Metale pure și aliaje utilizate în electronica radio
Curs 8. Materiale conductoare și fire
Scopul materialelor conductoare;
Scopul și tipurile de fire.
Obiectivele cursului:
Studiul materialelor conductoare;
Studiind firele.
8.1 Semnificație materiale de primăvară
Majoritatea materialelor conductoare metalice au o conductivitate electrică ridicată ( ρ = 0,015 ÷ 0,028 µOhm m). Acestea sunt predominant metale pure care sunt utilizate pentru fabricarea firelor și cablurilor de bobinaj și instalații radio.
Alături de aceasta, în radioelectronica se folosesc conductori cu rezistență electrică ridicată - aliaje. diverse metale. Pentru metal (rezistiv) ρ = 0,4 ÷ 2,0 µOhm m. Aceste aliaje alcătuiesc grupul materiale metalice cu un coeficient de rezistivitate de temperatură scăzut (TC ρ ) și sunt utilizate pentru fabricarea rezistențelor bobinate și a altor componente radio.
Cupru– materialul principal cu ductilitate ridicată, rezistență mecanică suficientă și conductivitate electrică ridicată. Punctul de topire al cuprului este de 1083°C, coeficientul de dilatare termică CTE = 17 10 -6 1/°C. Pentru fabricarea produselor (înfășurare, fire și cabluri de instalare radio) se utilizează cupru pur clasele M00k; MOKU; Mok; M1k și M00b; Mob; M1b. Conținut de cupru 99,99 – 99,90%. Produsele din cupru moale (la 20°C) au o densitate de 8900 kg/m3; σ р = 200÷280 MPa; e = 6÷35%; ρ = 0,072÷0,01724 µOhm m. Coeficientul de temperatură al rezistivității pentru toate gradele de cupru TK ρ = 0,0041/°C.
Bronz este un aliaj de cupru cu staniu (bronz de staniu), aluminiu (aluminiu), beriliu (beriliu) și alte elemente de aliere. În ceea ce privește conductivitatea electrică, bronzul este inferior cuprului, dar superior acestuia ca rezistență mecanică, elasticitate, rezistență la abraziune și rezistență la coroziune. Contactele cu arc, părțile de contact ale conectorilor și alte părți sunt realizate din bronz.
Alamă– un aliaj de cupru și zinc, în care cel mai mare conținut de zinc poate fi de 45% (în greutate). Din tablă de alamă sunt fabricate diferite piese: cleme, contacte, elemente de fixare. Principalele caracteristici ale bronzului, alamei și cuprului sunt prezentate în Tabelul 8.1.
Kovar– un aliaj de nichel (aproximativ 29% din greutate), cobalt (aproximativ 18%), fier (restul). Trăsătură caracteristică Kovar este apropierea valorilor sale CTE = (4,3÷5,4) · 10 -6 1/°C de valorile CTE ale sticlei și ceramicii în intervalul de temperatură 20 – 200°C. Acest lucru permite producerea de îmbinări consistente, sigilate ermetic între kovar și sticlă și ceramică. Este folosit pentru a face pachete IC și dispozitive semiconductoare.
Aluminiu este al doilea material conductor după cuprul datorită conductivității electrice relativ ridicate și rezistenței la coroziune atmosferică.
Densitatea aluminiului 2700 kg/m 3, ᴛ.ᴇ. este de 3,3 ori mai ușor decât cuprul, punctul de topire 658°C. Aluminiul se caracterizează prin duritate scăzută și rezistență scăzută la tracțiune (σ р = 80÷180 MPa) și CTE mai mare = 24·10 -6 1/°С comparativ cu cuprul. Acesta este un dezavantaj al aluminiului.
Placările condensatoarelor electrolitice, precum și foliile, sunt fabricate din aluminiu de înaltă puritate. Sârma de aluminiu este produsă Ø0,08 – 8mm în trei variante: moale (AM), semi-dură (APT), tare (AT).
Tabelul 8.1
Argint aparține grupului de metale nobile care nu se oxidează în aer la temperatura camerei. Oxidarea începe la 200°C. Argintul se distinge prin ductilitatea sa ridicată, care face posibilă producerea de folii și sârme cu un diametru de până la 0,01 mm și cea mai mare conductivitate electrică.
Principalele caracteristici ale argintului: densitate 1050 kg/m 3 ; punct de topire 960,5 °C; σ р = 150÷180 MPa (argint moale); σ р = 200÷300 MPa (argint solid); ρ = 0,0158 uOhm m; TK ρ = 0,003691/°С; KTE= 24.10 -6 1/°С.
Argintul este utilizat pentru realizarea straturilor de protecție pe conductorii de cupru ale firelor de instalații radio utilizate la temperaturi de până la 250°C. Argintul este aplicat pe suprafața interioară a ghidajelor de undă pentru a obține un strat cu conductivitate electrică ridicată și este introdus și în lipituri (PSr10, PSr50) folosite pentru lipirea pieselor conductoare din dispozitivele electronice.
