Čisti metali i legure koje se koriste u radio elektronici
Predavanje 8. Materijali provodnika i žice
Namjena materijala za provodnike;
Namjena i vrste žica.
Ciljevi predavanja:
Proučavanje vodljivih materijala;
Proučavanje žica.
8.1 Značenje opružni materijali
Većina materijala metalnih provodnika ima visoku električnu provodljivost ( ρ = 0,015 ÷ 0,028 µOhm m). To su pretežno čisti metali koji se koriste za proizvodnju žica i kablova za namotaje i radio instalaciju.
Uz to, u radioelektronici se koriste provodnici s visokim električnim otporom - legure. razni metali. Za metal (otporni) ρ = 0,4 ÷ 2,0 µOhm m. Ove legure čine grupu metalni materijali sa niskim temperaturnim koeficijentom otpornosti (TC ρ ) i koriste se za proizvodnju žičanih otpornika i drugih radio komponenti.
Bakar– glavni materijal visoke duktilnosti, dovoljno mehaničke čvrstoće i visoke električne provodljivosti. Tačka topljenja bakra je 1083°C, koeficijent termičkog širenja CTE = 17 10 -6 1/°C. Za proizvodnju proizvoda (namotaja, radio instalacijskih žica i kablova) koriste se čisti bakar razredi M00k; MOKU; Mok; M1k i M00b; Mob; M1b. Sadržaj bakra 99,99 – 99,90%. Proizvodi od mekog bakra (na 20°C) imaju gustinu od 8900 kg/m3; σ r = 200÷280 MPa; e = 6÷35%; ρ = 0,072÷0,01724 µOhm m. Temperaturni koeficijent otpornosti za sve vrste bakra TK ρ = 0,0041/°C.
Bronza je legura bakra sa kositrom (kalajna bronza), aluminijumom (aluminijum), berilijumom (berilij) i drugim legirajućim elementima. Što se tiče električne provodljivosti, bronza je inferiornija od bakra, ali je superiornija u odnosu na mehaničku čvrstoću, elastičnost, otpornost na habanje i otpornost na koroziju. Opružni kontakti, kontaktni dijelovi konektora i ostali dijelovi izrađeni su od bronze.
Brass– legura bakra i cinka, u kojoj najveći sadržaj cinka može biti 45% (težinski). Od mesinga se izrađuju različiti dijelovi: stezaljke, kontakti, pričvršćivači. Glavne karakteristike bronce, mesinga i bakra date su u tabeli 8.1.
Kovar– legura nikla (oko 29% masenog udjela), kobalta (oko 18%), željeza (ostatak). Karakteristična karakteristika Kovar je blizina njegovih CTE vrijednosti = (4,3÷5,4) · 10 -6 1/°C CTE vrijednosti stakla i keramike u temperaturnom rasponu 20 – 200°C. Ovo omogućava izradu konzistentnih, hermetički zatvorenih spojeva između kovara i stakla i keramike. Koristi se za izradu IC paketa i poluvodičkih uređaja.
Aluminijum je drugi materijal provodnika nakon bakra zbog svoje relativno visoke električne provodljivosti i otpornosti na atmosfersku koroziju.
Gustina aluminija 2700 kg/m 3, ᴛ.ᴇ. 3,3 puta je lakši od bakra, tačka topljenja 658°C. Aluminij se odlikuje niskom tvrdoćom i niskom vlačnom čvrstoćom (σ r = 80÷180 MPa) i većim CTE = 24·10 -6 1/°S u odnosu na bakar. Ovo je nedostatak aluminijuma.
Oplate elektrolitskih kondenzatora, kao i folije, izrađene su od aluminijuma visoke čistoće. Aluminijumska žica se proizvodi Ø0,08 – 8mm u tri varijante: meka (AM), polutvrda (APT), tvrda (AT).
Tabela 8.1
Srebro spada u grupu plemenitih metala koji ne oksidiraju na zraku na sobnoj temperaturi. Oksidacija počinje na 200°C. Srebro se odlikuje visokom duktilnošću, što omogućava proizvodnju folije i žice promjera do 0,01 mm, te najvećom električnom provodljivošću.
Glavne karakteristike srebra: gustina 1050 kg/m 3 ; tačka topljenja 960,5 °C; σ r = 150÷180 MPa (meko srebro); σ r = 200÷300 MPa (čvrsto srebro); ρ = 0,0158 µOhm m; TK ρ = 0,003691/°S; KTE= 24·10 -6 1/°S.
Srebro se koristi za izradu zaštitnih slojeva na bakarnim provodnicima radioinstalacijskih žica koje se koriste na temperaturama do 250°C. Srebro se nanosi na unutrašnju površinu valovoda kako bi se dobio sloj visoke električne provodljivosti, a unosi se i u lemove (PSr10, PSr50) koji se koriste za lemljenje provodnih dijelova u elektroničkim uređajima.
