Лучшие металлы для применения при высоких температурах
Если вам нужны специальные металлические детали, которые могут работать при высоких температурах, вы должны знать, что некоторые металлы особенно подходят для ваших нужд. Обычно это жаропрочные сплавы. Такие сплавы обладают прочностью и сопротивлением ползучести при высоких температурах, то есть они не деформируются при экстремальном нагреве и напряжении. Жаропрочные свойства металлических сплавов являются прямым результатом термической обработки, что позволяет им выдерживать температуры до 4000°C (7232°F).
Два фактора позволяют сплавам металлов с высоким сопротивлением выдерживать столь высокую температуру: структура сплавов (компонентов) и связи между атомами. Ниже мы представим шесть лучших высокотемпературных металлов, описав их составы, характеристики и области применения. С помощью этой информации вы сможете лучше решить, какой из этих жаропрочных металлов подойдет для вашего решения.
Титан
Этот серебристо-серый металл обычно используется для производства прочных, легких, жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов. Температура плавления титана составляет 1668 °C (3034 °F), но она, возможно, не самая высокая среди жаропрочных сплавов, но все же довольно высокая. Хотя титан считается редким металлом, в настоящее время он используется в качестве стандартного материала для производства и проектирования во многих промышленных и потребительских приложениях. Титан обычно производится с использованием процесса Кролла, где диоксид титана подвергается воздействию газообразного хлора для получения тетрахлорида титана, который затем реагирует с магнием для удаления оставшегося хлора. Титан часто называют «губчатым» из-за пористых отверстий, образовавшихся в его структуре во время его формирования. Этот металл обладает множеством полезных технических свойств, наиболее распространенными из которых являются: термостойкость, высокая прочность, коррозионная стойкость, низкая плотность, легкость, жесткость и ударная вязкость. Еще одним замечательным свойством является его способность смешиваться с другими сплавами, добавляя к его чистой форме дополнительный слой прочности на растяжение, термостойкости и ударной вязкости.Благодаря своей превосходной структурной целостности титан используется для высокопроизводительных применений, таких как автомобильные детали (клапаны, пружины клапанов, фиксаторы, шатуны), аэрокосмические компоненты (фюзеляж, крепеж, шасси), строительство (кровельные материалы, внешние материалы), спортивное оборудование (клюшки для гольфа, теннисные ракетки, велосипеды), морское бурение (морские мосты, свайные наголовники), медицинские приборы (искусственные кости, кардиостимуляторы, хирургические инструменты) и общая промышленность (нефтеперерабатывающие заводы, опреснительные установки). Поскольку титан может выдерживать высокие температуры и предотвращать коррозию при воздействии армированных углеродным волокном полимеров (CFRP), он заменил большинство алюминиевых компонентов, которые в основном использовались в самолетах до 1960-х годов.
Вольфрам
Как и титан, вольфрам — серебристо-белый металл. Название «вольфрам» происходит от шведских слов «tung» и «sten», что переводится как «тяжелый камень». Это название подходит, потому что его прочная структура и высокая температура плавления делают вольфрам одним из самых прочных материалов на Земле. Он также имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов и элементов на Земле (3422°C—6192°F), а также самую высокую прочность на разрыв (142 000 фунтов на квадратный дюйм). Из-за этого его часто используют для формирования тяжелых металлических сплавов, таких как быстрорежущая сталь, для различных режущих инструментов. Чистый вольфрам трудно формовать из-за его прочного внешнего вида и высокой температуры плавления, поэтому его часто превращают в порошок и смешивают с другими порошкообразными металлами для получения различных сплавов, которые затем используются для различных целей. Порошок вольфрама можно смешивать с порошкообразными металлами, такими как никель, с помощью процесса спекания для получения различных сплавов с улучшенными свойствами.Ключевые свойства вольфрама включают: высокую плотность (19,3 г/см³), высокую температуру плавления, прочность при высоких температурах, высокую прочность на разрыв, высокую коррозионную стойкость (не требуется дополнительная защита от окисления во время или после производства), самый твердый чистый металл, низкое давление паров (самое низкое среди всех металлов), низкое тепловое расширение и экологичность (не разлагается). Вольфрам сложно формовать, поэтому он в основном используется в качестве добавки для производства различных специальных сплавов. Области применения включают аэрокосмические компоненты, автомобильные детали, нити накаливания (для освещения), военную баллистику, гарнитуры для мобильных телефонов, режущее, сверлильное и расточное оборудование, химические приложения, электрические и электродные устройства. В чистом виде вольфрам также используется во многих электронных приложениях, таких как электроды, контакты, листы, провода и стержни. Кроме того, ювелиры часто используют его для изготовления ожерелий и колец из-за его плотности, которая такая же, как у золота, но с меньшим блеском и более твердой структурой.