Aur– spre deosebire de argint, nu se oxidează în aer nici la temperaturi ridicate. Are o ductilitate foarte mare; din ea se produc folie cu o grosime de până la 0,005 mm și sârmă cu un diametru de până la 0,01 mm.
Principalele caracteristici ale aurului: densitate 1930 kg/m 3; punct de topire 1063°C; σ р = 150÷180 MPa, ρ = 0,0224 uOhm m; TK ρ = 0,003691/°C;
KTE= 14,2·10 -6 1/°С.
Aurul este utilizat pentru acoperirile de contact cu peliculă subțire la comutarea curenților mici în microcircuite, precum și pentru acoperirea pereților.
ghiduri de undă și rezonatoare cu microunde.
Metale pure și aliaje utilizate în electronica radio - concept și tipuri. Clasificarea și caracteristicile categoriei „Metale și aliaje pure utilizate în electronica radio” 2017, 2018.
Multă vreme, alte metale au fost considerate fragile - crom, molibden, wolfram, tantal, bismut, zirconiu etc. Cu toate acestea, acesta a fost cazul până când au învățat cum să le obțină într-o formă destul de pură. Odată realizat acest lucru, s-a dovedit că aceste metale sunt foarte ductile chiar și la temperaturi scăzute. În plus, nu ruginesc și au o serie de proprietăți valoroase. Acum aceste metale sunt utilizate pe scară largă în diverse industrii.
Dar ce este metalul pur? Se pare că nu există nici un răspuns clar la aceasta. În mod convențional, în funcție de puritate, metalele sunt împărțite în trei grupe - pure din punct de vedere tehnic, pure din punct de vedere chimic și mai ales pure. Dacă aliajul conține cel puțin 99,9 la sută din metalul de bază, este pur din punct de vedere tehnic. De la 99,9 la 99,99 la sută - puritate chimică. Dacă este 99.999 sau mai mult, este un metal deosebit de pur. În viața de zi cu zi, oamenii de știință folosesc și o altă definiție a purității - cu numărul de nouă după virgulă zecimală. Ei spun: „puritate trei nouă”, „puritate cinci nouă”, etc.
La început, industria a fost complet mulțumită de metale pure din punct de vedere chimic și adesea chiar din punct de vedere tehnic. Dar revoluție științifică și tehnologică a formulat cereri mult mai stricte. Primele comenzi de metale ultrapure au venit de la industria nucleară. Zece miimi și uneori chiar milionimi de procent din unele impurități au făcut inutilizabile uraniul, toriu, beriliul și grafitul. Obținerea uraniului ultra-pur a fost poate principala dificultate în crearea unei bombe atomice.
Apoi tehnologia cu jet și-a făcut cerințe. Metalele ultra-pure erau necesare pentru a produce aliaje deosebit de rezistente la căldură și rezistente la căldură, care trebuiau să funcționeze în camerele de ardere. aeronave cu reacțieși rachete. Înainte ca metalurgiștii să aibă timp să facă față acestei sarcini, a fost primită o nouă „aplicație” - pentru semiconductori. Această sarcină a fost mai dificilă - în multe materiale semiconductoare, cantitatea de impurități nu ar trebui să depășească o milioneme de procent! Nu lăsa această sumă mică să te deranjeze. Chiar și cu o astfel de puritate, unde un atom de impuritate este la 100.000.000.000 de atomi ai substanței principale, fiecare gram din acesta conține încă mai mult de 100.000.000.000 de atomi „străini”. Deci este departe de o curățenie perfectă. Cu toate acestea, nu există puritate absolută. Acesta este un ideal spre care trebuie să ne străduim, dar care este imposibil de realizat la acest nivel de dezvoltare tehnologică. Chiar dacă prin minune se poate obține un metal absolut pur, atomii altor substanțe conținute în aer vor pătrunde imediat în el.
Un incident curios petrecut cu celebrul fizician german Werner Heisenberg este orientativ în acest sens. Lucra cu un spectrograf de masă în laboratorul său. Și brusc dispozitivul a arătat prezența atomilor de aur în substanța experimentală. Omul de știință a fost uimit, pentru că acest lucru nu s-ar fi putut întâmpla. Dar dispozitivul cu încăpățânare „și-a păstrat locul”. Neînțelegerea s-a lămurit abia atunci când omul de știință a decolat și și-a ascuns ochelarii cu rame aurii. Atomi individuali de aur, „scăpând” din rețeaua cristalină a cadrului, au pătruns în substanța studiată și au „încurcat” dispozitivul extrem de sensibil.
Dar asta s-a întâmplat într-un laborator în care aerul este curat. Ce putem spune despre zonele industriale moderne, al căror aer este din ce în ce mai poluat de deșeuri industriale?