Zlato– za razliku od srebra, ne oksidira u zraku čak ni na visokim temperaturama. Od nje se proizvodi folija debljine do 0,005 mm i žica prečnika do 0,01 mm.
Glavne karakteristike zlata: gustina 1930 kg/m 3; tačka topljenja 1063°C; σ r = 150÷180 MPa, ρ = 0,0224 µOhm m; TK ρ = 0,003691/°S;
KTE= 14,2·10 -6 1/°S.
Zlato se koristi za tankoslojne kontaktne premaze pri prebacivanju niskih struja u mikro krugovima, kao i za oblaganje zidova
talasovode i mikrotalasne rezonatore.
Čisti metali i legure koje se koriste u radio elektronici - koncept i vrste. Klasifikacija i karakteristike kategorije "Čisti metali i legure koje se koriste u radio elektronici" 2017, 2018.
Vrlo dugo su se neki drugi metali smatrali krhkim - hrom, molibden, volfram, tantal, bizmut, cirkonijum, itd. Međutim, tako je bilo sve dok nisu naučili kako da ih dobiju u prilično čistom obliku. Kada je to postignuto, pokazalo se da su ovi metali vrlo duktilni čak i na niskim temperaturama. Osim toga, ne hrđaju i imaju niz vrijednih svojstava. Sada se ovi metali široko koriste u raznim industrijama.
Ali šta je čisti metal? Ispostavilo se da ni na ovo nema jasnog odgovora. Konvencionalno, na osnovu čistoće, metali se dijele u tri grupe - tehnički čisti, hemijski čisti i posebno čisti. Ako legura sadrži najmanje 99,9 posto osnovnog metala, ona je tehnički čista. Od 99,9 do 99,99 posto - hemijska čistoća. Ako je 99.999 ili više, to je posebno čist metal. U svakodnevnom životu naučnici koriste i drugu definiciju čistoće - brojem devet nakon decimalnog zareza. Kažu: “čistoća tri devetke”, “čistoća pet devetka” itd.
U početku je industrija bila potpuno zadovoljna hemijski, a često čak i tehnički čistim metalima. Ali naučna i tehnološka revolucija postavio mnogo strožije zahtjeve. Prve narudžbe za ultra čiste metale stigle su iz nuklearna industrija. Desethiljaditi, a ponekad i milioniti dio procenta nekih nečistoća činili su uran, torijum, berilijum i grafit neupotrebljivim. Dobijanje ultra-čistog uranijuma je možda bila glavna poteškoća u stvaranju atomske bombe.
Tada je mlazna tehnologija postavila svoje zahtjeve. Ultra čisti metali su bili potrebni za proizvodnju posebno otpornih na toplotu i toplotu otpornih legura koje su trebale da rade u komorama za sagorevanje mlazni avion i projektile. Prije nego što su metalurzi imali vremena da se nose s ovim zadatkom, primljena je nova "aplikacija" - za poluvodiče. Ovaj zadatak je bio teži - u mnogim poluprovodničkim materijalima količina nečistoća ne bi trebala prelaziti milioniti dio procenta! Ne dozvolite da vam ova mala količina smeta. Čak i sa takvom čistoćom, gde je jedan atom nečistoće na 100.000.000.000 atoma glavne supstance, svaki gram sadrži više od 100.000.000.000 "stranih" atoma. Dakle, daleko je od savršene čistoće. Međutim, ne postoji takva stvar kao što je apsolutna čistoća. To je ideal kojem moramo težiti, ali koji je na ovom nivou tehnološkog razvoja nemoguće ostvariti. Čak i ako je čudom moguće dobiti apsolutno čist metal, atomi drugih tvari sadržanih u zraku odmah će prodrijeti u njega.
Zanimljiv incident koji se dogodio sa slavnim njemačkim fizičarem Wernerom Heisenbergom je indikativan u tom pogledu. Radio je sa masenim spektrografom u svojoj laboratoriji. I odjednom je uređaj pokazao prisustvo atoma zlata u eksperimentalnoj supstanci. Naučnik je bio začuđen, jer se to nije moglo dogoditi. Ali uređaj je tvrdoglavo "stajao na svome". Nesporazum je razjašnjen tek kada je naučnik skinuo i sakrio naočare sa zlatnim okvirom. Pojedinačni atomi zlata, "pobjegli" iz kristalne rešetke okvira, ušli su u supstancu koja se proučava i "zbunila" izuzetno osjetljivi uređaj.
Ali to se dogodilo u laboratoriji u kojoj je zrak čist. Šta možemo reći o modernim industrijskim područjima, čiji je zrak sve zagađeniji industrijskim otpadom?
