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小木蟲論壇-學(xué)術(shù)科研互動平臺 » 材料區(qū) » 材料綜合 » 材料其他 » 鉭的特性和典型用途
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鉭的特性和典型用途
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介紹 對冶金界的大多數(shù)人來說，鉭是一種不尋常的金屬。由于其默默無聞，其性質(zhì)往往不為人知或被誤解。經(jīng)常聽到的問題有“那是什么鋼？”或者“鉭不是最硬的金屬之一嗎？”本文描述了鉭的一些性質(zhì)，旨在消除存在的一些困惑。 鉭的分類 鉭是一種活性金屬和難熔金屬。元素周期表顯示，它位于活性金屬(鈦、鋯和鉿)和難熔金屬(鉬和鎢)之間。鉭和它的姐妹元素鈮在許多方面與這兩種元素相似，但也有許多不同之處。鉭會與碳、氮、氧和氫發(fā)生反應(yīng)，這些反應(yīng)在活性金屬中很常見。鉭與氧的反應(yīng)賦予它極好的耐腐蝕性能，這將在后面討論。 鉭與氧的反應(yīng)在室溫下發(fā)生，氧化層迅速形成，保護(hù)鉭免受進(jìn)一步侵蝕。然而，當(dāng)溫度超過200°C時，氧化層會變得更厚、更明顯。該層呈現(xiàn)棕褐色，與典型的灰色金屬形成對比。隨著溫度升高，氧將開始通過鉭基體進(jìn)行間隙遷移，最終導(dǎo)致氧脆化。氧氣的濃度和外部壓力影響氧化速率和氧氣吸收速率。概括起來很困難，但富氧環(huán)境中的鉭通常只能暴露在200°C以下。 氮、碳和氫也發(fā)生類似的反應(yīng)。氫脆是鉭的一個重要問題，將在抗腐蝕性中討論。 耐火特性 鉭與難熔金屬鉬和鎢有許多共同的特性。它具有極高的熔點(diǎn)2996°C，這是其他難熔金屬的熔點(diǎn)范圍。這種高熔點(diǎn)使其成為高溫應(yīng)用的絕佳選擇。然而，有一點(diǎn)需要注意。由于它與碳、氮、氧和氫發(fā)生反應(yīng)，因此不能用于這些元素或其化合物以氣體或揮發(fā)性物質(zhì)存在的環(huán)境中。因此，它在高溫下的使用僅限于真空或惰性氣體環(huán)境。 鉭的密度、延展性和可成形性 鉭是密度最大的金屬之一。其密度為16.6克/厘米(0.600磅/英寸)，重量約為同等體積的鎳、銅和鋼等更常見材料的兩倍。鉭的密度高于鉛，但低于鎢和鉑。鉭易于彎曲、拉伸和成形。其退火硬度在洛氏B硬度的低端，與純銅相似，它的屈服強(qiáng)度類似于許多更常見的非鐵元素。 鉭的普通合金Ta-2.5W具有更高的屈服強(qiáng)度，并且可以用更薄的截面提供更大的強(qiáng)度，在保持良好延展性和可成形性的同時提供了更大的強(qiáng)度。 加工和焊接鉭 鉭和鉭合金的焊接和加工具有挑戰(zhàn)性。它們的高熔點(diǎn)和與氣體的反應(yīng)給制造者帶來了挑戰(zhàn)。然而，Apex工程產(chǎn)品公司的經(jīng)驗(yàn)表明，雖然鉭和Ta-2.5%W與其他合金不同，但如果遵循正確的程序，它們的制造并不一定困難。成功加工鉭需要經(jīng)驗(yàn)。高速和低冷卻速率會產(chǎn)生熱量，使鉭與碳、氧和氫反應(yīng)，形成極其堅(jiān)硬的顆粒。這些顆粒很快使工具變鈍，并導(dǎo)致產(chǎn)生更多的熱量。鉭也是一種柔軟的膠質(zhì)材料，容易膠凝。 為了補(bǔ)償這些特性，應(yīng)該使用非常慢的轉(zhuǎn)速，并且需要大量的冷卻液。水溶性油適用于大多數(shù)冷卻；碳氟化合物潤滑劑可以在需要時提供額外的好處。鉭的焊接通常采用鎢極氬弧焊(TIG)工藝，使用鎢電極和氬氣保護(hù)氣體。必須特別注意使空氣遠(yuǎn)離任何受熱表面。焊接應(yīng)在充滿高純氬氣或氦氣的手套箱中進(jìn)行�；蛘�，氬或氦可以與長拖尾屏蔽和背面屏蔽(或背面凈化)一起使用。 必須采取預(yù)防措施，防止溫暖的表面暴露在空氣中，因?yàn)榭赡軙l(fā)生焊接脆化。鉭及其含有2.5%鎢的普通合金(Ta-2.5%W)都可以用這種方式焊接。由于鉭和鎢的熔化溫度相似，合金在凝固過程中不會偏析。因此，焊后熱處理是不必要的。與B族和C族鎳合金等材料相比，Ta-2.5%W在焊接中保持了其耐鍛造金屬腐蝕的特性。