РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ

МЕТАЛЛЫ ДЛЯ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

науке и технике очень часто применяют высокие тем­пературы. Они необходимы, например, при выплавке металлов. В доменной печи, где получают из железной руды чугун, температура доходит до 1800°. В обыкновенной электрической лампочке нить накаливания нагревается до температуры 2500°. Чем выше температура нити лам­почки, тем большая доля электрической энергии перехо­дит в свет. В современных электрических лампочках в свет превращается только 6—8% электроэнергии. Осталь­ное же количество расходуется на невидимые излучения и рассеивается в окружающее пространство в виде тепла. Если бы удалось повысить температуру нити накаливания до 4000°, то можно было бы превратить в свет до 30— 40% электроэнергии.

В настоящее время в технике большое значение полу­чает новый вид теплового двигателя — газовая турбина. Детали турбины работают при температуре 750—800°. При таком разогревании высокопрочная при нормальных температурах сталь без добавок редких элементов стано­вится вязкой, как воск, и не годится для изготовления тур­бинных деталей. Мощность и экономичность газовой тур­бины можно ещё увеличить, если повысить температуру газов, проходящих через турбину. Но для этого нужны особые жаропрочные сплавы. Такие сплавы в настоящее время имеются. Они содержат в себе добавки редких ме­таллов — титана, молибдена, вольфрама, ванадия, церия, ниобия, тантала и др. Таким образом, тугоплавкость — очень важное свойство металлов. По тугоплавкости ред­кие металлы располагаются в следующей последователь­ности (см. таблицу 2).

Таблица 2.

Этот ряд показывает, что около полутора десятка ред­ких металлов имеют температуру плавления более высо­кую, чем железо (1528°). Самыми тугоплавкими являются вольфрам, рений, тантал и молибден.

Мы уже познакомились с применением вольфрама и молибдена в металлургии. Но вольфрам и молибден также необходимы и в радиотехнике. Из вольфрама готовятся и нити накаливания обычных осветительных лампочек и детали электронной лампы, которая является основой со­временной радиотехники. Любой радиоприёмник, радио­передатчик, телевизор имеет не по одной, а до десятка и выше различных электронных ламп (рис. 16). Электрон­ная лампа — источник электронов. Из вольфрама изготов­лена одна из главных деталей электронной ла*мпы — ка­тод, дающий электроны, необходимые для работы лампы.

Чем выше температура катода, тем больше электронов вылетает с его поверхности.

В лампочках накаливания и особенно в электронной лампе используется не только вольфрам. Многие детали их изготовлены из других тугоплавких металлов — молиб­дена, тантала, ниобия, циркония, тория, бериллия, и каж­дый из них выполняет свою особую роль, обеспечивая бесперебойную работу электронной лампы. Например, из молибдена изготовлены тонкие нити, которые поддержи­вают катод и анод, так как молибден при высоких темпе­ратурах отлично сохраняет свою прочность и упругость. Чистый металл молибден обладает высоким постоянством размеров при нагреве до 1200°. Это очень важное свой­ство металла. Известно, что почти все тела при нагрева­нии расширяются, а при охлаждении сжимаются.

В электрической лампочке нужны металлы, почти не изменяющие своих размеров при колебании температуры. Впаянные в стекло проводники должны изменять свой объём так же, как и стекло, иначе лампочка в месте спая проводника может лопнуть. Вот почему редкий металл мо­либден, сохраняющий почти неизменными свои размеры при нагревании, нашёл большое применение при подвеске вольфрамовых нитей, а также для изготовления металли­ческих монтажных деталей радиоламп.

Электроны, летящие от катода к аноду, имеют огром­ную скорость. При ударе о поверхность металла анода их энергия движения переходит большей частью в теплоту. Анод сильно разогревается. Выдержать сильное разогрева­ние может только тугоплавкий металл. Молибден — отлич­ный металл для изготовления анода электронной лампы.

Редкий элемент рений — второй по тугоплавкости металл. Он был открыт в 1924. году. За первые десять лет со дня открытия было опубликовано в разных странах свыше 200 работ, посвящённых изучению свойств рения. Учёные установили, что рений чрезвычайно устойчив про­тив окисления. При нагревании до 1500° он почти не со­единяется с кислородом воздуха. В этом отношении он более стоек и меньше распыляется при высоком разогре­вании, чем вольфрам. Вот почему вольфрамовые нити на­кала иногда покрывают слоем рения. На чистый металл рений не действуют такие едкие вещества, как соляная, серная и плавиковая кислоты. Даже при длительном кипячении в этих кислотах рений не растворяется.