Ovo poglavlje smo započeli govoreći o tome da je u jednom slučaju prisustvo stranih nečistoća u metalu dobro, au drugom loše. Štaviše, u početku smo rekli da legure imaju bolju čvrstoću i otpornost na toplinu od čistih metala, ali sada se ispostavilo da čisti metali imaju najveća svojstva. Nema kontradikcije. U mnogim slučajevima, legura je jača, otpornija na toplinu, itd., od bilo kojeg od metala koji je čine. Ali ove kvalitete se višestruko povećavaju kada sve komponente legure obavljaju specifičan zadatak neophodan za osobu. Kada u njemu nema ničeg "ekstra". To znači da same komponente moraju biti što je moguće čistije i sadržavati minimalna količina"stranih" atoma. Stoga, sada pitanje čistoće nastalih metalurških proizvoda postaje sve akutnije. Kako oni rješavaju ovaj problem?
U metalurškim pogonima gdje proizvode veliki broj metala koji se koristi za konvencionalne proizvode, vakuum se sve više koristi. U vakuumu se metal topi i sipa, a to mu omogućava zaštitu od štetnih plinova i molekula drugih tvari iz okolnog zraka. A u nekim slučajevima, topljenje se vrši u atmosferi neutralnog plina, što dodatno štiti metal od neželjenog "prodiranja".
VAKUUMSKA DESTILACIJA VAKUMULJNIH METALA 4. PERIODA (Mn, Cr, Fe, Ni, Co)
Najvatrostalniji i niskoisparljivi metali koji su trenutno podvrgnuti destilaciji su mangan, krom, željezo, nikal i kobalt. Svi ovi metali su dio najvažnijih tehničkih legura.
Mehanički i fizička svojstva legure na bazi gvožđa, nikla i drugih specificiranih elemenata, posebno svojstva različitih legura otpornih na toplotu, u velikoj meri su determinisane čistoćom polaznih materijala. naglo pogoršavaju mnoga svojstva legura: duktilnost, otpornost na toplotu, otpornost na koroziju, itd. Posebno štetne nečistoće u svim ovim metalima su olovo, bizmut, kadmijum, sumpor, fosfor, azot i kiseonik 4. period je izuzetan interes kako sa stanovišta proučavanja njihovih svojstava, tako i za proučavanje uticaja legirajućih aditiva na promene svojstava legura u vakuumskoj tehnologiji za izradu elektroda -zrake i za proizvodnju nekih delova ionskih uređaja. Čisto gvožđe gotovo da ne reaguje na pare žive. Čisto željezo ima visoku magnetnu permeabilnost, što ga čini mogućim za zaštitu magnetnih polja. Nikl visoke čistoće je neophodan za premazivanje različitih vatrostalnih metala. Značajnu količinu čistih metala 4. perioda troši hemijska industrija za proizvodnju raznih jedinjenja. Detaljne informacije o uticaju nečistoća na svojstva dotičnih metala mogu se naći u monografijama.
Najčešći metod za prečišćavanje vatrostalnih metala 4. perioda je hemijsko vezivanje nečistoća kao rezultat redoks procesa (često tretmanom vodonikom), nakon čega sledi otplinjavanje i destilacija nečistoća tokom topljenja u vakuumu. Obrada rastopljenih metala u vakuumu je postala široko rasprostranjena u posljednjih 5-10 godina. Koristi se ne samo za čiste metale, već i za čelike i druge legure. Bez mogućnosti da detaljno pokrijemo relevantne radove, u kojima raspon razmatranih pitanja daleko prevazilazi okvire ove teme, ograničićemo se samo na opis radova na destilaciji ovih metala i destilaciji metalnih nečistoća. . Detaljne informacije o vakuumskom topljenju metala i uklanjanju gasnih nečistoća mogu se naći u brojnim zbirkama članaka i monografija.
Od metala razmatranih u ovom paragrafu, gvožđe, nikl i kobalt su uključeni u podgrupu gvožđa grupe VIII periodnog sistema. Kao glavne nečistoće u ovim metalima, pored srodnih elemenata, nalaze se bakar, silicijum, mangan, hrom, aluminijum, ugljenik, fosfor, sumpor i gasovi (N 2, 0 2, H 2). Zbog sličnosti svojstava srodnih elemenata, stepen prečišćavanja od njih tokom destilacije je nizak, ali mali dodaci ovih metala malo utiču na svojstva glavnog elementa. Svi čisti metali podgrupe gvožđa su duktilni na sobnoj temperaturi i čak nižim, a nikal je duktilni do temperature tečnog helijuma (4,2°K). Međutim, povećanje sadržaja plina i nekih metalnih nečistoća može dovesti do povećanja temperature prijelaza metala iz duktilnog u krto stanje. Dakle, gvožđe koje sadrži >0,005% 0 2 postaje krto na 20°C. Kobalt ima nižu duktilnost od gvožđa ili nikla, što može biti posledica njegove nedovoljne čistoće. Sva tri razmatrana metala imaju slične vrijednosti pritiska pare. Njihova destilacija se obično vrši na temperaturama 20-50°C iznad tačke topljenja, iako se svi sublimiraju u vakuumu na temperaturama >1100°C.