Am început acest capitol vorbind despre faptul că într-un caz prezența impurităților străine în metal este bună, iar în altul este rea. Mai mult, la început am spus că aliajele au o rezistență și o rezistență la căldură mai bune decât metalele pure, dar acum se dovedește că metalele pure au cele mai înalte proprietăți. Nu există nicio contradicție. În multe cazuri, aliajul este mai puternic, mai rezistent la căldură etc. decât oricare dintre metalele care îl compun. Dar aceste calități sunt îmbunătățite de multe ori atunci când toate componentele aliajului îndeplinesc o sarcină specifică necesară unei persoane. Când nu există nimic „în plus” în el. Aceasta înseamnă că componentele în sine trebuie să fie cât mai pure posibil și să conțină cantitate minima atomi „străini”. Prin urmare, acum problema purității produselor metalurgice rezultate devine din ce în ce mai acută. Cum rezolvă ei această problemă?
La uzinele metalurgice unde produc număr mare de metal folosit pentru produsele conventionale, vidul este din ce in ce mai folosit. În vid, metalul este topit și turnat, ceea ce face posibilă protejarea acestuia de gazele nocive și moleculele altor substanțe din aerul înconjurător. Și, în unele cazuri, topirea se realizează într-o atmosferă de gaz neutru, care protejează și mai mult metalul de „penetrări” nedorite.
DISTILAREA ÎN VID A METALELOR REFRACTARE DIN PERIOADA A 4-A (Mn, Cr, Fe, Ni, Co)
Cele mai refractare și slab volatile metale care sunt supuse în prezent la distilare sunt manganul, cromul, fierul, nichelul și cobaltul. Toate aceste metale fac parte din cele mai importante aliaje tehnice.
mecanică și proprietăți fizice aliajele pe bază de fier, nichel și alte elemente specificate, în special proprietățile diferitelor aliaje rezistente la căldură, sunt în mare măsură determinate de puritatea materiilor prime. Este bine cunoscut faptul că incluziunile nemetalice și o serie de impurități care formează eutectice fuzibile înrăutăți brusc multe aliaje de proprietăți: ductilitate, rezistență la căldură, rezistență la coroziune, etc. Impuritățile deosebit de dăunătoare din toate aceste metale sunt plumb, bismut, cadmiu, sulf, fosfor, azot și oxigen A 4-a perioadă este un interes excepțional atât din punctul de vedere al studiului proprietăților lor, cât și al studiului influenței aditivilor de aliere asupra modificărilor proprietăților aliajelor. Metalele pure sunt necesare pentru fabricarea electrozilor de X -tuburi cu raze si pentru producerea unor piese de dispozitive cu ioni Fierul pur aproape nu interactioneaza cu vaporii de mercur, care sunt extrem de sensibili la cea mai mica contaminare. Fierul pur are o permeabilitate magnetică ridicată, ceea ce face posibilă utilizarea lui pentru a proteja câmpurile magnetice. Nichelul de înaltă puritate este necesar pentru acoperirea diferitelor metale refractare. O cantitate semnificativă de metale pure din perioada a 4-a este consumată de industria chimică pentru fabricarea diferiților compuși. Informații detaliate despre influența impurităților asupra proprietăților metalelor în cauză pot fi găsite în monografii.
Cea mai comună metodă de purificare a metalelor refractare din perioada a 4-a este legarea chimică a impurităților ca urmare a proceselor redox (adesea prin tratare cu hidrogen), urmată de degazarea și distilarea impurităților în timpul topirii în vid. Prelucrarea metalelor topite în vid a devenit larg răspândită în ultimii 5-10 ani. Este folosit nu numai pentru metale pure, ci și pentru oțeluri și alte aliaje. Fără a putea acoperi în detaliu lucrările relevante, în care gama de probleme luate în considerare depășește cu mult sfera acestui subiect, ne vom limita doar la o descriere a lucrărilor privind distilarea acestor metale și distilarea impurităților metalice. . Informații detaliate privind topirea în vid a metalelor și îndepărtarea impurităților gazoase pot fi găsite într-o serie de colecții de articole și monografii.
Dintre metalele luate în considerare în acest paragraf, fierul, nichelul și cobaltul sunt incluse în subgrupa de fier din grupa VIII a sistemului periodic. Ca impurități principale din aceste metale, pe lângă elementele înrudite, există cuprul, siliciul, manganul, cromul, aluminiul, carbonul, fosforul, sulful și gazele (N 2, 0 2, H 2). Datorită asemănării proprietăților elementelor înrudite, gradul de purificare a acestora în timpul distilării este scăzut, dar adăugările mici ale acestor metale au un efect redus asupra proprietăților elementului principal. Toate metalele pure din subgrupa fierului sunt ductile la temperatura camerei și chiar mai mici, iar nichelul este ductil până la temperatura heliului lichid (4,2°K). Cu toate acestea, o creștere a conținutului de gaz și a unor impurități metalice poate duce la o creștere a temperaturii de tranziție a metalelor de la o stare ductilă la una fragilă. Astfel, fierul care conține >0,005% 0 2 devine casant la 20°C. Cobaltul are o ductilitate mai mică decât fierul sau nichelul, ceea ce poate fi o consecință a purității sale insuficiente. Toate cele trei metale luate în considerare au valori similare ale presiunii de vapori. Distilarea lor se efectuează de obicei la temperaturi de 20-50 ° C peste punctul de topire, deși toate sublimează în vid la temperaturi > 1100 ° C.
