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难熔金属:特性、类型和应用

难熔金属:特性、类型和应用

难熔金属因其独特而理想的特性和行为而被广泛使用,尤其是它们的耐腐蚀性和非凡的耐磨性和耐热性。

这些金属主要用于工程、科学和冶金领域。属于此类金属的五个主要元素包括:

  • 钼(Mo)
  • 铼(Re)
  • 铌(Nb)
  • 钨(W)
  • 钽(Ta)

这五种元素具有一些共同的关键特性,例如室温下的高硬度和高熔点,尤其是在高于3,600华氏度(2,000摄氏度)的温度下。

难熔金属还具有高密度和化学惰性。它们的高熔点让位于粉末冶金,成为制造不同部件的选择。

难熔金属的一些最常见应用包括金属丝、工具、腐蚀性环境中的化学容器和铸模。由于熔点非常高,难熔金属非常稳定。

现在,让我们更深入地了解难熔金属——包括它们的特性、特性、优点和应用:

难熔金属的主要特性

难熔金属的一个主要识别因素是耐热性。该类别下的所有五种金属的熔点均高于3,632华氏度(2,000摄氏度)。

难熔金属在极高温度下也能保持坚固,并且本身就很坚硬,因此非常适合用于钻孔和切割工具。难熔金属对热冲击等因素具有很强的抵抗力。这意味着它们在反复冷却和加热时不会出现开裂、膨胀或应力。

此外,该组下的所有五种金属都具有高密度水平和良好的热性能和电性能。它们还具有抗蠕变性,因此当暴露在压力非常大的环境或条件下时,它们会缓慢变形。这是因为难熔金属可以形成一层保护层,使其具有耐腐蚀性——尽管它们在高温下会发生氧化。

难熔金属的理化性质

难熔金属可按其独特的物理和化学性质分类。而且,要充分利用这些元素,彻底了解它们至关重要。

难熔金属的物理性质

难熔金属具有以下主要物理特征:

  • 沸点高。难熔金属的熔点高于除碳、锇和铱以外的所有其他金属。
  • 体心立方晶体结构。
  • 有很高的抗蠕变性。

也就是说,难熔金属的具体特性差异很大,因为它们来自元素周期表中的不同族群。

例如,在所有五种难熔金属中,铼的熔点最高,为5,757华氏度(3,186摄氏度),而铌的熔点最低,为4,491华氏度(2,477°C)。就沸点而言,铌的沸点为8,572华氏度(4,744摄氏度),而铼的沸点为10,105华氏度(5,596摄氏度)。

抗蠕变性也是如此;有些金属在1,832华氏度(1,000摄氏度)时开始形成蠕变,而有些金属在低于932华氏度(500摄氏度)时开始形成蠕变。

难熔金属的化学性质

难熔金属具有多种化学特性,因为每种化学特性都属于元素周期表中的不同类别。

一般来说,这些金属很容易氧化;但是可以通过在金属顶部形成稳定的氧化物层来控制反应。铼尤其如此,因为它极易挥发。因此,随着氧化物层蒸发,它会失去在高温下抵抗氧侵蚀的稳定性。

然而,所有难熔金属对酸等物质都比较稳定。

使用难熔金属有什么好处?

由于其独特的品质,难熔金属对各种应用和行业都非常有益。他们的主要优势包括:

非常高的熔点

钨、钼和钽等难熔金属具有非常高的熔点,这使得它们有利于玻璃制造。

高强度

难熔金属具有独特的强度,即使在超高温下也是如此。例如,由钨制成的火箭筒在常温下的抗拉强度是铁的两倍。

出色的耐磨性和耐磨性

难熔金属,尤其是合金,可以延长阀座、密封件、喷嘴和其他容易出现高磨损区域的使用寿命。

优异的耐腐蚀性

化工厂中的管道通常由难熔金属制成,与不锈钢相比具有高度的耐腐蚀性。

抗热震性

像钨这样的金属可以抵抗因受热而快速膨胀带来的应力。

钨的熔点非常高,可以承受一系列开关循环而不影响其完整性。

导热和导电

除了许多电子或电气应用之外,钨和钼等难熔金属也是很好的散热器。

极端硬度

今天,最广泛使用的切削工具是由碳化钨等材料制成的。

难熔金属也非常适合用于形成金属和钢材,以及用于采矿和钻探气井或油井。

高密度高比重

大多数难熔金属具有高密度,因此对于制造高尔夫球杆头和飞机陀螺仪非常有用。

独特的能力

一些具有超级有用功能的难熔金属,例如充当出色的辐射屏蔽和化学催化剂。

难熔金属的种类及其应用

难熔金属有五种;每个都有不同的属性和应用程序。

总体而言,难熔金属的常见应用包括金属丝、工具、腐蚀性气氛中的化学容器和铸模由于熔点非常高,难熔金属非常稳定。

以下是五种难熔金属中每一种的更具体应用:

钨是难熔金属中含量最多的。它在难熔金属中具有最高的熔点和最高的金属密度之一。当与碳等其他元素结合时,它会非常坚硬。它还具有很强的耐腐蚀性。

照明应用

钨广泛用于金属丝,例如大多数房屋中使用的白炽灯。但它在工业弧光灯和照明中也很常见。

舞台照明用于电视演播室和摄影棚以及进行戏剧制作、音乐会和其他现场活动的场所。而且,虽然舞台照明仍然使用白炽灯技术,但它通常采用专有的高性能卤钨灯(或石英卤素灯)的形式,具有经过仔细校准的色温值以控制整体场景再现。

电晕放电

电晕放电是导体周围的空气被电离时产生的等离子幕。

电晕放电通常是用钨丝完成的,而且完成得最好。对于空气过滤、打印机、复印机和其他应用,只有钨丝才能产生足够的电离和表面改性。

熔炉

钨丝广泛用于在工业烤箱中提供支撑或牵引作用。

这是由于钨丝的不下垂特性和耐热性。例如,钨丝通常被编织成垫子,用于在工业烤箱、熔炉和窑炉的工程热区中定位和固定物体。

探头

钨丝的刚度,即使在非常小的直径下,也是将其用于各种类型探针的关键因素,包括用于半导体制造中硅晶片测试的悬臂半导体测试探针。

刚度也是用于医疗诊断和治疗的神经探针钨丝的一个优势。

切削工具和零件

切削工具和零件需要高耐磨性,因此由碳化钨制成。

带有研磨切削刃的碳化钨刀片通过钎焊或机械紧固连接到钢制工具的主体上。使用碳化钨刀具可确保更高的切削速度和更长的刀具寿命。碳化钨染料通常用于拉丝。

钼是最常用的难熔金属,因为它比大多数其他金属便宜,而且当制成合金时,可以非常耐蠕变和高温。

这种金属也不会产生汞合金,因此耐腐蚀。它主要用于强化钢合金,特别是在结构管道和管道中。钼还具有出色的抗摩擦特性,使其成为汽车用油和润滑脂的理想成分。

不锈钢

不锈钢之所以耐腐蚀,是因为它们的铬含量会在钢材表面自发地形成一层薄薄的保护性钝化膜。

钼通过使其更坚固并在被氯化物破坏时帮助其快速重新形成来增强这种钝化膜。增加不锈钢中的钼含量可提高其耐点蚀和缝隙腐蚀性能。

工具和高速钢

工具钢中的钼可提高其硬度和耐磨性。通过降低临界冷却速率,钼促进了最佳马氏体基体的形成,即使在无法快速冷却而不变形或开裂的大块和复杂模具中也是如此。

添加5%到10%的钼可以有效地最大限度地提高高速钢的硬度和韧性,并在切削金属时产生的高温下保持这些性能。

烟雾抑制剂

在电子技术中,电线和电缆绝缘层对消防员以及飞机和医院范围内的人员构成火灾和烟雾危害。八钼酸铵已与PVC一起使用以抑制烟雾的形成。

由于钼在室温下的弹性模量为每平方英寸47*10^6磅,因此用于高速内圆磨床的镗杆和套筒。这确保免于振动和颤动。

钽是最耐腐蚀的难熔金属。

它通常应用于医疗和外科环境以及高酸性环境。钽也是计算机和电话电路或电容器的主要成分。

尽管比铝贵得多,但钽有两个主要优势:

它具有更高的介电常数,允许电容器更小。

它的氧化层更稳定,使钽电容器在需要高可靠性的应用中具有优势。

钽还用于电子工业,作为防止铜污染计算机芯片和存储设备等产品中硅的屏障。这种分离是必要的,因为铜在硅中的存在会导致器件退化和失效。

医疗应用

钽由于其生物惰性而被用于外科和生物医学应用——这反过来又是由于当暴露在空气中时在钽金属表面自发形成的粘附氧化物层。

而且,钽在体液中呈惰性,具有良好的机械性能。它在医学上的应用例子包括:

  • 手术夹。
  • 骨移植。
  • 用于颅骨成形术的板材。
  • 用于腹壁重建的网格。
  • 种植牙。
  • 化工厂设备

钽的延展性和出色的耐腐蚀性使其适用于在高温腐蚀条件下运行的化学工艺设备。

金属的耐腐蚀性既可以保护设备,也可以保持所处理化学品的纯度。钽及其合金可用于处理盐酸、氢溴酸、硝酸和硫酸。可能使用钽的化工厂设备示例有:

  • 换热器。
  • 阀门。
  • 船只。
  • 管道。

铌总是与钽一起使用。它非常独特,易于加工以获得高弹性和强度。

黑色冶金

铌的主要用途是黑色冶金。

世界上大约75%的铌产量被钢铁工业用于生产各种含有少量其他金属的钢合金(微合金钢和低合金钢),以提高耐腐蚀性、强度和韧性等性能。

铌在高强度低合金钢和微合金钢中作为晶粒细化剂和沉淀硬化剂,同时提高机械强度、高温强度、韧性和耐腐蚀性。

这些钢用于管道、运输和结构应用。

超导磁体

铌合金还用于制造超导磁体。这些超导磁体用于:

  • 磁共振成像(MRI)。
  • 核磁共振仪器(NMRI)。
  • 粒子加速器,例如欧洲的大型强子对撞机,其中包含世界上最大的超导磁体。
  • 电解电容器和超导体。

铌合金优于其他高达3,300华氏度的难熔金属。由于其低抗氧化性,铌合金仅限于在高温下用于结构应用。

铼是最近发现的难熔金属。

它可以与超低浓度的其他金属一起被发现。它也存在于其他难熔金属矿石中。铼以其高抗拉强度和延展性而著称。

铼也非常稀有,因此可能非常昂贵。

高温合金

铼被用作制造超级合金的添加剂,通常与铁、钴、镍、钨和钼结合使用。添加铼可提高高温合金的整体蠕变强度,使其成为喷气发动机零件和燃气涡轮发动机的优良材料。

催化剂

铼化合物在许多工业中用作均相和多相催化的催化剂。这些包括:

  • 石化。
  • 药品
  • 有机合成过程,包括异构化、氢化和烷基化。

铂-铼催化剂在炼油厂称为催化重整的化学过程中必不可少。

热电偶

钨铼和钼铼合金主要用于制造热电偶。

它们的用途包括半导体、加热元件、金属涂层和焊条。

钨铼合金尤其可用于制造旋转X射线阳极。

在高温下,铼可以抵抗氢气和惰性气氛的侵蚀。它耐盐酸和海水腐蚀,也耐电蚀的机械作用。

结论

难熔金属有许多应用和好处。然而,还有许多我们还没有完全理解。

冶金领域需要进行大量研究以改进各种工艺。

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