Твердый сплав. Марки, характеристики, применение

Многих любителей интересных фактов интересует вопрос, какой металл самый твердый? И навскидку ответить на этот вопрос будет непросто. Конечно, любой учитель химии без труда скажет правильно, даже не задумываясь. Но среди рядовых граждан, которые последний раз занимались химией в школе, не многие смогут правильно и быстро дать ответ. Это связано с тем, что все с детства привыкли делать разнообразные игрушки из проволоки и хорошо запомнили, что медь и алюминий мягкие и хорошо поддаются сгибанию, а вот стали наоборот не так просто придать желаемую форму. С тремя названными металлами человек имеет дело чаще всего, поэтому остальные кандидатуры даже не рассматривает. Но сталь, конечно же, не является самым твердым металлом в мире. Справедливости ради стоит отметить, что это вообще не металл в химическом смысле, а соединение железа с углеродом.

Что такое титан?

Самым твердым металлом является титан. Впервые чистый титан был получен в 1925 году. Это открытие произвело фурор в научных кругах. На новый материал сразу же обратили внимание промышленники и по достоинству оценили преимущества от его использования. По официальной версии, самый твердый металл на Земле получил свое название в честь несокрушимых Титанов, которые согласно древнегреческой мифологии были основателями мира.

По оценкам ученых суммарные мировые запасы титана на сегодняшний день составляют около 730 миллионов тонн. При нынешних темпах добычи ископаемого сырья хватит еще на 150 лет. Титан занимает 10 место по природным запасам среди всех известных металлов. Крупнейшим в мире производителем титана является российская компания «ВСМПО-Ависма», которая удовлетворяет до 35% мировых потребностей. Предприятие занимается полным циклом переработки от добычи руды до изготовления различной продукции. Оно занимает порядка 90% российского рынка по производству титана. Около 70% готовой продукции идет на экспорт.

Титан - легкий металл серебристого цвета с температурой плавления 1670 градусов по Цельсию. Проявляет высокую химическую активность только при нагревании, в нормальных условиях не реагирует с большинством химических элементов и соединений. В природе не встречается в чистом виде. Распространен в виде рутиловых (двуокись титана) и ильменитовых (сложное вещество, состоящее из двуокиси титана и оксида двухвалентного железа) руд. Чистый титан выделяется путем спекания руды с хлором, а затем вытеснения более активным металлом (чаще всего магнием) из полученного тетрахлорида.

Промышленное применение титана

Самый твердый металл имеет довольно широкий спектр применения во многих отраслях. Аморфно расположенные атомы обеспечивают титану высочайший уровень прочности на растяжение и кручение, хорошую сопротивляемость ударному воздействию, высокие магнитные качества. Металл используется для изготовления корпусов воздушного транспорта и ракет. Он хорошо справляется с огромными нагрузками, которые испытывают на себе машины, находясь на огромной высоте. Также титан применяется при производстве корпусов для подводных лодок, так как способен выдерживать высокое давление на больших глубинах.

В медицинской отрасли металл используется при изготовлении протезов и зубных имплантатов, а также хирургических инструментов. В качестве легирующей добавки элемент добавляют в некоторые марки стали, что придает им повышенную прочность и стойкость к коррозии. Титан хорошо подходит для литья, так как позволяет получать идеально гладкие поверхности. Из него также изготавливают ювелирные украшения и декоративные изделия. Активно используются и соединения титана. Из диоксида изготавливают краски, белила, добавляют в состав бумаги и пластика.

Сложноорганические соли титана применяют в качестве затвердительного катализатора в лакокрасочном производстве. Из карбида титана изготавливают различные инструменты и насадки для обработки и сверления других металлов. В точном машиностроении из титанового алюминида производят износостойкие элементы, которые обладают высоким запасом прочности.

Самый твердый сплав металла был получен американскими учеными в 2011 году. В его состав вошли палладий, кремний, фосфор, германий и серебро. Новый материал был назван «металлическое стекло». Он соединил в себе твердость стекла и пластичность металла. Последнее не позволяет трещинам распространяться, как это происходит со стандартным стеклом. Естественно, в широкое производство материал запущен не был, так как его компоненты, особенно палладий, относятся к редким металлам и стоят очень дорого.

В данный момент усилия ученых направлены на поиски альтернативных компонентов, которые бы позволили сохранить полученные свойства, но значительно снизили стоимость производства. Тем не менее, отдельные детали для аэрокосмической отрасли уже производятся из полученного сплава. Если альтернативные элементы удастся внедрить в структуру и материал получит широкое распространение, то вполне возможно, что он станет одним из самых востребованных сплавов будущего.

