«Применение d–металлов в технике. Рассмотрев химические свойства d-металлов, представим – по необходимости кратко! – важнейшие области их применения. Скандий Впервые ...»

1

Лекция № 6

Применение d–металлов в технике.

Рассмотрев химические свойства d-металлов, представим – по

необходимости кратко! – важнейшие области их применения.

Скандий

Впервые металлический скандий был получен только в 1937 г. В.

Фишером с помощью электролиза безводного ScCl3.

Сегодня мировое потребление металлического скандия составляет 500 — 1000 кг в год.1 Главным по объёму применением металлического скандия является его использование в алюминиево-скандиевых сплавах.2 Значительный интерес для авиакосмической и атомной техники имеют тугоплавкие интерметаллические соединения скандия с рением (температура плавления до 2575 °C).

Титан 2 Свойства металлического титана существенно зависят от его чистоты.

Только в 1925 году голландские ученые ван Аркель и де Бур нашли способ получения титана с чистотой 99,9%, который и проявляет замечательные свойства – легкость, прочность, ковкость, стойкость к коррозии.

В настоящее время мировое производство металлического титана достигает 100 тыс. тонн в год.

Современный способ получения титана состоит из нескольких стадий.

Сначала исходную руду (оксид титана рутил TiO2) с помощью хлора (в присутствии углерода) при нагревании переводят в четыреххлористый титан:

TiO2 + С + 2Сl2 TiCl4 + CO Четыреххлористый титан в обычных условиях представляет собой жидкость с температурой кипения 136°C.

Далее TiCl4 подвергается металлотермии (магнием или натрием):

TiCl4 + 2Mg Ti + 2MgCl2.

Эта реакция идет в стальных реакторах при 900°C. В результате образуется так называемая титановая губка, пропитанная магнием и хлоридом магния. Их испаряют в герметичном вакуумном аппарате при 950°C, а титановую губку затем спекают или переплавляют в компактный металл. Это – основной промышленный метод.

Для получения более чистого титана и поныне используется иодидный метод, предложенный ван Аркелем и де Буром. Металлотермический губчатый титан превращают в иодид TiI4, который затем возгоняют в вакууме. На своем пути пары иодида титана встречают раскаленную до 1400°C титановую проволоку. При этом иодид разлагается, и на проволоке нарастает слой чистого титана. Этот метод производства титана малопроизводителен и дорог, поэтому в промышленности он применяется крайне ограниченно.( http://www.12vsk.lv/kim/titan.htm ) Металлический титан - основа высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники.3 Вторым важнейшим потребителем титана является металлургия. Он входит в состав сотен марок сталей и сплавов. В нержавеющие стали его вводят для предотвращения межкристаллитной коррозии. В жаростойких высокохромистых сплавах он уменьшает размер зерна, делая структуру металла однородной и мелкокристаллической. В других жаростойких сплавах титан служит упрочняющим элементом.

Одно из замечательных свойств титана — его необычная стойкость к коррозии. На пластинке из титана за 10 лет пребывания в морской воде не появилось и следа ржавчины (за такой срок от железной пластинки остались бы лишь воспоминания). Расчеты показывают, что если бы этот эксперимент начался тысячу лет назад, например, когда проходило крещение Руси, то к нашему времени коррозия смогла бы проникнуть в глубь титана всего на 0, миллиметра.4 (http://khimiya.narod.ru/ti.htm ) Ванадий Первый сравнительно чистый (96%) ванадий получил в 1869 г. Г. Роско прокаливанием хлористого ванадия в струе водорода. Но только в 1927 году Марден и Рич получили ванадий чистотой 99,8% путем восстановления пятиокиси ванадия металлическим кальцием:

V2O5 + 5Ca = 2V + 5CaO Этот металлотермический способ получения чистого ванадия используют до сих пор. Мировое потребление металлического ванадия составляет около 60 тыс.

тонн в год и очень быстро растет (на долю России приходится порядка 60% мировых запасов ванадия).

Черная металлургия потребляет до 95% производимого металлического ванадия. Он используется как легирующая добавка к стали, чугуну, титановым сплавам. Ванадий резко повышает твердость, ковкость, износоустойчивость, жаропрочность и коррозионную стойкость сплавов.

Взаимодействуя с растворенным в стали и чугуне углеродом ванадий образует тугоплавкий (tпл. = 28000С) карбид :

Карбид ванадия образует твердую фазу и распределяется в расплаве в виде огромного числа тонкодисперсных включений, которые препятствуют росту зерен железа при кристаллизации расплава.6 Это способствует образованию мелкокристаллической структуры металла.

Г.Форду приписывается фраза: «Если бы не было ванадия – не было бы автомобиля». Добавка доли процента ванадия делает сталь мелкозернистой.

Такая сталь легче переносит удар и изгиб, упорнее сопротивляется истиранию, лучше противостоит разрыву. Вот почему такие ответственные узлы и детали автомобиля, как двигатель, клапанные пружины, рессоры, оси, валы, шестерни изготовляют из ванадиевой стали.

В 1854 году Р.Бунзену удалось получить чистый металлический хром электролизом водных растворов хлорида хрома. Именно электролиз и является главным современным способом получения очень чистого металлического хрома.

Совершенно чистый (без газовых примесей и углерода) хром довольно вязок, ковок и тягуч. При малейшем загрязнении углеродом, водородом, азотом и т.д. становится хрупким, ломким и твердым. Это, однако, не мешает многим практическим областям применения хрома, а потому значительные его количества получают алюмотермическим способом.

Мировое потребление металлического хрома составляет около 25 тыс.

тонн в год.7 Ещё более значительно производство и потребление феррохрома (сплав, содержащий до 60% хрома). Мировое производство феррохрома различных марок в 2005 г. составило около 6,5 миллионов тонн!

