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钽的特性和典型用途
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介绍 对冶金界的大多数人来说，钽是一种不寻常的金属。由于其默默无闻，其性质往往不为人知或被误解。经常听到的问题有“那是什么钢？”或者“钽不是最硬的金属之一吗？”本文描述了钽的一些性质，旨在消除存在的一些困惑。 钽的分类 钽是一种活性金属和难熔金属。元素周期表显示，它位于活性金属(钛、锆和铪)和难熔金属(钼和钨)之间。钽和它的姐妹元素铌在许多方面与这两种元素相似，但也有许多不同之处。钽会与碳、氮、氧和氢发生反应，这些反应在活性金属中很常见。钽与氧的反应赋予它极好的耐腐蚀性能，这将在后面讨论。 钽与氧的反应在室温下发生，氧化层迅速形成，保护钽免受进一步侵蚀。然而，当温度超过200°C时，氧化层会变得更厚、更明显。该层呈现棕褐色，与典型的灰色金属形成对比。随着温度升高，氧将开始通过钽基体进行间隙迁移，最终导致氧脆化。氧气的浓度和外部压力影响氧化速率和氧气吸收速率。概括起来很困难，但富氧环境中的钽通常只能暴露在200°C以下。 氮、碳和氢也发生类似的反应。氢脆是钽的一个重要问题，将在抗腐蚀性中讨论。 耐火特性 钽与难熔金属钼和钨有许多共同的特性。它具有极高的熔点2996°C，这是其他难熔金属的熔点范围。这种高熔点使其成为高温应用的绝佳选择。然而，有一点需要注意。由于它与碳、氮、氧和氢发生反应，因此不能用于这些元素或其化合物以气体或挥发性物质存在的环境中。因此，它在高温下的使用仅限于真空或惰性气体环境。 钽的密度、延展性和可成形性 钽是密度最大的金属之一。其密度为16.6克/厘米(0.600磅/英寸)，重量约为同等体积的镍、铜和钢等更常见材料的两倍。钽的密度高于铅，但低于钨和铂。钽易于弯曲、拉伸和成形。其退火硬度在洛氏B硬度的低端，与纯铜相似，它的屈服强度类似于许多更常见的非铁元素。 钽的普通合金Ta-2.5W具有更高的屈服强度，并且可以用更薄的截面提供更大的强度，在保持良好延展性和可成形性的同时提供了更大的强度。 加工和焊接钽 钽和钽合金的焊接和加工具有挑战性。它们的高熔点和与气体的反应给制造者带来了挑战。然而，Apex工程产品公司的经验表明，虽然钽和Ta-2.5%W与其他合金不同，但如果遵循正确的程序，它们的制造并不一定困难。成功加工钽需要经验。高速和低冷却速率会产生热量，使钽与碳、氧和氢反应，形成极其坚硬的颗粒。这些颗粒很快使工具变钝，并导致产生更多的热量。钽也是一种柔软的胶质材料，容易胶凝。 为了补偿这些特性，应该使用非常慢的转速，并且需要大量的冷却液。水溶性油适用于大多数冷却；碳氟化合物润滑剂可以在需要时提供额外的好处。钽的焊接通常采用钨极氩弧焊(TIG)工艺，使用钨电极和氩气保护气体。必须特别注意使空气远离任何受热表面。焊接应在充满高纯氩气或氦气的手套箱中进行。或者，氩或氦可以与长拖尾屏蔽和背面屏蔽(或背面净化)一起使用。 必须采取预防措施，防止温暖的表面暴露在空气中，因为可能会发生焊接脆化。钽及其含有2.5%钨的普通合金(Ta-2.5%W)都可以用这种方式焊接。由于钽和钨的熔化温度相似，合金在凝固过程中不会偏析。因此，焊后热处理是不必要的。