ i Fe 3+)

Aktywność redukująca metali w roztworze kwaśnym przenoszona jest przez szereg naprężeń. Większość metali przenosi się do roztworu za pomocą kwasu solnego i rozcieńczonych kwasów siarkowych, Cu, Ag i Hg - tylko za pomocą kwasów siarkowego (stężonego) i azotowego, a Pt i Au - za pomocą „wódki królewskiej”.

Korozja metalu

Niepożądaną właściwością chemiczną metali jest ich aktywne niszczenie (utlenianie) w kontakcie z wodą i pod wpływem rozpuszczonego w niej tlenu (korozja tlenowa). Na przykład powszechnie znana jest korozja wyrobów żelaznych w wodzie, w wyniku której tworzy się rdza, a produkty kruszą się na proszek.

Korozja metali zachodzi również w wodzie na skutek obecności rozpuszczonych gazów CO 2 i SO 2; tworzy się środowisko kwaśne i wypierane są kationy H+ metale aktywne w postaci wodoru H2 ( korozja wodorowa).

Obszar kontaktu dwóch różnych metali może być szczególnie korozyjny ( korozja kontaktowa). Para galwaniczna występuje pomiędzy jednym metalem, na przykład Fe, a innym metalem, na przykład Sn lub Cu, umieszczonym w wodzie. Przepływ elektronów przebiega od metalu bardziej aktywnego, który znajduje się po lewej stronie szeregu napięcia (Re), do metalu mniej aktywnego (Sn, Cu), a metal bardziej aktywny ulega zniszczeniu (korodowaniu).

Z tego powodu ocynowana powierzchnia puszek (żelazo pokryte cyną) rdzewieje, gdy jest przechowywana w wilgotnej atmosferze i nieostrożnie się z nią obchodzi (żelazo szybko zapada się po pojawieniu się nawet drobnej rysy, umożliwiając żelazu kontakt z wilgocią). Wręcz przeciwnie, ocynkowana powierzchnia żelaznego wiadra nie rdzewieje przez długi czas, ponieważ nawet jeśli są zadrapania, to nie żelazo koroduje, ale cynk (metal bardziej aktywny niż żelazo).

Odporność korozyjna danego metalu wzrasta w przypadku jego pokrycia metalem bardziej aktywnym lub ich stopienia; Zatem powlekanie żelaza chromem lub wytwarzanie stopu żelaza i chromu eliminuje korozję żelaza. Chromowane żelazo i stal zawierająca chrom ( Stal nierdzewna), mają wysoką odporność na korozję.

elektrometalurgia, czyli otrzymywanie metali poprzez elektrolizę stopów (dla najbardziej aktywnych metali) lub roztworów soli;

pirometalurgia, czyli odzysk metali z rud w wysokich temperaturach (np. produkcja żelaza w procesie wielkopiecowym);

hydrometalurgia, tj. oddzielanie metali od roztworów ich soli metalami bardziej aktywnymi (na przykład produkcja miedzi z roztworu CuSO 4 przez działanie cynku, żelaza lub aluminium).

Metale rodzime czasami występują w przyrodzie (typowymi przykładami są Ag, Au, Pt, Hg), ale częściej metale występują w postaci związków ( Ruda metalu). Metale występują w skorupie ziemskiej w różnej ilości: od najczęstszych - Al, Na, Ca, Fe, Mg, K, Ti) do najrzadszych - Bi, In, Ag, Au, Pt, Re.

DESTYLACJA PRÓŻNIOWA METALI Ogniotrwałych IV OKRESU (Mn, Cr, Fe, Ni, Co)

Najbardziej ogniotrwałymi i mało lotnymi metalami poddawanymi obecnie destylacji są mangan, chrom, żelazo, nikiel i kobalt. Wszystkie te metale wchodzą w skład najważniejszych stopów technicznych.