Za razliku od metala podgrupe gvožđa, hrom i mangan visoke čistoće su krti na sobnoj temperaturi. Čak i male koncentracije nečistoća kao što su ugljik, sumpor, dušik i kisik naglo pogoršavaju njihova mehanička svojstva. Za najčistiji hrom, temperatura prijelaza iz krtog u plastično stanje je blizu 50°C. Međutim, moguće je smanjiti ovu temperaturu daljnjim pročišćavanjem metala.
Trenutno se vjeruje da je glavni razlog krhkosti hroma na sobnoj temperaturi prisustvo azota i kiseonika u količinama od ^0,001%. Temperatura na kojoj krom prelazi u plastično stanje naglo raste s dodatkom aluminija, bakra, nikla, mangana i kobalta. Moguće je da se veliki efekat prečišćavanja hroma od azota može postići destilacijom u izolovanoj zapremini.
Mangan je krhak u cijelom rasponu postojanja α-faze (do 700°C), dok su visokotemperaturne faze (β- i γ-Μπ) prilično plastične. Razlozi za krhkost α-Μn nisu dovoljno proučeni.
Krom i mangan imaju značajan pritisak pare ispod tačaka topljenja. Krom sublimira u vakuumu primjetnom brzinom iznad 1200°C. Pošto je tačka topljenja hroma oko 1900°C, nemoguće ga je rastopiti u vakuumu zbog sublimacije. Obično se topljenje izvornog metala ili kondenzata vrši u inertnom plinu pod pritiskom većim od 700 mm Hg. Art. Mangan se destiluje i sublimacijom i iz tečne faze.
Tipično, destilacija svih dotičnih metala može dati kondenzate ~99,99% čistoće. Međutim, visoko efikasno čišćenje moguće je samo kada se koriste kondenzatori sa temperaturnim gradijentom. Destilaciju hroma i mangana detaljno je proučavao Kroll iu autorskom laboratoriju.
Destilaciju mangana u vakuumu prvi su opisali Tiede i Birnbrauer. Geiler je detaljno proučavao ovaj proces i istražio niz svojstava rezultirajućeg mangana visoke čistoće. Destilacija je izvršena u kvarcnoj cijevi dužine 600 mm i prečnika 100 mm. Mangan je ispario u magnezitnom lončiću i kondenzovao na drugom sličnom lončiću. Metal se zagrijavao strujama visoke frekvencije. Isparavanje je izvedeno na temperaturi od ~1250°C u vakuumu od 1-2 mm Hg. Art. Kao polazni materijal korišten je aluminotermni metal čistoće od ~99% i tehnički mangan (~96-98%). Rezultati pojedinačne destilacije prikazani su u tabeli. 48. Prinos čistog metala bio je -50% težine tereta. Uz navedene parametre procesa i opterećenje od 2,7 kg, za 5 sati dobijeno je 0,76 kg čistog metala. U Geylerovoj instalaciji nije eliminirana mogućnost interakcije između metala i materijala cijevi, pa je zbog toga u nizu eksperimenata destilat kontaminiran silicijumom.
Opšti sažetak
Vatrostalni metali - vanadij, hrom, niobij, tantal, molibden i volfram su se do nedavno koristili uglavnom za legiranje na bazi metala kao što su gvožđe, nikl, kobalt, aluminijum, bakar, a u vrlo ograničenim količinama u drugim industrijskim oblastima, npr električne lampe i hemijsku industriju.
Za legiranje je bilo sasvim dovoljno imati metale koji sadrže 1-2% nečistoća. Vatrostalni metali sa takvim sadržajem nečistoća su izuzetno krti i nisu pogodni za upotrebu kao konstrukcijski materijali. Međutim, duktilnost vatrostalnih metala raste sa povećanjem njihove čistoće, a problem njihove upotrebe kao konstrukcijskih materijala postao je sasvim realan nakon razvoja metoda za proizvodnju ovih metala sa vrlo niskim sadržajem nečistoća.
Vatrostalni metali se obično dobijaju redukcijom njihovih soli ili oksida aktivnim metalima ili vodikom, kao i elektrolizom.
Vanadijum se dobija redukcijom njegovog pentoksida sa kalcijumom ili vanadij trihloridom sa magnezijumom ili kalcijumom. Najčišći vanadijum se dobija jodidnom metodom, kao i elektrolitičkom rafinacijom u rastopljenim solima.
Jednostavan način za dobijanje dovoljno čistog hroma je njegovo elektrolitičko taloženje iz vodenih rastvora. Elektrolitički krom, međutim, sadrži prilično značajne količine kisika i vodika. Veoma čisti hrom se dobija jodidnom metodom, kao i vakuumskom destilacijom i rafinacijom vodonika tehnički čistog hroma.