Spre deosebire de metalele din subgrupul fierului, cromul și manganul de puritate ridicată sunt fragile la temperatura camerei. Chiar și concentrațiile minore de impurități, cum ar fi carbonul, sulful, azotul și oxigenul, le înrăutățesc drastic proprietățile mecanice. Pentru cel mai pur crom, temperatura de tranziție de la starea fragilă la cea plastică este aproape de 50°C. Este, totuși, posibilă reducerea acestei temperaturi prin purificarea suplimentară a metalului.
În prezent se crede că principalul motiv pentru fragilitatea cromului la temperatura camerei este prezența azotului și oxigenului în acesta în cantități de <0,001%. Temperatura la care cromul se transformă în stare plastică crește brusc odată cu adăugarea de aluminiu, cupru, nichel, mangan și cobalt. Este posibil ca un mare efect de purificare a cromului din azot să poată fi obținut prin distilarea acestuia într-un volum izolat.
Manganul este fragil pe întreaga gamă de existență a fazei α (până la 700° C), în timp ce fazele de temperatură înaltă (β- și γ-Μπ) sunt destul de plastice. Motivele fragilității α-Μn nu au fost suficient studiate.
Cromul și manganul au presiuni semnificative de vapori sub punctele lor de topire. Cromul se sublimează în vid la o viteză vizibilă peste 1200°C. Deoarece punctul de topire al cromului este de aproximativ 1900°C, este imposibil să-l topești în vid din cauza sublimării. În mod obișnuit, topirea metalului sau a condensatului inițial se realizează într-un gaz inert la o presiune mai mare de 700 mm Hg. Artă. Manganul este distilat atât prin sublimare, cât și din fază lichidă.
De obicei, distilarea tuturor metalelor în cauză poate produce condens cu o puritate de ~99,99%. Cu toate acestea, curățarea foarte eficientă este posibilă numai atunci când se utilizează condensatoare cu un gradient de temperatură. Distilarea cromului și manganului a fost studiată în detaliu în principal de Kroll și în laboratorul autorilor.
Distilarea manganului în vid a fost descrisă pentru prima dată de Tiede și Birnbrauer. Geiler a studiat acest proces în detaliu și a investigat o serie de proprietăți ale manganului de înaltă puritate rezultat. Distilarea a fost efectuată într-un tub de cuarț de 600 mm lungime și 100 mm în diametru. Manganul s-a evaporat într-un creuzet de magnezit și s-a condensat pe un alt creuzet similar. Metalul a fost încălzit cu curenți de înaltă frecvență. Evaporarea a fost efectuată la o temperatură de ~ 1250 ° C într-un vid de 1-2 mm Hg. Artă. Un metal aluminotermic cu o puritate de ~99% și mangan tehnic (~96–98%) au fost utilizate ca materie primă. Rezultatele unei singure distilare sunt prezentate în tabel. 48. Randamentul metalului pur a fost de -50% din greutatea sarcinii. Cu parametrii de proces specificați și o sarcină de 2,7 kg, s-au obținut 0,76 kg de metal pur în 5 ore. În instalația Geyler, posibilitatea interacțiunii dintre metal și materialul țevii nu a fost eliminată și, prin urmare, într-o serie de experimente, distilatul a fost contaminat cu siliciu.
Rezumat general
Până de curând, metalele refractare - vanadiu, crom, niobiu, tantal, molibden și wolfram erau utilizate în principal pentru aliajele pe bază de metale precum fier, nichel, cobalt, aluminiu, cupru și în cantități foarte limitate în alte zone industriale, de ex lămpile electrice și industria chimică.
Pentru aliere, a fost suficient să existe metale care conțin 1-2% impurități. Metalele refractare cu un astfel de conținut de impurități sunt extrem de fragile și nu sunt adecvate pentru utilizare ca materiale structurale. Cu toate acestea, ductilitatea metalelor refractare crește odată cu creșterea purității lor, iar problema utilizării lor ca materiale structurale a devenit destul de reală după dezvoltarea metodelor de producere a acestor metale cu un conținut foarte scăzut de impurități.
Metalele refractare se obțin de obicei prin reducerea sărurilor sau oxizilor lor cu metale active sau hidrogen, precum și prin electroliză.
Vanadiul se obține prin reducerea pentoxidului său cu calciu sau triclorura de vanadiu cu magneziu sau calciu. Vanadiul cel mai pur se obtine prin metoda iodurii, precum si prin rafinare electrolitica in saruri topite.