Mechaniczne i właściwości fizyczne stopy na bazie żelaza, niklu i innych określonych pierwiastków, zwłaszcza właściwości różnych stopów żaroodpornych, w dużej mierze zależą od czystości materiałów wyjściowych. Powszechnie wiadomo, że wtrącenia niemetaliczne i szereg zanieczyszczeń tworzą topliwe eutektyki gwałtownie pogarszają wiele właściwości stopów: ciągliwość, odporność cieplną, odporność na korozję itp. Szczególnie szkodliwymi zanieczyszczeniami we wszystkich tych metalach są ołów, bizmut, kadm, siarka, fosfor, azot i tlen Okres czwarty jest wyjątkowy zarówno z punktu widzenia badania ich właściwości, jak i badania wpływu dodatków stopowych na zmiany właściwości stopów. Czyste metale są potrzebne w technologii próżniowej do wytwarzania elektrod, na anody X lampy promieniowe i do produkcji niektórych części urządzeń jonowych. Czyste żelazo prawie nie wchodzi w interakcje z parami rtęci. Można je stosować w lampach z katodami tlenkowymi, które są niezwykle wrażliwe na najmniejsze zanieczyszczenia. Czyste żelazo ma wysoką przenikalność magnetyczną, co pozwala na jego zastosowanie do ekranowania pól magnetycznych. Nikiel o wysokiej czystości jest niezbędny do powlekania różnych metali ogniotrwałych. Znaczna ilość czystych metali czwartego okresu jest zużywana przez przemysł chemiczny do produkcji różnych związków. Szczegółowe informacje na temat wpływu zanieczyszczeń na właściwości danych metali można znaleźć w monografiach.

Najpopularniejszą metodą oczyszczania metali ogniotrwałych IV okresu jest chemiczne wiązanie zanieczyszczeń w wyniku procesów redoks (często przez obróbkę wodorem), a następnie odgazowanie i destylacja zanieczyszczeń podczas topienia w próżni. Przetwarzanie stopionych metali w próżni stało się powszechne w ciągu ostatnich 5-10 lat. Stosuje się go nie tylko do czystych metali, ale także do stali i innych stopów. Nie będąc w stanie szczegółowo omówić odpowiednich prac, w których zakres poruszanej problematyki znacznie wykracza poza zakres tego tematu, ograniczymy się jedynie do opisu prac dotyczących destylacji określone metale oraz do oddestylowania zanieczyszczeń metalicznych. Szczegółowe informacje dotyczące topienia próżniowego metali i usuwania zanieczyszczeń gazowych można znaleźć w szeregu zbiorów artykułów i monografii.

Spośród metali rozważanych w tym akapicie żelazo, nikiel i kobalt zaliczają się do podgrupy żelaza grupy VIII układu okresowego. Do głównych zanieczyszczeń tych metali, oprócz pokrewnych pierwiastków, zalicza się miedź, krzem, mangan, chrom, aluminium, węgiel, fosfor, siarkę i gazy (N 2, 0 2, H 2). Ze względu na podobieństwo właściwości pierwiastków pokrewnych stopień ich oczyszczenia podczas destylacji jest niski, jednak niewielkie dodatki tych metali mają niewielki wpływ na właściwości pierwiastka głównego. Wszystkie czyste metale z podgrupy żelaza są plastyczne w temperaturze pokojowej i niższej, a nikiel jest ciągliwy do temperatury ciekłego helu (4,2°K). Jednakże wzrost zawartości gazów i niektórych zanieczyszczeń metalicznych może prowadzić do wzrostu temperatury przejścia metali ze stanu plastycznego w kruchy. Zatem żelazo zawierające >0,005% 0 2 staje się kruche w temperaturze 20°C. Kobalt ma mniejszą plastyczność niż żelazo czy nikiel, co może wynikać z jego niewystarczającej czystości. Wszystkie trzy rozważane metale mają podobne wartości prężności pary. Ich destylację prowadzi się zwykle w temperaturze 20-50°C powyżej temperatury topnienia, choć wszystkie sublimują w próżni w temperaturach > 1100°C.