Niobij se obično javlja u prirodi zajedno s tantalom. Stoga je pri dobijanju ovih metala u čistom obliku neophodno njihovo pažljivo odvajanje. Nakon odvajanja, čisti tantal se dobija redukcijom njegovog fluorotantalata natrijumom ili drugim aktivnim metalima. Niobij se ekstrahuje iz niobijum karbida ili oksida, koji nastaje kada se tantal i niobijum razdvoje. Niobijum se takođe može dobiti elektrolizom kalijum fluoroniobata i redukcijom niobijum pentaklorida vodonikom. Za konačno prečišćavanje, tantal i niobijum se tope u visokom vakuumu.
Molibden i volfram se dobijaju redukcijom njihovih pročišćenih oksida, hlorida ili amonijumovih soli sa vodikom.
Treba napomenuti da se nakon vađenja iz ruda većina vatrostalnih metala nalazi u obliku praha ili sunđera. Stoga, da bi se dobili u kompaktnom obliku, koriste se metode metalurgije praha, taljenje luka i u u poslednje vreme- veoma efikasno topljenje elektronskih zraka.
Fizička i hemijska svojstva čistih vatrostalnih metala
Vatrostalni metali koji se ovdje razmatraju pripadaju podgrupama VA (vanadij, niobijum i tantal) i VIA (hrom, molibden i volfram).
Neka fizička svojstva čistih vatrostalnih metala data su u tabeli. 25.
Od ostalih fizičkih svojstava čistih vatrostalnih metala treba istaći relativno mali poprečni presjek za hvatanje termičkih neutrona: niobijum 1,1, molibden 2,4, hrom 2,9 i volfram 4,7 barns. Najčišći volfram i molibden na temperaturama blizu apsolutne nule su superprovodnici.
Ovo se takođe odnosi na vanadijum, niobijum i tantal, čije su temperature prelaza u supravodljivo stanje 5,9 odnosno 4,5°K.
Hemijska svojstva čistih vatrostalnih metala su vrlo različita. Krom je otporan na zrak i vodu na sobnoj temperaturi. Kako temperatura raste, aktivnost hroma se povećava i on se direktno spaja sa halogenima, dušikom, ugljikom, silicijumom, borom i nizom drugih elemenata, te sagorijeva u kisiku.
Vanadijum je hemijski aktivan. Počinje da stupa u interakciju sa kiseonikom, vodonikom i azotom već na temperaturama iznad 300°C. Vanadijum direktno reaguje sa halogenima kada se zagreje na 150-200°C.
Molibden je stabilan u zraku i kisiku na sobnoj temperaturi, ali kada se zagrije iznad 400°C počinje intenzivno oksidirati. Ne reaguje hemijski sa vodonikom, ali ga slabo apsorbuje. Molibden aktivno stupa u interakciju s fluorom na uobičajenim temperaturama, počinje interakciju s hlorom na 180 ° C i gotovo ne reagira s parama joda.
Volfram je takođe stabilan u vazduhu i kiseoniku na sobnoj temperaturi, ali snažno oksidira kada se zagreje iznad 500° C. Volfram ne reaguje sa vodonikom do tačke topljenja. Reaguje sa fluorom na sobnoj temperaturi, sa hlorom na temperaturama iznad 300°C i veoma teško reaguje sa parama joda.
Od metala koji se razmatraju, čisti tantal i niobij odlikuju se najvećom otpornošću na koroziju. Stabilni su u hlorovodoničnoj, sumpornoj, azotnoj i drugim kiselinama, a nešto manje stabilni u alkalijama. U mnogim sredinama, čisti tantal se približava platini po svojoj hemijskoj otpornosti. Karakteristična karakteristika tantala i niobija je njihova sposobnost da apsorbuju velike količine vodonika, azota i kiseonika. Kada se zagriju iznad 500°C, ovi metali intenzivno oksidiraju na zraku.
Za mogućnost upotrebe vatrostalnih metala na povišenim temperaturama od posebne je važnosti njihova sklonost oksidaciji. Od metala koji se razmatraju, samo čisti krom ima visoku otpornost na oksidaciju. Svi ostali vatrostalni metali intenzivno oksidiraju na temperaturama iznad 500-600°C. Visoka otpornost hroma na oksidaciju nastaje zbog stvaranja gustog vatrostalnog oksidnog filma na njegovoj površini, koji štiti metal od dalje oksidacije. Na površini drugih vatrostalnih metala ne stvaraju se zaštitni oksidni filmovi.
Oksidi molibdena i vanadijuma su vrlo topljivi (njihove tačke topljenja su 795, odnosno 660 ° C) i isparljivi. Oksidi niobija, tantala i volframa imaju relativno visoke tačke topljenja (1460, 1900 i 1470 ° C, respektivno), ali njihove specifične zapremine znatno premašuju specifične zapremine odgovarajućih metala. Iz tog razloga, oksidni filmovi, čak i sa vrlo malom debljinom, pucaju i ljušte se od metala, omogućavajući pristup kisiku njegovoj čistoj površini.