Нержавеющая сталь
Нержавеющая сталь — это сплав, состоящий из трех различных металлов: железа, хрома и никеля. Эти три элемента объединяются с помощью специального процесса термической обработки для образования нержавеющей стали. Этот процесс можно обобщить следующим образом: плавка, настройка/перемешивание, формовка, термическая обработка, резка/формовка/отделка. Среди ее многочисленных характеристик, два самых популярных технических свойства нержавеющей стали — это ее коррозионная стойкость и экологичность. Нержавеющую сталь часто называют «зеленым материалом», потому что ее можно бесконечно перерабатывать. Что касается ее термостойкости, температура плавления нержавеющей стали колеблется от 1400 до 1530 °C (от 2550 до 2790 °F). Причиной этого диапазона, а не точного числа, является разное количество смешанных элементов, которые объединяются, образуя различные марки нержавеющей стали.Три элемента нержавеющей стали имеют разные температуры плавления: железо (1535°C—2795°F), хром (1890°C—3434°F) и никель (1453°C—2647°F). В зависимости от количества любого из трех используемых элементов конечная температура плавления будет зависеть в большей или меньшей степени. Однако температура плавления почти всегда находится между вышеупомянутыми средними значениями. Благодаря своим идеальным производственным и инженерным характеристикам нержавеющая сталь широко используется во многих областях, включая коррозионную стойкость, стойкость к высоким температурам, стойкость к низким температурам, высокую прочность на разрыв, долговечность (при высоких температурах и суровых условиях), легкую технологичность и формуемость, низкие эксплуатационные расходы, привлекательный внешний вид и экологичность (бесконечно перерабатываемую). После использования она не требует покраски, обработки или покрытия, что делает ее низкие эксплуатационные расходы одним из ее самых популярных качеств.Поэтому нержавеющая сталь очень популярна, особенно для следующих применений: здания (наружные стены, столешницы, поручни, фартуки), мосты, стальные ножи, холодильники и морозильники (отделочные материалы), посудомоечные машины (отделочные материалы), хранилища продуктов питания, нефтяные, газовые и химические компоненты (резервуары для хранения, трубопроводы, насосы, клапаны), очистные сооружения, опреснительные установки, гребные винты кораблей, компоненты электростанций (атомные, геотермальные, солнечные, гидро, ветровые), турбины (паровые, газовые). Высокая температура плавления и высокая прочность на разрыв нержавеющей стали повышают устойчивость продукта к нагрузкам, структурным нагрузкам и жизненному циклу.
Молибден
Этот серебристо-белый металл (серый в порошкообразной форме) чрезвычайно пластичен и обладает высокой устойчивостью к коррозии. Его температура плавления и термостойкость также довольно высоки. Температура плавления молибдена составляет 2623 °C (4753 °F), что является пятой по величине температурой плавления среди всех металлов. Его высокая температура плавления позволяет компонентам из молибдена эффективно работать при высоких температурах, что полезно для изделий, требующих термостойкой смазки. Дисульфид молибдена обычно используется в качестве сухой смазки в связующих покрытиях, смазках и дисперсиях для повышения термостойкости. Кроме того, при необходимости порошок молибдена можно преобразовать в твердые металлические блоки с помощью порошковой металлургии или процессов дугового литья. Другими словами, твердые формы молибдена можно использовать для применений, где они требуются. Однако молибден по-прежнему в основном используется в форме порошка из-за его многочисленных полезных свойств, включая высокую температуру плавления, термостойкость, пластичность, немагнитные свойства и привлекательный внешний вид. Многие из этих свойств существуют и в твердой форме.Молибден также используется для производства коммерческих сплавов, которые являются твердыми, прочными, проводящими и очень износостойкими. Эти сплавы используются в таких областях, как вооружение, детали двигателей, пильные полотна, смазочные добавки, чернила для печатных плат, нити электронагревателей, защитные покрытия (котлы) и нефтяные катализаторы. Несмотря на обилие в природе, молибден не встречается в свободном виде (1,1 ppm). Поэтому его стоимость обычно немного выше, чем у других жаропрочных металлов, особенно когда спрос на производство стали высок, так как он часто используется для стальных покрытий.