W przeciwieństwie do metali z podgrupy żelaza, chrom i mangan o wysokiej czystości są kruche w temperaturze pokojowej. Nawet niewielkie stężenia zanieczyszczeń takich jak węgiel, siarka, azot i tlen gwałtownie pogarszają ich właściwości mechaniczne. Dla najczystszego chromu temperatura przejścia ze stanu kruchego w plastyczny jest bliska 50°C. Można jednak obniżyć tę temperaturę poprzez dalsze oczyszczanie metalu.

Obecnie uważa się, że główną przyczyną kruchości chromu w temperaturze pokojowej jest obecność azotu i tlenu w ilościach rzędu ^0,001%. Temperatura, w której chrom przechodzi w stan plastyczny, gwałtownie wzrasta po dodaniu aluminium, miedzi, niklu, manganu i kobaltu. Możliwe, że świetny efekt oczyszczania chromu z azotu można uzyskać poprzez destylację go w wydzielonej objętości.

Mangan jest kruchy w całym zakresie istnienia fazy α (do 700°C), natomiast fazy wysokotemperaturowe (β- i γ-Μπ) są dość plastyczne. Przyczyny kruchości α-Μn nie zostały dostatecznie zbadane.

Chrom i mangan mają znaczną prężność par poniżej ich temperatury topnienia. Chrom sublimuje w próżni z zauważalną szybkością powyżej 1200°C. Ponieważ temperatura topnienia chromu wynosi około 1900°C, w wyniku sublimacji nie jest możliwe jego stopienie w próżni. Zazwyczaj topienie pierwotnego metalu lub kondensatu przeprowadza się w gazie obojętnym pod ciśnieniem większym niż 700 mm Hg. Sztuka. Mangan destylowany jest zarówno metodą sublimacji, jak i z fazy ciekłej.

Zazwyczaj destylacja wszystkich omawianych metali może dać kondensaty o czystości ~ 99,99%. Jednak wysoce skuteczne czyszczenie jest możliwe tylko w przypadku stosowania skraplaczy z gradientem temperatury. Destylacja chromu i manganu była szczegółowo badana głównie przez Krolla i w laboratorium autorów.

Destylację manganu w próżni po raz pierwszy opisali Tiede i Birnbrauer. Geiler szczegółowo zbadał ten proces i zbadał szereg właściwości powstałego manganu o wysokiej czystości. Destylację prowadzono w rurce kwarcowej o długości 600 mm i średnicy 100 mm. Mangan odparowano w tyglu magnezytowym i skondensowano w innym podobnym tyglu. Metal był podgrzewany przez prądy Wysoka częstotliwość. Odparowanie przeprowadzono w temperaturze ~1250°C w próżni 1-2 mm Hg. Sztuka. Jak materiał źródłowy Zastosowaliśmy metal aluminotermiczny o czystości ~99% oraz mangan techniczny (~96–98%). Wyniki pojedynczej destylacji przedstawiono w tabeli. 48. Wydajność czystego metalu wynosiła -50% masy ładunku. Przy zadanych parametrach procesu i obciążeniu 2,7 kg w ciągu 5 godzin otrzymano 0,76 kg czystego metalu. W instalacji Geylera nie wyeliminowano możliwości interakcji metalu z materiałem rury, dlatego też w szeregu eksperymentów destylat był zanieczyszczony krzemem.