С детских лет мы знаем, что самый прочный металл - это сталь. Все железное у нас ассоциируется ней.

Железный человек, железная леди, стальной характер. Произнося эти фразы, мы подразумеваем невероятную прочность, силу, твердость.

Продолжительное время в производстве и вооружении основным материалом была сталь. Но сталь - не металл. Если точнее, то не совсем чистый металл. Это с углеродом, в котором присутствуют и другие металлические добавки. Применяя добавки, т.е. изменяют ее свойства. После этого она подвергается обработке. Сталеварение - это целая наука.

Самый прочный металл получается при введении в сталь соответствующих лигатур. Это может быть хром, который придает и жаростойкость, никель, делающий сталь твердой и эластичной и т.д.

По некоторым позициям сталь начал вытеснять алюминий. Время шло, росли скорости. Не выдерживал и алюминий. Пришлось обратиться к титану.

Да-да, ведь титан - самый прочный металл. Для придания стали высоких прочностных характеристик в нее начали добавлять титан.

Его открыли в XVIII веке. Из-за хрупкости его применить было невозможно. Со временем, получив чистый титан, инженеры и конструкторы заинтересовались его высокой удельной прочностью, малой плотностью, стойкостью к коррозии и высоким температурам. Его физическая крепость превосходит прочность железа в несколько раз.

Инженеры стали добавлять титан в сталь. Получился самый прочный металл, который нашел применение в среде сверхвысоких температур. На то время их не выдерживал ни один другой сплав.

Если представить самолет, который летит в три раза быстрее, чем можно представить, как разогревается обшивочный металл. Листовой металл обшивки самолета в таких условиях разогревается до +3000С.

Сегодня титан применяют неограниченно во всех сферах производства. Это медицина, авиастроение, производство кораблей.

Со всей очевидностью можно сказать, что в скором будущем титану придется подвинуться.

Учеными из США, в лабораториях Техасского университета в городе Остин, открыт самого тонкого и самого прочного материала на Земле. Назвали его - графен.

Вообразите себе пластину, толщина которой равна толщине одного атома. Но такая пластина прочнее алмаза и в сто раз лучше пропускает электрический ток, чем компьютерные чипы из кремния.

Графен - материал с поражающими свойствами. Он скоро покинет лаборатории и по праву займет свое место среди самых прочных материалов Вселенной.

Даже невозможно себе представить, что нескольких граммов графена будет достаточно, чтобы покрыть поле для игры в футбол. Вот это металл. Трубы из такого материала можно будет укладывать вручную без применения подъемно-транспортных механизмов.

Графен, как и алмаз - это чистейший углерод. Его гибкость поражает. Такой материал легко сгибается, прекрасно складывается и отлично сворачивается в рулон.

К нему уже начали присматриваться производители сенсорных экранов, солнечных батарей, сотовых телефонов, и, наконец, суперскоростных компьютерных чипов.

Когда речь идет о твердом и прочном металле, то в своем воображении человек сразу же рисует воина с мечом и в доспехах. Ну или с саблей, и обязательно из дамасской стали. Но сталь, хоть и прочный, но не чистый металл, ее получают путем сплава железа с углеродом и некоторыми другими металлами-добавками. И при необходимости сталь подвергают обработке, чтобы изменить ее свойства.

Легкий прочный металл серебристо-белого цвета

Каждая из добавок, будь то хром, никель или ванадий, отвечают за определенное качество. А вот для прочности добавляют титан – получаются самые твердые сплавы.

По одной версии, металл получил свое название от Титанов, могучих и бесстрашных детей богини Земли Геи. Но по другой версии, серебристое вещество названо в честь королевы фей Титании.

Титан открыли немецкий и английский химики Грегор и Клапрот независимо друг от друга с разницей в шесть лет. Произошло это в конце 18-го века. Вещество тут же заняло место в периодической системе Менделеева. Спустя три десятилетия был получен первый образец металлического титана. И довольно долго металл не использовали из-за его хрупкости. Ровно до 1925 года – именно тогда, после ряда опытов, иодидным методом был получен чистый титан. Открытие стало настоящим прорывом. Титан оказался технологичным, на него тут же обратили внимание конструкторы и инженеры. И сейчас металл из руды получают, в основном, магниетермический способом, который предложили в 1940 году.

Если затрагивать физические свойства титана, то можно отметить его высокую удельную прочность, прочности при высоких температурах, маленькую плотность и коррозийную стойкость. Механическая прочность титана в два раза выше прочности железа и в шесть – алюминия. При высоких температурах, где легкие сплавы уже не работают (на основе магния и алюминия), на помощь приходят титановые сплавы. К примеру, самолет на высоте в 20 километров развивает скорость в три раза выше, чем скорость звука. И температура его корпуса при этом около 300 градусов по Цельсию. Нагрузки такие выдерживает только титановый сплав.