O modalitate simplă de a obține crom suficient de pur este precipitarea sa electrolitică din soluții apoase. Cu toate acestea, cromul electrolitic conține cantități destul de semnificative de oxigen și hidrogen. Cromul foarte pur se obține prin metoda iodurii, precum și prin distilare în vid și rafinare cu hidrogen a cromului pur tehnic.
Niobiul apare de obicei în natură împreună cu tantalul. Prin urmare, la obținerea acestor metale în forma lor pură, este necesară separarea lor atentă. După separare, tantalul pur este obținut prin reducerea fluorotantalatului său cu sodiu sau alte metale active. Niobiul este extras din carbura sau oxidul de niobiu, care se formează atunci când se separă tantalul și niobiul. Niobiul poate fi obținut și prin electroliza fluoroniobatului de potasiu și reducerea pentaclorurii de niobiu cu hidrogen. Pentru purificarea finală, tantalul și niobiul sunt topite în vid înalt.
Molibdenul și wolframul se obțin prin reducerea oxizilor, clorurilor sau a sărurilor lor de amoniu purificate cu hidrogen.
Trebuie remarcat faptul că, după extracția din minereuri, majoritatea metalelor refractare sunt sub formă de pulbere sau burete. Prin urmare, pentru a le obține într-o formă compactă, metodele de metalurgie a pulberilor, topirea cu arc și în în ultima vreme- topirea cu fascicul de electroni foarte eficientă.
Proprietățile fizice și chimice ale metalelor refractare pure
Metalele refractare considerate aici aparțin subgrupelor VA (vanadiu, niobiu și tantal) și VIA (crom, molibden și wolfram).
Unele proprietăți fizice ale metalelor refractare pure sunt prezentate în tabel. 25.
Printre alte proprietăți fizice ale metalelor refractare pure, trebuie remarcată secțiunea transversală relativ mică pentru captarea termică a neutronilor: niobiu 1,1, molibden 2,4, crom 2,9 și wolfram 4,7 hambare. Cel mai pur wolfram și molibden la temperaturi apropiate de zero absolut sunt supraconductori.
Acest lucru este valabil și pentru vanadiu, niobiu și tantal, ale căror temperaturi de tranziție la starea supraconductoare sunt de 5,9 și, respectiv, 4,5 ° K.
Proprietățile chimice ale metalelor refractare pure sunt foarte diferite. Cromul este rezistent la aer și apă la temperatura camerei. Pe măsură ce temperatura crește, activitatea cromului crește și se combină direct cu halogeni, azot, carbon, siliciu, bor și o serie de alte elemente și arde în oxigen.
Vanadiul este activ din punct de vedere chimic. Începe să interacționeze cu oxigenul, hidrogenul și azotul deja la temperaturi de peste 300 ° C. Vanadiul reacționează direct cu halogenii atunci când este încălzit la 150-200 ° C.
Molibdenul este stabil în aer și oxigen la temperatura camerei, dar când este încălzit peste 400 ° C, începe să se oxideze intens. Nu reacționează chimic cu hidrogenul, dar îl absoarbe slab. Molibdenul interacționează activ cu fluorul la temperaturi obișnuite, începe să interacționeze cu clorul la 180 ° C și aproape că nu reacționează cu vaporii de iod.
Tungstenul este, de asemenea, stabil în aer și oxigen la temperatura camerei, dar se oxidează puternic când este încălzit peste 500° C. Tungstenul nu reacționează cu hidrogenul până la punctul de topire. Reacționează cu fluorul la temperatura camerei, cu clorul la temperaturi peste 300 ° C și reacționează foarte greu cu vaporii de iod.
Dintre metalele luate în considerare, tantalul pur și niobiul se caracterizează prin cea mai mare rezistență la coroziune. Sunt stabili în acizi clorhidric, sulfuric, azotic și alți acizi și oarecum mai puțin stabili în alcalii. În multe medii, tantalul pur se apropie de platină în ceea ce privește rezistența sa chimică. O trăsătură caracteristică a tantalului și niobiului este capacitatea lor de a absorbi cantități mari de hidrogen, azot și oxigen. Când sunt încălzite peste 500 ° C, aceste metale se oxidează intens în aer.
Pentru posibilitatea utilizării metalelor refractare la temperaturi ridicate, tendința lor de a se oxida este de o importanță deosebită. Dintre metalele luate în considerare, doar cromul pur are rezistență ridicată la oxidare. Toate celelalte metale refractare oxidează intens la temperaturi peste 500-600° C. Rezistența ridicată a cromului la oxidare se datorează formării unei pelicule dense de oxid refractar pe suprafața sa, care protejează metalul de oxidarea ulterioară. Pe suprafața altor metale refractare nu se formează pelicule de oxid de protecție.