由于偏析，鎳合金在焊縫中的腐蝕性能總是明顯低于公布的鍛造合金腐蝕數(shù)據(jù)。 鉭表面的清潔度會極大地影響焊接質(zhì)量。碳?xì)浠衔?油)在焊接過程中會發(fā)生反應(yīng)，形成易碎的氫化物和碳化物。在焊接之前，鉭的表面應(yīng)該去油。也可以使用其他方法，例如電子束焊接(EBW)和等離子弧焊接(PAW)。防止熱表面暴露在空氣中的預(yù)防措施同樣適用。 鉭的耐腐蝕性 鉭是一種非常耐腐蝕的金屬。最常用的合金Ta-2.5%W，在各種濃度和工藝溫度下，它能抵抗大多數(shù)常見的酸。鉭通常用于高溫、高濃度硫酸和鹽酸應(yīng)用中，并與溴接觸。當(dāng)工藝使用多種介質(zhì)或在批處理中經(jīng)常更換介質(zhì)時，通常使用鉭。 鉭的一個嚴(yán)重限制是它對氟化物和氟離子以及大多數(shù)強(qiáng)堿缺乏抵抗力。在許多方面，鉭和Ta-2.5%W的耐腐蝕性與玻璃相似。當(dāng)其他材料失效時，鉭通常是首選材料。硫酸服務(wù)就是一個很好的例子，許多金屬可以在較低的溫度和濃度下工作，而鉭在高溫和高濃度下明顯更優(yōu)越。這是其他酸性介質(zhì)的常見情況，鉭可以解決這些介質(zhì)中的嚴(yán)重腐蝕問題。 鉭在酸性介質(zhì)中失效最嚴(yán)重原因是氫脆。Ta & Ta-2.5%W易與氫反應(yīng)，形成脆性固溶體基體。一般來說，工藝介質(zhì)中不存在游離氫，但是在較低的含水液體溫度應(yīng)用中，氫可以通過電化學(xué)反應(yīng)釋放出來。水溶液中兩種不同金屬的結(jié)合將在其中一種金屬上產(chǎn)生氫。斷開鉭與其他金屬之間的電連接可以阻止原電池，這是解決問題的最佳方案。在金屬之間放置一個不導(dǎo)電的墊圈通常是可行的。 如果這不可能，Apex Engineered Products可以使用電鍍鉑點(diǎn)，迫使氫釋放到鉑表面，并最大限度地減少氫對鉭的影響。在高溫高濃度硫酸中測試純Ta和Ta-2.5%W材料(有或沒有Pt斑點(diǎn))時，結(jié)果非常有希望。與其他鉭和鉭合金的腐蝕速率相比，添加鉑系合金添加劑的Ultra 76鉭合金具有出色的抗氫脆性能，并且在HCl和H2SO4環(huán)境中的耐腐蝕性逐步提高。在鉭中添加鎢可以大大提高材料的抗氫吸收能力和耐腐蝕性。 鉭的典型用途 鉭在當(dāng)今世界有著廣泛的用途。最大的用途是鉭電容器。如今，陽極氧化鉭電容器被用于許多常見的電子設(shè)備中。大多數(shù)其他應(yīng)用利用鉭的耐腐蝕性或其耐高溫性。 制藥工業(yè)發(fā)現(xiàn)鉭非常有吸引力，因?yàn)樗哪透g性非常低。腐蝕副產(chǎn)物會污染過程介質(zhì)，并將污染物引入產(chǎn)品。在化學(xué)加工工業(yè)中，很少有材料能在酸性介質(zhì)中超過鉭。鉭通常用作加工容器的罐和管道襯里，作為殼管式熱交換器、冷凝器和加熱器中的熱交換材料。在許多高溫、高壓應(yīng)用中，它經(jīng)常被用作高壓釜襯里。鉭也可以用來修復(fù)搪玻璃容器。 鉭通常被認(rèn)為僅用于小型設(shè)備應(yīng)用。然而，鉭設(shè)備可能相當(dāng)大。有實(shí)例表明，大型鉭襯柱曾取代了維護(hù)成本非常高、且會造成長時間停機(jī)的酸性磚。鉭也用于高溫真空爐中的加熱元件和隔熱屏，以及許多高溫應(yīng)用的坩堝材料。薄膜工業(yè)使用鉭作為許多電子應(yīng)用的濺射靶源材料。鉭還在醫(yī)療領(lǐng)域用于止血夾、支架和起搏器零件。由于鉭的抗腐蝕性，鉭在人體內(nèi)呈惰性。 結(jié)論 工業(yè)界早就發(fā)現(xiàn)鉭及其合金是解決一些最困難問題的方法。眾所周知，在其他材料很快失效的情況下，鉭已經(jīng)使用了幾十年。人們通常選擇鉭而不是更便宜的材料，因?yàn)樗芴峁╅L期服務(wù)并減少停機(jī)時間。有實(shí)例表明，鉭相對于石墨具有更短的生命周期回報優(yōu)勢。 鉭還是一種用途廣泛、易于制造的材料，其性能往往優(yōu)于幾乎所有替代品。雖然它的性質(zhì)并不廣為人知，而且常常被誤解，在某些情況下與更普通的材料有些不同，但它常常為工業(yè)提供解決難題的實(shí)用方法。 |
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