Рений идёт на изготовление приборов для измерения высоких температур — термопар. Термопара устроена довольно просто (рис. 17). Это две проволоки из разных металлов. Одни концы их спаяны друг с другом, другие подключены к прибору для обнаружения тока. Если ме­сто спая этих проволок разогревать, а другие концы их сохранять при обычной температуре, то в термопаре воз­никнет электрический ток. Он называется термоэлектриче­ством. Чем выше температура нагревания, тем большую величину имеет термоэлектрический ток. На этом свойстве и основано измерение температуры термопарой.

Чем же объясняется возникновение термоэлектриче­ства? В разных металлах число свободных электронов в
одном и том же объёме неодинаково. Поэтму электроны, подобно свободному газу, заполняющему пространство в кристаллической решётке, испытывают в разных метал­лах неодинаковое давление. При подогревании места спая двух металлов электроны начинают в большом количестве проникать из одного металла в другой. Металл, в котором число электронов при этом уменьшится, получит положительный заряд, а металл в котором число их возрастёт, зарядится отрицательным электричеством. Между проводни­ками возникнет разность потенциа­лов, называемая термоэлектро­движущей силой (т. э. д. с.). Ве­личина этой силы зависит не только от температуры нагревания места спая проводников, но и от природы спаянных металлов.

Металлы для проволок должны быть тугоплавкими. Кроме того, тер­мопара должна обладать отличной химической стойкостью, т. е. не взаи­модействовать с кислородом и дру­гими газами, содержащимися в той среде, где она нагревается.

Обычно для термопар берут одну проволоку из платины, другую из

Сплава платины с родием. Эти прово­локи не окисляются при нагревании и дают значительную термоэлектро­движущую силу. Для измерения температур до 1600°

Часто вторую проволоку готовят из сплава платины с 8%

Рения. Такая термопара не только устойчивее в работе, но и даёт более высокую т. э.д. с.

Наиболее простыми приборами для измерения не очень высоких температур служат термометры, основанные на свойстве тел изменять свой объём при нагревании и охлаждении.

Чтобы измерить температуру воздуха или человече­ского тела, применяются ртутные и спиртовые термо­метры. А можно ли ртутным термометром измерять высо­кие температуры, например до 1000°?

Нет, нельзя. При таком разогревании ртуть начинает сильно испаряться, показания термометра становятся не­правильными, всё возрастающее давление паров ртути может разорвать хрупкий стеклянный баллон. Поэтому для измерения температур от 500 до 1000° применяется термометр, в котором вместо ртути находится редкий ме­талл — галлий. Свойства галлия были предсказаны Менделеевым до того, как этот элемент был найден.

Галлий — синевато-белый мягкий металл. По легко­плавкости он стоит рядом с цезием. Его температура плав­ления 29,8°. Несмотря на низкую температуру плавления, галлий очень устойчив в жидком состоянии. Он не заки­пает и почти не испаряется до температуры 2300°. По­этому для изготовления термометров лучше всего приме­нять галлий.

Среди наиболее тугоплавких редких металлов нахо­дятся цирконий и гафний. Эти металлы в противополож­ность вольфраму и рению активно взаимодействуют с кис­лородом воздуха, образуя окислы. Поэтому в чистом виде они не применяются при высоких температурах. Но окислы циркония и гафния обладают ещё большей тугоплав­костью, чем чистые металлы. Окись циркония плавится при температуре 2700°, а окись гафния — при 2912°. Это их свойство позволило применять соединения циркония и гафния с кислородом как огнеупорные материалы. Из по­рошка окиси циркония и гафния замешивается густая масса, из которой затем делают кирпичи. Ими выклады­вают внутренние стенки высокотемпературных печей для плавления металлов. Окислы циркония и гафния замеча­тельны ещё и тем, что они почти не изменяют своего объёма при нагревании и охлаждении, и поэтому стенки печи не растрескиваются при быстрых изменениях темпе­ратуры. Увеличивает их ценность как первоклассных огне­упоров ещё и то, что они чрезвычайно инертны (неактив­ны) по отношению к расплавленным металлам и шлаку.