Ogólne podsumowanie

Do niedawna metale ogniotrwałe – wanad, chrom, niob, tantal, molibden i wolfram stosowano głównie do tworzenia stopów na bazie metali takich jak żelazo, nikiel, kobalt, aluminium, miedź, a w bardzo ograniczone ilości w innych gałęziach przemysłu, takich jak przemysł żarówkowy i chemiczny.
Do tworzenia stopów wystarczyły metale zawierające 1-2% zanieczyszczeń. Metale ogniotrwałe o takiej zawartości zanieczyszczeń są wyjątkowo kruche i nie nadają się do stosowania jako materiały konstrukcyjne. Jednakże ciągliwość metali ogniotrwałych wzrasta wraz ze wzrostem ich czystości, a problem ich zastosowania jako materiałów konstrukcyjnych stał się całkiem realny po opracowaniu metod wytwarzania tych metali o bardzo niskiej zawartości zanieczyszczeń.
Metale ogniotrwałe zazwyczaj otrzymuje się poprzez redukcję ich soli lub tlenków metalami aktywnymi lub wodorem, a także poprzez elektrolizę.
Wanad otrzymuje się przez redukcję jego pięciotlenku wapniem lub trójchlorku wanadu magnezem lub wapniem. Najczystszy wanad otrzymuje się metodą jodkową, a także rafinacją elektrolityczną w stopionych solach.
Prostym sposobem uzyskania dostatecznie czystego chromu jest jego elektrolityczne wytrącanie z roztworów wodnych. Chrom elektrolityczny zawiera jednak dość znaczne ilości tlenu i wodoru. Chrom bardzo czysty otrzymuje się metodą jodkową, a także metodą destylacji próżniowej i rafinacji wodorowej technicznie czystego chromu.
Niob zwykle występuje w przyrodzie razem z tantalem. Dlatego przy otrzymywaniu tych metali w czystej postaci konieczna jest ich staranna separacja. Po oddzieleniu czysty tantal otrzymuje się poprzez redukcję jego fluorotantalanu sodem lub innymi aktywnymi metalami. Niob ekstrahuje się z węglika lub tlenku niobu, który powstaje w wyniku oddzielenia tantalu i niobu. Niob można również otrzymać przez elektrolizę fluororonianu potasu i redukcję pięciochlorku niobu wodorem. W celu końcowego oczyszczenia tantal i niob stapia się w wysokiej próżni.
Molibden i wolfram otrzymuje się poprzez redukcję ich oczyszczonych tlenków, chlorków lub soli amonowych wodorem.
Należy zauważyć, że po ekstrakcji z rud większość metali ogniotrwałych ma postać proszku lub gąbki. Dlatego, aby otrzymać je w zwartej formie, stosuje się metody metalurgii proszków, stapianie łukowe, a ostatnio bardzo efektywne stapianie wiązką elektronów.

Fizyczne i Właściwości chemiczne czyste metale ogniotrwałe

Rozważane tutaj metale ogniotrwałe należą do podgrup VA (wanad, niob i tantal) i VIA (chrom, molibden i wolfram).
Niektóre właściwości fizyczne czystych metali ogniotrwałych podano w tabeli. 25.