Oxizii de molibden și vanadiu sunt foarte fuzibili (punctele lor de topire sunt 795, respectiv 660 ° C) și volatili. Oxizii de niobiu, tantal și wolfram au puncte de topire relativ ridicate (1460, 1900 și, respectiv, 1470 ° C), dar volumele lor specifice depășesc semnificativ volumele specifice ale metalelor corespunzătoare. Din acest motiv, peliculele de oxid, chiar și cu o grosime foarte mică, se crăpă și se desprind de pe metal, permițând oxigenului accesul la suprafața curată a acestuia.
Proprietățile mecanice ale metalelor refractare pure și efectul impurităților asupra acestor proprietăți
Deoarece toate metalele refractare descrise au o rețea centrată pe corp, proprietățile lor mecanice au o serie de caracteristici caracteristice metalelor cu o astfel de structură. Proprietățile mecanice ale metalelor refractare (rezistența la tracțiune, ductilitate, duritate) depind puternic de prezența impurităților în ele. Impactul negativ al unor cantități mici de impurități asupra acestora proprietăți plastice excepţional de mare.
Rol decisiv în schimbare caracteristici mecanice metalele centrate pe corp sunt jucate de impuritățile interstițiale, cum ar fi carbonul, azotul, oxigenul și hidrogenul care intră în spațiile interstițiale.
Astfel, în molibdenul topit într-un cuptor cu arc, conținutul de carbon poate fi redus la 0,01%, iar conținutul de gaz poate fi redus la valori foarte mici, de exemplu, oxigenul la 1 parte per milion. O astfel de tijă poate fi îndoită fără distrugere la o temperatură de aproximativ -50 ° C, dar se rupe în timpul unui test de impact.
Prin topirea zonei, conținutul de carbon din molibden poate fi redus de la 0,01 la 0,002% și mai jos. În timpul testării de impact, tijele curățate în zonă își păstrează ductilitatea până la -140° C. Rezultă în mod clar că ductilitatea molibdenului (precum și a altor metale refractare) este o funcție a purității lor în raport cu impuritățile interstițiale. Eliberate de aceste impurități, molibdenul și alte metale refractare rezistă cu ușurință la prelucrarea la rece (laminare, ștanțare și alte operațiuni similare).
Gradul de purificare a molibdenului din oxigen are o influență foarte puternică asupra temperaturii de tranziție la starea fragilă: la 0,01% O2 este plus 300 ° C, la 0,002% O2 - plus 25 ° C și la 0,0001%) O2 - minus 196° CU.
În prezent, sunt crescute monocristale mari de molibden cu o lungime de aproximativ 500 mm și o secțiune transversală de 25x75 mm (prin metoda topirii zonei cu încălzire cu fascicul de electroni). Aceste monocristale ating o puritate ridicată a materialului, cu un conținut total de impurități interstițiale de mai puțin de 40 de părți per milion. Astfel de monocristale din cel mai pur molibden se caracterizează printr-o plasticitate foarte mare până la temperatura heliului lichid.
Un monocristal de molibden poate fi îndoit la 180 de grade fără distrugere dintr-un singur cristal de molibden cu un diametru de 12 mm, deformarea la rece poate produce un fir cu un diametru de 30 de microni și o lungime de 700-800 m sau o folie cu o grosime; de 50 microni, la care poate fi supus ștanțare la rece cu hotă de evacuare, care este foarte importantă pentru obținerea unui număr de părți critice ale dispozitivelor electrice de vid.
Monocristalele din alte metale refractare - wolfram, vanadiu, niobiu, tantal - sunt obținute printr-o metodă similară. Tungstenul este produs în prezent prin topirea zonei cu fascicul de electroni sub formă de monocristale cu un diametru de aproximativ 5 mm și o lungime de aproximativ 250 mm de înaltă densitate și puritate (99,9975% W). Acest wolfram este din plastic chiar și la o temperatură de - 170° C.
Monocristalele de wolfram obținute prin topirea cu fascicul de electroni pot rezista la îndoire de două ori la temperatura camerei, ceea ce indică o temperatură foarte scăzută de tranziție a acestui metal de la o stare ductilă la una fragilă. Pentru wolfram obișnuit, începutul tranziției la o stare fragilă este la temperaturi de peste 700 ° C.
Monocristalele de wolfram rezistă cu ușurință la lucru la rece și sunt utilizate în prezent pentru fabricarea de sârmă, material de tijă, foi și alte produse semifabricate. Niobiul monocristalin poate fi deformat la temperatura camerei cu o compresie de până la 90% și păstrează o ductilitate destul de ridicată la temperatura azotului lichid (-194°C). Un monocristal de tantal, comprimat cu 80%, are, de asemenea, suficientă ductilitate atunci când face sârmă.
Ductilitatea excelentă, întărirea minimă, rezistența ridicată la coroziune și stabilitatea bună sunt caracteristice metalelor refractare de înaltă puritate obținute sub formă de monocristale prin topirea zonei cu fascicul de electroni. Vanadiul, niobiul și tantalul sub formă de lingouri policristaline de topire cu fascicul de electroni sau monocristale purificate prin topirea zonei nu devin fragile chiar și la răcire foarte profundă.