Mehanička svojstva čistih vatrostalnih metala i utjecaj nečistoća na ta svojstva
Budući da svi opisani vatrostalni metali imaju tijelo centriranu rešetku, njihova mehanička svojstva imaju niz karakteristika karakterističnih za metale takve strukture. Mehanička svojstva vatrostalnih metala (zatezna čvrstoća, duktilnost, tvrdoća) jako zavise od prisustva nečistoća u njima. Negativan utjecaj čak i najmanjih količina nečistoća na njihovu plastičnih svojstava izuzetno velika.
Odlučujuća uloga u promjenama mehaničke karakteristike metale usredsređene na telo igraju intersticijalne nečistoće kao što su ugljenik, azot, kiseonik i vodonik koji ulaze u intersticijske prostore.
Tako se u molibdenu topljenom u lučnoj peći sadržaj ugljika može smanjiti na 0,01%, a sadržaj plina može se smanjiti na vrlo male vrijednosti, na primjer kisika na 1 dio na milijun. Takav štap se može savijati bez razaranja do temperature od oko -50°C, ali se lomi prilikom ispitivanja udarom.
Zonskim taljenjem sadržaj ugljika u molibdenu može se smanjiti sa 0,01 na 0,002% i niže. Tokom ispitivanja na udar, zonski očišćeni štapovi zadržavaju svoju duktilnost do -140°C. Iz toga jasno slijedi da je duktilnost molibdena (kao i drugih vatrostalnih metala) funkcija njihove čistoće u odnosu na međuprostorne nečistoće. Oslobođen ovih nečistoća, molibden i drugi vatrostalni metali lako podnose hladnu obradu (valjanje, štancanje i druge slične operacije).
Stepen prečišćavanja molibdena od kiseonika ima veoma jak uticaj na temperaturu prelaska u krto stanje: na 0,01% O2 je plus 300°C, na 0,002% O2 - plus 25°C, a na 0,0001%) O2 - minus 196° SA.
Trenutno se uzgajaju veliki monokristali molibdena dužine oko 500 mm i poprečnog presjeka 25x75 mm (metodom zonskog topljenja uz zagrijavanje elektronskim snopom). Ovi monokristali postižu visoku čistoću materijala sa ukupnim sadržajem intersticijalnih nečistoća manjim od 40 delova na milion. Takvi monokristali najčistijeg molibdena odlikuju se vrlo visokom plastičnošću do temperature tekućeg helijuma.
Monokristal molibdena može se saviti za 180 stepeni bez razaranja od monokristala molibdena prečnika 12 mm, hladnom deformacijom može se proizvesti žica prečnika 30 mikrona i dužine 700-800 m ili debljina folije; od 50 mikrona, kojima se može izložiti hladno štancanje sa auspuhom, što je veoma važno za dobijanje niza kritičnih delova električnih vakuum uređaja.
Sličnom metodom dobijaju se monokristali drugih vatrostalnih metala - volframa, vanadijuma, niobija, tantala. Volfram se trenutno proizvodi zonskim topljenjem elektronskih zraka u obliku monokristala prečnika oko 5 mm i dužine oko 250 mm visoke gustine i čistoće (99,9975% W). Ovaj volfram je plastičan čak i na temperaturi od -170°C.
Monokristali volframa dobijeni topljenjem elektronskim snopom mogu izdržati dvostruko savijanje na sobnoj temperaturi, što ukazuje na vrlo nisku temperaturu prijelaza ovog metala iz duktilnog u krto stanje. Za obični volfram početak prijelaza u krto stanje je na temperaturama iznad 700 ° C.
Monokristali volframa lako podnose hladnu obradu i trenutno se koriste za proizvodnju žice, šipki, limova i drugih poluproizvoda. Monokristalni niobijum može se deformisati na sobnoj temperaturi do 90% kompresije i zadržava prilično visoku duktilnost na temperaturi tečnog azota (-194°C). Monokristal tantala, komprimiran za 80%, također ima dovoljnu duktilnost pri izradi žice.
Odlična duktilnost, minimalno radno očvršćavanje, visoka otpornost na koroziju i dobra stabilnost karakteristični su za vatrostalne metale visoke čistoće dobijene u obliku monokristala taljenjem u zoni elektronskog snopa. Vanadijum, niobijum i tantal u obliku polikristalnih ingota topljenja elektronskim snopom ili monokristala pročišćenih zonskim topljenjem ne postaju krhki čak ni uz veoma duboko hlađenje.