Wśród innych właściwości fizycznych czystych metali ogniotrwałych należy zwrócić uwagę na stosunkowo mały przekrój poprzeczny do termicznego wychwytu neutronów: niob 1,1, molibden 2,4, chrom 2,9 i wolfram 4,7 barna. Najczystszy wolfram i molibden w temperaturach bliskich zera absolutnego to nadprzewodniki.
Dotyczy to również wanadu, niobu i tantalu, których temperatury przejścia w stan nadprzewodzący wynoszą odpowiednio 5,9 i 4,5° K.
Właściwości chemiczne czystych metali ogniotrwałych są bardzo różne. Chrom jest odporny na działanie powietrza i wody w temperaturze pokojowej. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta aktywność chromu, który bezpośrednio łączy się z halogenami, azotem, węglem, krzemem, borem i wieloma innymi pierwiastkami i spala się w tlenie.
Wanad jest chemicznie aktywny. Już w temperaturze powyżej 300°C zaczyna oddziaływać z tlenem, wodorem i azotem. Wanad reaguje bezpośrednio z halogenami po podgrzaniu do temperatury 150-200°C.
Molibden jest stabilny w powietrzu i tlenie w temperaturze pokojowej, jednak po podgrzaniu powyżej 400°C zaczyna intensywnie się utleniać. Nie reaguje chemicznie z wodorem, ale słabo go absorbuje. Molibden aktywnie oddziałuje z fluorem w zwykłych temperaturach, zaczyna oddziaływać z chlorem w temperaturze 180 ° C i prawie nie reaguje z parami jodu.
Wolfram jest również stabilny w powietrzu i tlenie w temperaturze pokojowej, ale silnie utlenia się po podgrzaniu powyżej 500° C. Wolfram nie reaguje z wodorem aż do temperatury topnienia. Reaguje z fluorem w temperaturze pokojowej, z chlorem w temperaturze powyżej 300°C i bardzo trudno reaguje z parami jodu.
Spośród rozpatrywanych metali największą odpornością na korozję charakteryzują się czysty tantal i niob. Są stabilne w kwasach solnym, siarkowym, azotowym i innych i nieco mniej stabilne w zasadach. W wielu środowiskach czysty tantal zbliża się do platyny pod względem odporności chemicznej. Charakterystyczną cechą tantalu i niobu jest ich zdolność do pochłaniania dużych ilości wodoru, azotu i tlenu. Metale te po podgrzaniu powyżej 500°C intensywnie utleniają się na powietrzu.
Dla możliwości stosowania metali ogniotrwałych w podwyższonych temperaturach szczególne znaczenie ma ich skłonność do utleniania. Spośród rozważanych metali tylko czysty chrom ma wysoką odporność na utlenianie. Wszystkie pozostałe metale ogniotrwałe intensywnie utleniają się w temperaturach powyżej 500-600° C. Wysoka odporność chromu na utlenianie wynika z utworzenia na jego powierzchni gęstej ogniotrwałej warstwy tlenku, która chroni metal przed dalszym utlenianiem. Na powierzchni innych metali ogniotrwałych nie tworzą się ochronne warstwy tlenków.
Tlenki molibdenu i wanadu są bardzo topliwe (ich temperatury topnienia wynoszą odpowiednio 795 i 660 ° C) i lotne. Tlenki niobu, tantalu i wolframu mają stosunkowo wysokie temperatury topnienia (odpowiednio 1460, 1900 i 1470 ° C), ale ich objętości właściwe znacznie przekraczają objętości właściwe odpowiednich metali. Z tego powodu warstwy tlenkowe, nawet przy bardzo małej grubości, pękają i odklejają się od metalu, umożliwiając dostęp tlenu do jego czystej powierzchni.

Właściwości mechaniczne czyste metale ogniotrwałe i wpływ zanieczyszczeń na te właściwości