Aplicarea metalelor refractare pure
Utilizarea metalelor refractare pure (și în viitor vor fi utilizate evident doar sub această formă) se dezvoltă în două direcții principale: 1) pentru aeronave supersonice, rachete ghidate, rachete și nave spațiale; 2) pentru tehnologie electronică. În ambele cazuri sunt necesare metale cele mai pure, care au o ductilitate foarte mare, ceea ce, după cum am văzut mai sus, se realizează prin purificarea în profunzime a metalelor refractare din impuritățile interstițiale.
Oțelurile și aliajele rezistente la căldură pe bază de nichel și cobalt, care pot funcționa la temperaturi de 650-870 ° C, nu mai îndeplinesc cerințele aviației supersonice și tehnologiei rachetelor. Sunt necesare materiale cu rezistență suficientă pe termen lung la temperaturi peste 1100°C. Astfel de materiale sunt metale refractare pure (sau aliaje pe baza acestora), capabile de deformare plastică.
Pentru fabricarea de piei pentru aeronave supersonice și rachete, sunt necesare foi de molibden pur și niobiu, care au o rezistență specifică mai mare decât tantalul și wolfram, până la 1300 ° C.
Părți ale turbinelor cu jet de aer, rachete și turbojet funcționează în condiții mai severe. Pentru fabricarea acestor piese care operează la temperaturi de până la 1370° C, este recomandabil să se folosească molibden pur și niobiu, dar la mai mult temperaturi ridicate Doar tantalul și wolfram sunt potrivite. Pentru lucrul la temperaturi de peste 1370° C, cel mai mare interes este în tantalul pur și aliajele sale, care au o ductilitate relativ ridicată la astfel de temperaturi și nu sunt inferioare wolframului ca rezistență la căldură.
Piesele funcționează în cele mai severe condiții turbine cu gaz. Pentru astfel de piese, niobiul pur și aliajele pe bază de acesta, care au o rezistență acceptabilă la oxidare, sunt cele mai potrivite.
Cele mai pure metale refractare găsesc o varietate de aplicații în tehnologia electronică și a vidului. Tantalul este un bun getter și este utilizat pe scară largă în producția de tuburi vidate. Niobiul este folosit în tehnologia de vid electric pentru fabricarea anozilor, grilelor, tuburilor și a altor piese. Molibdenul și wolframul sunt utilizate în dispozitivele electrice de vid și tuburile radio pentru fabricarea de filamente, electrozi, cârlige, pandantive, anozi și grile.
Monocristalele de tungsten de înaltă puritate și fără pori sunt utilizate ca încălzitoare catodice în dispozitivele electrice de vid, pentru contactele electrice, în vacuoruptoare, în intrările la instalațiile de vid - unde absența gazelor este un factor important.
Metalele refractare pure produse prin topirea cu fascicul de electroni își vor găsi aplicație directă în producția de dispozitive electronice miniaturale. De interes sunt acoperirile din metale refractare pure obtinute prin pulverizarea sau descompunerea termica a compusilor metalelor refractare.
Vanadiul și niobiul pur, datorită secțiunii lor mici de captare a neutronilor termici, sunt de asemenea utilizate cu succes în energie nucleară. Vanadiul este folosit pentru a face țevi cu pereți subțiri pt reactoare nucleare, carcase de elemente de combustibil, deoarece nu este aliat cu uraniu și are o conductivitate termică bună și o rezistență suficientă la coroziune.
Niobiul pur nu interacționează cu sodiul topit și bismutul, care sunt adesea folosiți ca agenți de răcire, și nu formează compuși fragili cu uraniul.
Tantalul pur, datorită rezistenței sale ridicate la coroziune, este utilizat pentru fabricarea pieselor echipamentelor chimice care funcționează în medii acide agresive, de exemplu, în producția de fibre artificiale. Recent, tantalul este adesea înlocuit aici cu niobiu pur, care este mai ieftin și mai abundent în natură. Cromul pur are aplicații similare. Aceste exemple departe de a epuiza zonele de aplicare în continuă expansiune ale celor mai pure metale refractare.
07.02.2020
Înainte de a cumpăra rafturi în Kiev, un antreprenor ar trebui să le înțeleagă tipurile, scopul și nuanțele de cumpărare. Să luăm în considerare toate principalele și...
07.02.2020
Înainte de a apuca primul prelungitor pe care îl întâlniți de la tejghea și să plătiți bani pentru el, trebuie să vă dați seama singur dacă dispozitivul este potrivit pentru lungimea cablului, numărul de prize,...
06.02.2020
Geotextilul sau geoțesatura destinat căilor de grădină este un material biologic pur. Firele subțiri presate o creează. În amenajarea peisajului...