Primjena čistih vatrostalnih metala
Upotreba čistih vatrostalnih metala (a u budućnosti će se očigledno koristiti samo u ovom obliku) razvija se u dva glavna pravca: 1) za nadzvučne avione, vođene projektile, projektile i svemirski brodovi; 2) za elektronska tehnologija. U oba slučaja potrebni su najčišći metali, koji imaju vrlo visoku duktilnost, što se, kao što smo vidjeli gore, postiže dubinskim prečišćavanjem vatrostalnih metala od međuprostornih nečistoća.
Čelici i legure otporni na toplinu na bazi nikla i kobalta, koji mogu raditi na temperaturama od 650-870°C, više ne ispunjavaju zahtjeve nadzvučne avijacije i raketne tehnologije. Potrebni su materijali dovoljno dugotrajne čvrstoće na temperaturama iznad 1100°C. Takvi materijali su čisti vatrostalni metali (ili legure na njihovoj osnovi), sposobni za plastičnu deformaciju.
Za proizvodnju omotača za nadzvučne avione i projektile potrebni su listovi čistog molibdena i niobija, koji imaju veću specifičnu čvrstoću od tantala i volframa, do 1300 °C.
Delovi vazdušno-mlaznih, raketnih i turbomlaznih turbina rade u težim uslovima. Za izradu ovih delova koji rade na temperaturama do 1370°C, preporučljivo je koristiti čisti molibden i niobijum, ali na višim temperaturama. visoke temperature Prikladni su samo tantal i volfram. Za rad na temperaturama iznad 1370°C najveće je zanimanje za čisti tantal i njegove legure, koje na takvim temperaturama imaju relativno visoku duktilnost i po otpornosti na toplinu nisu inferiorne od volframa.
Dijelovi rade u najtežim uvjetima gasne turbine. Za takve dijelove najprikladniji su čisti niobij i legure na njegovoj osnovi, koje imaju prihvatljivu otpornost na oksidaciju.
Najčišći vatrostalni metali nalaze različite primjene u elektronskoj i vakuumskoj tehnologiji. Tantal je dobar getter i široko se koristi u proizvodnji vakuumskih cijevi. Niobij se koristi u električnoj vakuumskoj tehnologiji za proizvodnju anoda, rešetki, cijevi i drugih dijelova. Molibden i volfram se koriste u električnim vakuumskim uređajima i radio cijevima za proizvodnju filamenata, elektroda, kuka, privjesaka, anoda i rešetki.
Volfram monokristali visoke čistoće i bez pora koriste se kao katodni grijači u električnim vakuumskim uređajima, za električne kontakte, u vakuumskim prekidačima, u ulazima u vakuumske instalacije - gdje je odsustvo plinova važan faktor.
Čisti vatrostalni metali proizvedeni topljenjem elektronskih zraka naći će direktnu primjenu u proizvodnji minijaturnih elektroničkih uređaja. Interesantni su premazi od čistih vatrostalnih metala dobijenih raspršivanjem ili termičkom razgradnjom spojeva vatrostalnih metala.
Čisti vanadijum i niobijum, zbog svog malog poprečnog preseka hvatanja toplotnih neutrona, takođe se uspešno koriste u nuklearna energija. Vanadijum se koristi za izradu tankozidnih cevi za nuklearnih reaktora, školjke gorivnih elemenata, budući da nije legiran uranijumom i ima dobru toplotnu provodljivost i dovoljnu otpornost na koroziju.
Čisti niobijum ne stupa u interakciju sa rastopljenim natrijumom i bizmutom, koji se često koriste kao rashladna sredstva, i ne stvara krhka jedinjenja sa uranijumom.
Čisti tantal, zbog svoje visoke otpornosti na koroziju, koristi se za proizvodnju dijelova kemijske opreme koja radi u kiselim agresivnim sredinama, na primjer, u proizvodnji umjetnih vlakana. U posljednje vrijeme tantal se ovdje često zamjenjuje čistim niobijumom, koji je jeftiniji i u prirodi ga ima više. Čisti krom ima slične primjene. Ovi primjeri daleko od iscrpljivanja područja primjene najčistijih vatrostalnih metala koja se stalno šire.
07.02.2020
Prije kupovine polica za police u Kijevu, poduzetnik treba razumjeti njihove vrste, svrhu i nijanse kupovine. Hajde da razmotrimo sve glavne i...
07.02.2020
Prije nego što zgrabite prvi produžni kabel na koji naiđete sa pulta i platite za njega, morate sami utvrditi da li uređaj odgovara dužini kabela, broju utičnica,...
06.02.2020
Geotekstil ili geofabrika namijenjena za vrtne staze je biološki čist materijal. Stvaraju ga tanke presovane niti. U pejzažnom dizajnu...
Zbog razvoja novih grana tehnologije, potrebni su metali vrlo visoke čistoće. Na primjer, u metalu germaniju, koji se koristi kao poluvodič, dozvoljeno je da sadrži samo jedan atom fosfora, arsena ili antimona na deset miliona atoma germanija. U legurama otpornim na toplinu koje se koriste u proizvodnji raketa, čak je i beznačajna primjesa olova ili sumpora potpuno neprihvatljiva.