Ponieważ wszystkie opisane metale ogniotrwałe mają siatkę skupioną wokół ciała, ich właściwości mechaniczne mają szereg cech charakterystycznych dla metali o takiej strukturze. Właściwości mechaniczne metali ogniotrwałych (wytrzymałość na rozciąganie, ciągliwość, twardość) silnie zależą od obecności w nich zanieczyszczeń. Negatywny wpływ nawet niewielkich ilości zanieczyszczeń na ich właściwości plastyczne jest niezwykle duży.
Decydującą rolę w zmianie właściwości mechanicznych metali skupionych wokół ciała odgrywają dostające się do przestrzeni międzywęzłowych zanieczyszczenia międzywęzłowe, takie jak węgiel, azot, tlen i wodór.
Zatem w molibdenie topionym w piecu łukowym zawartość węgla można zmniejszyć do 0,01%, a zawartość gazu można zmniejszyć do bardzo małych wartości, na przykład tlenu do 1 części na milion. Taki pręt można zgiąć bez zniszczenia do temperatury około -50°C, ale pęka podczas próby udarności.
Dzięki wytapianiu strefowemu zawartość węgla w molibdenie można zmniejszyć z 0,01 do 0,002% i poniżej. Podczas próby udarności pręty oczyszczone strefowo zachowują swoją plastyczność aż do -140° C. Wynika z tego jasno, że plastyczność molibdenu (jak również innych metali ogniotrwałych) jest funkcją ich czystości w odniesieniu do zanieczyszczeń międzywęzłowych. Uwolniony od tych zanieczyszczeń molibden i inne metale ogniotrwałe z łatwością wytrzymują obróbkę na zimno (walcowanie, tłoczenie i inne podobne operacje).
Stopień oczyszczenia molibdenu z tlenu ma bardzo duży wpływ na temperaturę przejścia w stan kruchy: przy 0,01% O2 jest to plus 300°C, przy 0,002% O2 - plus 25°C, a przy 0,0001% O2 - minus 196° Z.
Obecnie hoduje się duże monokryształy molibdenu o długości około 500 mm i przekroju 25x75 mm (metodą topienia strefowego z ogrzewaniem wiązką elektronów). Te monokryształy osiągają wysoką czystość materiału przy całkowitej zawartości zanieczyszczeń międzywęzłowych mniejszej niż 40 części na milion. Takie monokryształy najczystszego molibdenu charakteryzują się bardzo dużą plastycznością aż do temperatury ciekłego helu.
Monokryształ molibdenu można wygiąć o 180 stopni bez zniszczenia; z monokryształu molibdenu o średnicy 12 mm po odkształceniu na zimno można uzyskać drut o średnicy 30 mikronów i długości 700-800 m lub folię o grubości 50 mikronów, którym można poddać tłoczenie na zimno z okapem wyciągowym, co jest bardzo ważne przy uzyskiwaniu szeregu krytycznych części elektrycznych urządzeń próżniowych.
Podobną metodą otrzymuje się monokryształy innych metali ogniotrwałych - wolframu, wanadu, niobu, tantalu. Wolfram jest obecnie wytwarzany metodą topienia strefowego wiązką elektronów w postaci monokryształów o średnicy około 5 mm i długości około 250 mm, charakteryzujących się dużą gęstością i czystością (99,9975% W). Wolfram ten jest plastyczny nawet w temperaturze -170°C.
Monokryształy wolframu otrzymane w procesie topienia wiązką elektronów wytrzymują dwukrotne zginanie w temperaturze pokojowej, co wskazuje na bardzo niską temperaturę przejścia tego metalu ze stanu plastycznego w kruchy. W przypadku zwykłego wolframu początek przejścia w stan kruchy następuje w temperaturach powyżej 700 ° C.
Monokryształy wolframu z łatwością wytrzymują obróbkę na zimno i są obecnie wykorzystywane do produkcji drutu, prętów, blach i innych półproduktów. Monokrystaliczny niob może odkształcać się w temperaturze pokojowej aż do 90% kompresji i zachowuje dość wysoką ciągliwość w temperaturze ciekłego azotu (-194°C). Monokryształ tantalu, ściśnięty w 80%, nadal ma wystarczającą plastyczność podczas wytwarzania drutu.
Doskonała ciągliwość, minimalne umocnienie przez zgniot, wysoka odporność na korozję i dobra stabilność charakteryzują metale ogniotrwałe o wysokiej czystości, otrzymywane w postaci monokryształów w wyniku topienia w strefie wiązki elektronów. Wanad, niob i tantal w postaci polikrystalicznych wlewków topionych wiązką elektronów lub monokryształów oczyszczonych poprzez topienie strefowe nie stają się kruche nawet przy bardzo głębokim chłodzeniu.