Datorită dezvoltării noilor ramuri de tehnologie, sunt necesare metale de o puritate foarte mare. De exemplu, în metalul germaniu, folosit ca semiconductor, este permis să se conțină doar un atom de fosfor, arsen sau antimoniu la zece milioane de atomi de germaniu. În aliajele rezistente la căldură utilizate în producția de rachete, chiar și un amestec nesemnificativ de plumb sau sulf este complet inacceptabil.
Unul dintre cele mai bune materiale structurale pentru reactoare nucleare, zirconiul devine complet nepotrivit dacă conține chiar și un mic amestec de hafniu, cadmiu sau bor, deci conținutul acestor elemente în materiale. energie nucleară nu trebuie să depășească 10 -6. Conductivitatea electrică a cuprului scade cu 14% în prezența amestecului de arsenic de numai 0,03%. Puritatea metalelor în electronică și tehnologie informatică, precum și energia nucleară. Pentru materialele metalice ale reactoarelor termonucleare și dispozitivelor semiconductoare, conținutul de impurități nu trebuie să depășească 10 -10%. Există mai multe metode de curățare a metalelor.
1. Distilarea în vid. Această metodă se bazează pe diferența de volatilitate a metalului și a impurităților prezente în acesta.
2. Descompunerea termică a compuşilor metalici volatili. Această metodă se bazează pe reacții chimice în care un metal cu unul sau altul reactiv formează produse gazoase, care apoi se descompun pentru a elibera metal de înaltă puritate. Luați în considerare principiul această metodă folosind exemplul metodelor carbonil și iodură.
A) Metoda carbonilului. Această metodă este folosită pentru a obține nichel și fier de înaltă puritate. Metalul industrial de curățat este încălzit prin această metodă în prezența monoxidului de carbon (II): Ni + 4CO = Ni(CO) 4 , Fe + 5CO = Fe(CO) 5
Carbonilii volatili rezultați Ni(CO)4 (punct de fierbere 43 °C) sau Fe(CO)5 (punct de fierbere 105 °C) sunt distilați pentru a îndepărta impuritățile. Apoi carbonilii se descompun la temperaturi peste 180 ° C, rezultând formarea de metale pure și monoxid de carbon gazos (II): Ni(CO) 4 = Ni + 4CO, Fe(CO) 5 = Fe + 5CO
B) Metoda iodului. Cu această metodă, metalul de curățat, de exemplu titanul, este încălzit împreună cu iod la o temperatură de 900 °C: Ti + 2I 2 = TI 4
Tetraiodura de titan volatilă rezultată intră într-un reactor în care există un fir din titan pur, încălzit cu curent electric la 1400 °C. La această temperatură, tetraiodură de titan se disociază termic: Til 4 = Ti + 2I 2
Pe fir se depune titan pur, iar iodul este returnat la procesul de purificare a titanului. Această metodă produce, de asemenea, zirconiu pur, crom și alte metale refractare.
3. Topirea zonei. O metodă excelentă de curățare este așa-numita topire a zonei. Topirea în zonă implică extragerea lent a unui lingou de metal pentru a fi purificat printr-un cuptor inelar. Metalele care au suferit o purificare preliminară până la o concentrație de impurități de aproximativ 1% sunt supuse topirii zonei. Metoda se bazează pe conținut diferit de impurități în metalul solid și topit. Procesul se realizează prin mișcarea lentă de-a lungul unui eșantion solid alungit (lingoț) a unei zone înguste topite create de un încălzitor special (cuptor cu inel) .
Zona (zona) a unui lingou de metal, adică în acest moment este în cuptor, intră în stare topită.
Apar două limite de interfaze în mișcare: pe una (intrarea metalului în cuptor) are loc topirea, pe cealaltă (ieșirea metalului din cuptor) are loc cristalizarea.
În funcție de solubilitatea impurităților, unele sunt concentrate în zona topită și se deplasează cu aceasta până la capătul lingoului, impuritățile altor metale sunt concentrate în cristalele rezultate și rămân în spatele zonei în mișcare atunci când procesul se repetă de mai multe ori; se deplasează la începutul lingoului. Ca urmare, compoziția cristalelor rezultate diferă de compoziția topiturii.
Pentru a obține un grad ridicat de purificare, se fac de obicei mai multe treceri ale zonei topite de-a lungul lingoului de metal. Ca urmare, partea de mijloc a lingoului este cea mai curată, este tăiată și utilizată.
Metoda de topire în zone face posibilă obținerea de metale deosebit de pure cu un conținut de impurități de 10 -7 -10 -9%. Această metodă este folosită pentru a obține germaniu, bismut, teluriu ultra-pur etc.
Avantajul principal această metodă - randament ridicat. Dezavantajele metodei sunt productivitatea scăzută, costul ridicat, durata lungă a procesului.
4. metoda electrochimica de curatare a metalelor(rafinarea metalelor).