Именно в форме феррохрома в сплавы и вводится хром – один из самых важных легирующих элементов, применяемых в черной металлургии. Хром в небольших количествах придает сталям твердость и прочность. Из хромсодержащих сталей изготавливают лопатки газовых турбин и детали реактивных двигателей. При значительных содержаниях хрома в сталях (12% и более) они приобретают значительную корозионную стойкость и становятся особым конструкционным материалом – нержавеющими сталями.

Чистый электролитический хром используется для нанесения металлических покрытий в электронике. Тонкие пленки из хрома наносят на жесткие диски компьютеров, индикаторные панели телевизоров и жидкокристаллические дисплеи.

Хром применяется и как износоустойчивый и красивый материал для гальванических антикоррозионных и декоративных покрытий.

Марганец Впервые металлический марганец был получен ещё в 1774 году Юханом Готлибом Ганом. Сегодня мировое производство марганца составляет 7-7, млн. тонн в год. Около 90% всего производимого марганца потребляется для изготовления легированных сталей. Поэтому из руд обычно выплавляют не чистый марганец, а высокопроцентный сплав Мn с железом и углеродом — ферромарганец (70-95 % Мn). Выплавку его из смеси марганцевых и железных руд ведут в электрических печах. Восстановитель – кокс:

Более чистый металлический марганец получают восстановлением его прокаленных оксидов алюминием. Так как алюминий очень бурно реагирует с диоксидом марганца, используют прокаленный пиролюзит (MnO2). При прокаливании пиролюзита образуется оксид марганца (Мn3O4), который с алюминием реагирует более спокойно:

Марганец повышает износостойкость стали и предел прочности на разрыв. Он заменяет дефицитный никель при выплавке нержавеющих сталей.

Марганец обычно вводят в сталь вместе с другими элементами – хромом, кремнием, вольфрамом. Однако есть сталь, в состав которой, кроме железа, марганца и углерода, ничего не входит. Это так называемая сталь Гадфилда. Она содержит 1...1,5% углерода и 11...15% марганца. Сталь этой марки обладает огромной износостойкостью и твердостью. Ее применяют для изготовления дробилок, которые перемалывают самые твердые породы, деталей экскаваторов и бульдозеров. Твердость этой стали такова, что она не поддается механической обработке, детали из нее можно только отливать. http://n-t.ru/ri/ps/pb025.htm Высокочистый металлический марганец получают электролизом раствора его сульфата MnSO4. Современный вариант этого способа разработан российским электрохимиком Р.И.Агладзе.9 Полученный таким образом металл используется в электронике для создания перспективных полупроводников (MnGa2Se4 и др.) и для производства высокооктановых добавок к бензину. Цирконий, ниобий, молибден Эти три элемента роднят не только их свойства, но и то, что они в металлической форме производятся для нужд самых высокотехнологических отраслей – атомной, аэрокосмической и электронной. Промышленные способы получения чистых металлов были разработаны довольно поздно. Цирконий был получен иодидным методом в 20-е г. ХХ в., ниобий и чистый молибден, способный к ковке, лишь в начале ХХ в. Мировое потребление чистых металлов (без учета их ферросплавов и других продуктов) для металлического циркония составляет 4–5 тыс. тонн в год,14 металлического молибдена – около 17 тыс. тонн в год, металлического ниобия – 450 тонн в год.

Цирконий имеет очень малое сечение захвата тепловых нейтронов.

Поэтому металлический цирконий, не содержащий гафния, и его сплавы применяются в атомной энергетике для изготовления тепловыделяющих элементов, теплообменников и других конструкций ядерных реакторов. Добавка ниобия (в виде сплава феррониобия) к специальным сортам стали резко повышает устойчивость сварных швов из этих сталей. Стали, содержащие от 1 до 5 % ниобия, отличаются исключительной жаростойкостью и применяются для устройства котлов высокого давления и реактивных двигателей. Более 75% молибдена применяют для легирования жаростойких и жаропрочных сталей, используемых в авиакосмической индустрии, энерготурбинах, автостроении. Молибденовая проволока (лента) служит для изготовления высокотемпературных печей, вводов электрического тока в лампочках.

Молибден также используется для легирования урана. Гафний, тантал, вольфрам, рений Это группа тяжелых тугоплавких металлов. Среди них вольфрам – первый по тугоплавкости (tпл = 34100С).

В промышленности эти металлы получают совсем недавно. Первый промышленный способ получения гафния18 был разработан в 50-е годы ХХв., тантала – в 1922, вольфрама – в конце XIX в., рения – в 30-е годы ХХ Мировое потребление чистых металлов (без учета их ферросплавов и других продуктов) для металлического гафния составляет около 50 тонн в год, металлического тантала – около 1400 тонн в год, металлического вольфрама – около 2000 тонн в год, металлического рения – около 40 тонн а год.

Сегодня больше 90% гафния потребляет ядерная энергетика для производства регулирующих стержней атомных реакторов. Из тантала изготовляют теплообменники, нагреватели, тигли для вакуумной плавки металлов. Применяют при изготовлении электролитических конденсаторов и ответственных деталей электронных приборов (до 30% потребления металлического тантала). Благодаря хорошей биосовместимости с живыми тканями человека, используют для костного протезирования.

Важнейшее применение вольфрама - быстрорежущие стали (17,5–18,5% вольфрама) и сплавы.21 Из вольфрамовой стали и других сплавов, содержащих вольфрам или его карбиды, изготовляют танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей. Основой при производстве инструментальных и жаропрочных сплавов является ферровольфрам (68–86% W, до 7% Mo и железо). В форме ферровольфрама используется около 90-95% всего потребляемого вольфрама.