Zastosowanie czystych metali ogniotrwałych

Zastosowanie czystych metali ogniotrwałych (a w przyszłości oczywiście będą one stosowane tylko w tej formie) rozwija się w dwóch głównych kierunkach: 1) w samolotach naddźwiękowych, rakietach kierowanych, rakietach i statki kosmiczne; 2) dla sprzętu elektronicznego. W obu przypadkach wymagane są najczystsze metale, które mają bardzo wysoką ciągliwość, co, jak widzieliśmy powyżej, osiąga się poprzez głębokie oczyszczanie metali ogniotrwałych z zanieczyszczeń międzywęzłowych.
Stale żaroodporne i stopy na bazie niklu i kobaltu, które mogą pracować w temperaturach 650-870°C, nie spełniają już wymagań lotnictwa naddźwiękowego i technologii rakietowej. Wymagane są materiały o wystarczającej wytrzymałości długoterminowej w temperaturach powyżej 1100°C. Takimi materiałami są czyste metale ogniotrwałe (lub stopy na ich bazie), zdolne do odkształcenia plastycznego.
Do produkcji powłok do samolotów naddźwiękowych i rakiet potrzebne są arkusze czystego molibdenu i niobu, które mają większą wytrzymałość właściwą niż tantal i wolfram, do 1300 ° C.
Części turbin odrzutowych, rakietowych i turboodrzutowych działają w trudniejszych warunkach. Do produkcji tych części pracujących w temperaturach do 1370°C zaleca się stosowanie czystego molibdenu i niobu, ale w wysokie temperatury Odpowiednie są tylko tantal i wolfram. Do pracy w temperaturach powyżej 1370°C największym zainteresowaniem cieszy się czysty tantal i jego stopy, które w takich temperaturach mają stosunkowo dużą plastyczność i nie ustępują wolframowi pod względem wytrzymałości cieplnej.
W większości trudne warunki części turbiny gazowej działają. W przypadku takich części najbardziej odpowiedni jest czysty niob i stopy na jego bazie, które mają akceptowalną odporność na utlenianie.
Najczystsze metale ogniotrwałe znajdują różnorodne zastosowanie w technologii elektronicznej i próżniowej. Tantal jest dobrym geterem i jest szeroko stosowany w produkcji lamp próżniowych. Niob jest stosowany w technologii próżni elektrycznej do produkcji anod, siatek, rur i innych części. Molibden i wolfram są stosowane w elektrycznych urządzeniach próżniowych i lampach radiowych do produkcji włókien, elektrod, haczyków, zawieszek, anod i siatek.
Monokryształy wolframu o wysokiej czystości i pozbawione porów stosowane są jako podgrzewacze katod w elektrycznych urządzeniach próżniowych, w stykach elektrycznych, w przełącznikach próżniowych, na wejściach do instalacji próżniowych - gdzie istotnym czynnikiem jest brak gazów.
Czyste metale ogniotrwałe produkowane metodą topienia wiązką elektronów znajdą bezpośrednie zastosowanie w produkcji miniatur urządzenia elektryczne. Interesujące są powłoki wykonane z czystych metali ogniotrwałych otrzymywane przez natryskiwanie lub rozkład termiczny związków metali ogniotrwałych.
Czysty wanad i niob dzięki niskiej zawartości Przekrój wychwytywanie neutronów termicznych są z powodzeniem stosowane w energia nuklearna. Wanad służy do produkcji cienkościennych rur reaktor nuklearny, powłoki elementów paliwowych, ponieważ nie jest stopowy z uranem i ma dobrą przewodność cieplną i wystarczającą odporność na korozję.
Czysty niob nie wchodzi w interakcję ze stopionym sodem i bizmutem, które są często stosowane jako chłodziwa, i nie tworzy kruchych związków z uranem.
Czysty tantal, ze względu na wysoką odporność na korozję, stosowany jest do produkcji części urządzeń chemicznych pracujących w kwaśnym, agresywnym środowisku, np. przy produkcji włókien sztucznych. Ostatnio tantal często zastępuje się tu czystym niobem, który jest tańszy i występuje częściej w przyrodzie. Czysty chrom ma podobne zastosowania. Przykłady te nie wyczerpują jednak stale poszerzających się obszarów zastosowań najczystszych metali ogniotrwałych.

07.02.2020

Przed zakupem regałów półkowych w Kijowie przedsiębiorca powinien zrozumieć ich rodzaje, przeznaczenie i niuanse zakupu. Rozważmy wszystkie główne i...

07.02.2020

Zanim sięgniesz po pierwszy napotkany przedłużacz i zapłacisz za niego pieniądze, musisz sam przekonać się, czy urządzenie jest odpowiednie pod względem długości przewodu, liczby gniazd,...

06.02.2020

Geotekstylia lub geotkaniny przeznaczone na ścieżki ogrodowe są materiałem biologicznie czystym. Tworzą go cienkie prasowane nici. W projektowaniu krajobrazu...