никель
Как и многие другие жаропрочные металлы в этом списке, никель — серебристо-белый переходный металл, известный своей высокой температурой плавления (1455°C—2651°F) и коррозионной стойкостью. Высокая коррозионная стойкость никеля делает его полезным для гальванопокрытия и покрытия других металлов, а также для производства сплавов, таких как нержавеющая сталь. Высокая температура плавления никеля является прямым результатом притяжения его положительных и отрицательных ионов (протонов и электронов) друг к другу, образуя прочные связи, которые остаются нетронутыми под огромным давлением и при высокой температуре. Поскольку никель является природным металлом, в изобилии встречающимся в месторождениях Земли, его не производят каким-либо способом, а скорее извлекают из слоев горных пород (ультрамафическое магниевое железо и магматические мафические породы), в основном встречающихся в тропическом климате. С другой стороны, никелевые сплавы создаются путем соединения никеля с другими металлами, такими как алюминий, титан, железо, медь и хром, с помощью простого процесса термической обработки. Затем эти сплавы используются для производства различных изделий для различных отраслей промышленности. В настоящее время используется около 3000 сплавов на основе никеля.Общие свойства, демонстрируемые всеми вариантами никелевых сплавов, включают прочность, ударную вязкость, мягкие магнитные свойства, коррозионную стойкость, термостойкость и легкую технологичность (хорошая свариваемость). Как уже упоминалось, сплавы на основе никеля используются во многих областях промышленности, и список их довольно обширен. Его можно обобщить следующим образом: электрические печи, тостеры, трансформаторы, индукторы, броневые пластины, валы морских винтов, лопатки турбин, стальные покрытия, сплавы нержавеющей стали, коррозионно-стойкие сплавы, батареи (никель-кадмиевые, никель-металлгидридные), магнитные усилители, магнитное экранирование, устройства хранения данных, свечи зажигания, автомобильные электроды. Никель обладает высокой стойкостью к окислению даже при экстремальных
температуры и может предотвратить электрохимическую коррозию. Поэтому это отличный выбор для производства жаропрочных и коррозионностойких сплавов, которые необходимы для применений, работающих в коррозионных и высокотемпературных средах.
Тантал
Этот редкий сине-серый металл известен своей чрезвычайно твердой структурой, высокой температурой плавления и устойчивостью почти ко всем видам едких кислот. Температура плавления тантала (3020 °C—5468 °F) является третьей по величине среди всех элементов. Сырой тантал обычно встречается в месторождениях, называемых колумбит-танталит (или колтан). После добычи его отделяют от ниобия и других металлов, содержащихся в минералах, одним из трех способов: электролитическое применение, восстановление тантала фторида калия натрием или реакция карбидов с оксидами. Процесс термитного восстановления с использованием натрия, вероятно, является самым популярным методом получения танталового порошка, материала, широко используемого в электротехнике. По сравнению с другими производственными материалами тантал допускает более широкий диапазон вариаций зерна, что помогает снизить затраты и улучшить возможности проектирования и механические свойства.Тантал обладает многими свойствами, которые увеличили его использование в 21 веке, включая высокую стабильность, высокую прочность, коррозионную стойкость (отсутствие химической деградации при низких температурах), термостойкость, чрезвычайно высокую температуру плавления, теплопроводность, электропроводность, защиту оксидного слоя (предотвращающую все формы коррозии, включая окисление и кислотную коррозию), легкую технологичность, пластичность, плотность и твердость. Тантал часто сочетают с другими элементами для получения сплавов с более высокими температурами плавления и прочностью на разрыв. С точки зрения применения, тантал в основном используется для производства компонентов для энергетической промышленности. Однако из-за его высокой термостойкости и коррозионной стойкости он также считается полезным производственным материалом в авиационной, оборонной и химической промышленности. Тантал обычно используется в таких областях, как электролитические конденсаторы, детали вакуумных печей, электронные компоненты (схемы, конденсаторы, резисторы), компоненты ядерных реакторов, химическое технологическое оборудование, детали самолетов, вооружение, хирургические инструменты, объективы для камер, обработка стальных поверхностей (покрытия), а также пестициды и гербициды.Среди всех перечисленных применений тантал наиболее ценится за его использование в электролитических конденсаторах, способных хранить самый высокий заряд на единицу емкости среди всех конденсаторов.
Заключение
Металлы, упомянутые в руководстве выше, являются шестью лучшими жаропрочными материалами, доступными для изготовления индивидуальных высокотемпературных металлических деталей. Они обладают превосходными механическими и инженерными свойствами, включая коррозионную стойкость, прочность на разрыв, усталостную прочность, высокую пластичность, простоту изготовления и прочность. Подходящий жаропрочный металл для вашего проекта будет зависеть от его требований. Информация выше может помочь вам выбрать правильный. Перед принятием окончательного решения не забудьте проконсультироваться с производителем металла, обладающим опытом и знаниями, чтобы подобрать подходящий материал для вашего предполагаемого применения.