Jedan od najboljih konstrukcijskih materijala za nuklearne reaktore, cirkonij postaje potpuno nepogodan ako sadrži i blagu primjesu hafnija, kadmija ili bora, pa je sadržaj ovih elemenata u materijalima nuklearna energija ne bi trebalo da prelazi 10 -6. Električna provodljivost bakra se smanjuje za 14% u prisustvu primjesa arsena od samo 0,03%. Čistoća metala u elektronskim i kompjuterska tehnologija, kao i nuklearnu energiju. Za metalne materijale termonuklearnih reaktora i poluprovodničkih uređaja, sadržaj nečistoća ne bi trebao biti veći od 10-10%. Postoji nekoliko metoda za čišćenje metala.
1. Destilacija u vakuumu. Ova metoda se zasniva na razlici u isparljivosti metala i nečistoća prisutnih u njemu.
2. Termička razgradnja isparljivih metalnih spojeva. Ova metoda se temelji na kemijskim reakcijama u kojima metal s jednim ili drugim reagensom stvara plinovite produkte, koji se zatim razlažu da bi se oslobodio metal visoke čistoće. Hajde da razmotrimo princip ovu metodu koristeći primjer karbonilnih i jodidnih metoda.
A) Karbonil metoda. Ova metoda se koristi za dobijanje nikla i gvožđa visoke čistoće. Industrijski metal koji se čisti se zagrijava ovom metodom u prisustvu ugljičnog monoksida (II): Ni + 4CO = Ni(CO) 4 , Fe + 5CO = Fe(CO) 5
Dobijeni isparljivi karbonili Ni(CO) 4 (tačka ključanja 43 °C) ili Fe(CO) 5 (tačka ključanja 105 °C) destiliraju se kako bi se uklonile nečistoće. Tada se karbonili razlažu na temperaturama iznad 180°C, što rezultira stvaranjem čistih metala i plinovitog ugljičnog monoksida (II): Ni(CO) 4 = Ni + 4CO, Fe(CO) 5 = Fe + 5CO
B) Jodidna metoda. Ovom metodom, metal koji se čisti, na primjer titanijum, zagrijava se zajedno s jodom do temperature od 900 °C: Ti + 2I 2 = TI 4
Nastali isparljivi titanijum tetrajodid ulazi u reaktor u kojem se nalazi žica od čistog titanijuma, zagrijana električnom strujom na 1400 °C. Na ovoj temperaturi titan tetrajodid termički disocira: Til 4 = Ti + 2I 2
Čisti titanijum se taloži na žicu, a jod se vraća u proces prečišćavanja titanijuma. Ova metoda također proizvodi čisti cirkonij, krom i druge vatrostalne metale.
3. Zonsko topljenje. Odličan način čišćenja je takozvano zonsko topljenje. Zonsko topljenje uključuje polagano izvlačenje ingota metala koji se pročišćava kroz prstenastu peć. Metali koji su prošli prethodno prečišćavanje do koncentracije nečistoća od približno 1% podvrgavaju se zonskom topljenju. Metoda se zasniva na različit sadržaj nečistoća u čvrstom i rastopljenom metalu. Proces se izvodi polaganim pomicanjem duž čvrstog izduženog uzorka (ingota) uske rastaljene zone koju stvara poseban grijač (prstenasta peć) .
Područje (zona) metalnog ingota tj trenutno je u pećnici, prelazi u rastopljeno stanje.
Nastaju dvije pokretne međufazne granice: na jednoj (ulazak metala u peć) dolazi do topljenja, na drugoj (izlazak metala iz peći) dolazi do kristalizacije.
U zavisnosti od rastvorljivosti nečistoća, neke se koncentrišu u otopljenoj zoni i kreću se sa njom do kraja ingota, nečistoće drugih metala se koncentrišu u nastalim kristalima i ostaju iza zone kretanja kada se proces ponavlja; prelaze na početak ingota. Kao rezultat toga, sastav nastalih kristala se razlikuje od sastava taline.
Da bi se postigao visok stepen prečišćavanja, obično se napravi nekoliko prolaza rastaljene zone duž metalnog ingota. Kao rezultat toga, srednji dio ingota je najčistiji, on se izrezuje i koristi.
Metoda zonskog topljenja omogućava dobijanje posebno čistih metala sa sadržajem nečistoća od 10 -7 -10 -9%. Ova metoda se koristi za dobijanje ultra čistog germanijuma, bizmuta, telura itd.
Glavna prednost ovu metodu - visoka efikasnost. Nedostaci metode su niska produktivnost, visoka cijena, dugo trajanje procesa.
4. elektrohemijska metoda za čišćenje metala(rafinacija metala).