По распространенности в природе металл занимает десятое место. Титан добывают в ЮАР, России, Китае, Украине, Японии и Индии. И это далеко не полный перечень стран.

Титан - прочный и легкий металл в мире

Перечень возможностей применения металла вызывает уважение. Это военная промышленность, остепротезы в медицине, ювелирные и спортивные изделия, платы мобильных телефонов и многое другое. Постоянно возносят титан конструкторы ракето, авиа, кораблестроения. Даже химическая промышленность не оставила металл без внимания. Титан отличен для литья, ведь очертания при отливке точны и имеют гладкую поверхность. Расположение атомов в титане аморфное. И это гарантирует высокую прочность при растяжении, ударную вязкость, превосходные магнитные свойства.

Твердые металлы с наибольшей плотностью

Одними из самых твердых металлов, так же, являются осмий и иридий. Это вещества из платиновой группы, у них самая высокая, почти одинаковая, плотность.

Иридий открыли в 1803 году. Обнаружил металл химик из Англии Смитсон Теннат, во время исследования природной платины из Южной Америки. Кстати, с древнегреческого «иридий» переводится как «радуга».

Самый твердый металл добыть довольно сложно, поскольку в природе его почти нет. И часто металл находят в метеоритах, которые упали на землю. По словам ученых, на нашей планете содержание иридия должно быть намного больше. Но из-за свойств металла – сидерофильности – он находится на самой глубине земных недр.

Иридий довольно сложно обработать и термическим, и химическим способом. Металл не вступает в реакцию с кислотами, даже сочетаниями кислот при температуре меньше 100 градусов. При этом, вещество подвержено процессам окисления в царской водке (это смесь соляной и азотной кислот).

Интерес, как к источнику электрической энергии, представляет изотоп иридия 193 m 2. Поскольку период полураспада металла составляет 241 год. Нашел широкое применение иридий в палеонтологии и промышленности. Его используют при изготовлении перьев для ручек и определение возраста разных слоев земли.

А вот осмий открыли на год позже, чем иридий. Этот твердый металл нашли в химическом составе осадка платины, которая была растворена в царской водке. И название «осмий» получилось из древнегреческого слова «запах». Металл не подвержен механическому воздействию. При этом, один литр осмия в разы тяжелее, чем десять литров воды. Впрочем, это свойство пока осталось без применения.

Осмий добывают на американских и российских рудниках. Богато его месторождение и в ЮАР. Довольно часто металл находят в железных метеоритах. Для специалистов представляет интерес осмий-187, который экспортируется только из Казахстана. С его помощью определяют возраст метеоритов. Стоит отметить, что всего один грамм изотопа стоит 10 тысяч долларов.

Ну а используют осмий в промышленности. И не в чистом виде, а в виде твердого сплава с вольфрамом. Производят из вещества лампы накаливания. Осмий является катализатором при изготовлении нашатырного спирта. Редко из металла изготавливают режущие части для нужд хирургии.

Самый твердый металл из чистых

Самый твердый из чистейших металлов на планете – хром. Он отлично поддается механической обработке. Металл голубовато-белого цвета обнаружили в 1766 году в окрестностях Екатеринбурга. Минерал тогда получил название «сибирский красный свинец». Его современное название – крокоит. Через несколько лет после открытия, а именно, в 1797 году, французский химик Воклен выделил из металла новый металл, уже тугоплавкий. Специалисты сегодня полагают, что полученное вещество – карбид хрома.

Название этого элемента образовано от греческого «цвет», ведь сам металл славится разнообразием окраски своих соединений. Хром довольно просто встретить в природе, он распространенный. Найти металл можно в ЮАР, которая по добыче занимает первое место, а так же в Казахстане, Зимбабве, России и Мадагаскаре. Присутствуют месторождения в Турции, Армении, Индии, Бразилии и на Филиппинах. Специалисты особенно ценят некоторые соединения хрома – это хромистый железняк и крокоит.

Самый твердый металл в мире - вольфрам

Вольфрам – это химический элемент, самый твердый, если рассматривать его в ряду с другими металлами. Его температура плавления необычайно высока, выше – только у углерода, но это не металлический элемент.

Но природная твердость вольфрама в то же время не лишает его гибкости и податливости, что позволяет выковывать из него любые необходимые детали. Именно его гибкость и теплоустойчивость делает вольфрам идеально подходящим материалом для выплавки мелких деталей осветительных приборов и деталей телевизоров, например.

Используется вольфрам и в более серьезных областях, например, оружестроении - для изготовления противовесов и артиллерийских снарядов. Этим вольфрам обязан высокому показателю плотности, что делает его основным веществом тяжелых сплавов. Плотность вольфрама близка по показателю к золоту – всего несколько десятых составляют разницу.

На сайте сайт можно прочитать какие же металлы являются самыми мягкими , как их используют, и что из них делают.
Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен

Металл люди начали использовать еще в древности. Самый доступный в природе и поддающийся обработке металл - медь. Медные изделия в виде домашней утвари находят археологи при раскопках древних поселений. По мере роста технического прогресса человек научился делать сплавы из различных металлов, которые пригодились ему при изготовлении предметов быта и оружия. Так и появился самый крепкий металл в мире.

Титан

Этот необычайно красивый серебристо-белого цвета металл был открыт почти одновременно в конце 18 столетия двумя учеными - англичанином У. Грегори и немцем М. Клапротом. По одной версии, титан получил свое название в честь персонажей древнегреческих мифов, могучих Титанов, по другой - от Титании, королевы фей из германской мифологии - из-за своей легкости. Однако тогда применение ему не нашли.

Затем в 1925 году физики из Голландии смогли выделить чистый титан и открыли множество его преимуществ. Это - высокие показатели технологичности, удельной прочности и устойчивости к влиянию коррозии, очень большая прочность при высоких температурах. Также имеет высокую антикоррозионную стойкость. Эти фантастические показатели сразу привлекли инженеров и конструкторов.

В 1940 году ученый Кроль получил чистый титан с помощью магниетермического метода, и с тех пор этот метод является основным. Добывается самый крепкий металл на земле во многих местах в мире - России, Украине, Китае, ЮАР и других.

Титан прочнее железа в два раза по механическим показателям, в шесть раз - алюминия. Сплавы титана являются на данный момент самыми прочными в мире, и поэтому нашли применение в военной (конструкции подводных лодок, ракет), кораблестроительной и авиационной промышленностях (на сверхзвуковых самолетах).

Этот металл также невероятно пластичен, поэтому из него можно изготовить любую форму – листы, трубы, проволоку, ленту. Широко используют титан для изготовления медицинских протезов (при этом он биологически идеально совместим с тканями организма человека), ювелирных изделий, спортивного инвентаря и др.

Также применяют его в химическом производстве за счет его антикоррозионных свойств, этот металл в агрессивной среде не корродирует. Так, в испытательных целях пластину титана поместили в морскую воду, и за 10 лет он даже не покрылся ржавчиной!

За счет своего высокого электросопротивления и свойств ненамагничивания он широко применяется в радиоэлектронике, например, в конструктивных деталях мобильных телефонов. Очень перспективно применение титана в области стоматологии, особенно важна его способность срастаться с костной тканью человека, что дает прочность и монолитность при протезировании. Широко его используют при изготовлении медицинских инструментов.

Уран

Природные окислительные свойства урана использовались еще в древности (1 век до н.э.) при изготовлении желтой глазури в керамических изделиях. Один из наиболее известных в мировой практике прочных металлов, он является слаборадиоактивным и используется при производстве ядерного топлива. ХХ век даже называли «веком Урана». Этот металл обладает парамагнитными свойствами.

Уран тяжелее железа в 2,5 раза, образует множество химических соединений, в производстве используют его сплавы с такими элементами, как олово, свинец, алюминий, ртуть, железо.

Вольфрам

Это не только самый крепкий металл в мире, но и очень редкий, который даже нигде не добывается, а получен был химическим путем еще в 1781 году в Швеции. Самый устойчивый к температурам металл в мире. Благодаря высокой тугоплавкости хорошо поддается ковке, при этом его вытягивают в тонкую ниточку.

Самое известное его применение - вольфрамовая нить накаливания в лампочках. Широко используется для производства специальных инструментов (резцов, фрез, хирургических) и в ювелирном производстве. За счет его свойства не пропускать радиоактивные лучи, из него производят контейнеры для хранения ядерных отходов. Месторождения вольфрама в России находятся на Алтае, Чукотке, Северном Кавказе.

Рений

Имя свое получил в Германии (река Рейн), где был открыт в 1925 году, сам металл имеет белый цвет. Добывается и в чистом виде (Курильские острова), и при добыче молибденового и медного сырья, но в очень малых количествах.

Самый крепкий металл на земле очень твердый и плотный, отлично плавится. Прочность высокая и не зависит от перепадов температуры, недостаток – высокая стоимость, ядовитый для человека. Используется в электронике и авиационной промышленности.

Осмий

Самый тяжелый элемент, например, килограмм осмия выглядит в виде шарика, легко помещающегося в руке. Относится к платиновой группе металлов, по цене превышает в разы золото. Название получил свое из-за плохого запаха при химической реакции, которую провел английский ученый С. Теннант в 1803 году.

Внешне выглядит очень красиво: блестящие серебристые кристаллы с синим и голубым отливом. Используют его обычно в виде добавки к другим металлам в промышленности (металлокерамические резцы повышенной прочности, лезвия медицинских ножей). Его немагнитные и прочные свойства используют при изготовлении высокоточных приборов.

Бериллий

Получен был химиком Полем Лебо в конце 19 века. Вначале этот металл прозвали «сладким», из-за его конфетного вкуса. Потом оказалось, что у него есть и другие привлекательные и оригинальные свойства, например, он не хочет вступать ни в какие химические реакции с другими элементами за редким исключением (галоген).

Самый крепкий металл в мире одновременно и твердый, и хрупкий, и легкий, к тому же высокотоксичный. Его исключительная прочность (к примеру, проволока диаметром 1 мм может выдержать вес человека) используется в лазерной и космической технике, атомной энергетике.

Новые открытия

Об очень прочных металлах можно еще и дальше рассказывать, но технический прогресс двигается вперед. Ученые из Калифорнии недавно объявили миру о появлении «ликвид-металла» (от слова «жидкий»), по прочности превосходящего титан. К тому же он оказался суперлегким, гибким и высокопрочным. Поэтому ученым предстоит создать и разработать способы применения нового металла, а в будущем, возможно, совершить еще много открытий.

Американские инженеры из Сандийских национальных лабораторий утверждают, что им удалось создать самый прочный металлический сплав, который по износостойкости в сто раз превосходит самую высокопрочную сталь. Известная комбинация платины и золота, но изготовленная по-новому, стала первым сплавом, который по своим свойствам . Кроме того, новый материал естественным образом производит смазку, затраты на которую в обычных условиях слишком высоки.

Интересно, что эксперименты с платиной и золотом проводились и ранее, но до сих пор такие сплавы не проверялись на прочность с достаточной пристальностью. Дело в том, что в традиционном представлении устойчивость материала к износу зависит от его твёрдости, а данное сочетание металлов не может похвастаться этим показателем.

Однако в новой работе Джон Карри (John Curry) и его коллеги разработали принципиально новый подход. Они создали сплав, содержащий привычные 90% платины и 10% золота, который определённым образом реагирует на нагрев, что позволяет ему длительное время не деформироваться при трении. Добиться этого удалось за счёт изменения энергии границ зёрен материала посредством сегрегации (данный процесс связан с изменением свойств, состава и структуры поверхностных слоёв атомов).

Специалисты воспользовались компьютерным моделированием для исследования возможной микроструктуры на уровне отдельных атомов при различном сочетании исходных материалов. На основании этого анализа они отобрали для реальных испытаний сплавы, устойчивые к температурному воздействию.

"При разработке многих традиционных сплавов увеличения прочности материала добивались за счёт уменьшения размера зерна, - рассказывает Карри в . - И всё же при экстремальном напряжении и температуре многие из них будут расширяться или размягчаться, особенно при накоплении усталости . Но в случае с нашим сплавом мы видим отличную механическую и термическую стабильность без значительного изменения микроструктуры в течение очень длительных периодов циклического напряжения, связанного с трением".

По словам авторов исследования, если бы из нового сплава были изготовлены шины для соревнований по дрифту, в ходе которых гонщики проходят повороты в управляемом заносе и очень быстро стирают покрышки, автомобиль на таких колёсах мог бы 500 раз объехать Землю по экватору.

Во время испытаний выяснилась ещё одна удивительная особенность нового материала. При трении на его поверхности сама собой образовалась чёрная плёнка, которая оказалась алмазоподобной модификацией углерода. Такое искусственное покрытие, одновременно гладкое, как графит, и твёрдое, как алмаз, обычно выступает в качестве очень эффективной смазки, но для его производства используются сложные высокотемпературные вакуумные камеры.

"Мы считаем, что стабильность и высокая устойчивость к износу позволяет углеродсодержащим молекулам из окружающей среды прилипать к сплаву, деградировать во время скольжения, и в конечном итоге формировать алмазоподобный углерод", — объясняет Карри.

Таким образом, это самопроизвольное возникновение смазки не только продлевает срок службы материала, но и может стать альтернативным способом её производства.