与B族和C族镍合金等材料相比，Ta-2.5%W在焊接中保持了其耐锻造金属腐蚀的特性。由于偏析，镍合金在焊缝中的腐蚀性能总是明显低于公布的锻造合金腐蚀数据。 钽表面的清洁度会极大地影响焊接质量。碳氢化合物(油)在焊接过程中会发生反应，形成易碎的氢化物和碳化物。在焊接之前，钽的表面应该去油。也可以使用其他方法，例如电子束焊接(EBW)和等离子弧焊接(PAW)。防止热表面暴露在空气中的预防措施同样适用。 钽的耐腐蚀性 钽是一种非常耐腐蚀的金属。最常用的合金Ta-2.5%W，在各种浓度和工艺温度下，它能抵抗大多数常见的酸。钽通常用于高温、高浓度硫酸和盐酸应用中，并与溴接触。当工艺使用多种介质或在批处理中经常更换介质时，通常使用钽。 钽的一个严重限制是它对氟化物和氟离子以及大多数强碱缺乏抵抗力。在许多方面，钽和Ta-2.5%W的耐腐蚀性与玻璃相似。当其他材料失效时，钽通常是首选材料。硫酸服务就是一个很好的例子，许多金属可以在较低的温度和浓度下工作，而钽在高温和高浓度下明显更优越。这是其他酸性介质的常见情况，钽可以解决这些介质中的严重腐蚀问题。 钽在酸性介质中失效最严重原因是氢脆。Ta & Ta-2.5%W易与氢反应，形成脆性固溶体基体。一般来说，工艺介质中不存在游离氢，但是在较低的含水液体温度应用中，氢可以通过电化学反应释放出来。水溶液中两种不同金属的结合将在其中一种金属上产生氢。断开钽与其他金属之间的电连接可以阻止原电池，这是解决问题的最佳方案。在金属之间放置一个不导电的垫圈通常是可行的。 如果这不可能，Apex Engineered Products可以使用电镀铂点，迫使氢释放到铂表面，并最大限度地减少氢对钽的影响。在高温高浓度硫酸中测试纯Ta和Ta-2.5%W材料(有或没有Pt斑点)时，结果非常有希望。与其他钽和钽合金的腐蚀速率相比，添加铂系合金添加剂的Ultra 76钽合金具有出色的抗氢脆性能，并且在HCl和H2SO4环境中的耐腐蚀性逐步提高。在钽中添加钨可以大大提高材料的抗氢吸收能力和耐腐蚀性。 钽的典型用途 钽在当今世界有着广泛的用途。最大的用途是钽电容器。如今，阳极氧化钽电容器被用于许多常见的电子设备中。大多数其他应用利用钽的耐腐蚀性或其耐高温性。 制药工业发现钽非常有吸引力，因为它的耐腐蚀性非常低。腐蚀副产物会污染过程介质，并将污染物引入产品。在化学加工工业中，很少有材料能在酸性介质中超过钽。钽通常用作加工容器的罐和管道衬里，作为壳管式热交换器、冷凝器和加热器中的热交换材料。在许多高温、高压应用中，它经常被用作高压釜衬里。钽也可以用来修复搪玻璃容器。 钽通常被认为仅用于小型设备应用。然而，钽设备可能相当大。有实例表明，大型钽衬柱曾取代了维护成本非常高、且会造成长时间停机的酸性砖。钽也用于高温真空炉中的加热元件和隔热屏，以及许多高温应用的坩埚材料。薄膜工业使用钽作为许多电子应用的溅射靶源材料。钽还在医疗领域用于止血夹、支架和起搏器零件。由于钽的抗腐蚀性，钽在人体内呈惰性。 结论 工业界早就发现钽及其合金是解决一些最困难问题的方法。众所周知，在其他材料很快失效的情况下，钽已经使用了几十年。人们通常选择钽而不是更便宜的材料，因为它能提供长期服务并减少停机时间。有实例表明，钽相对于石墨具有更短的生命周期回报优势。 钽还是一种用途广泛、易于制造的材料，其性能往往优于几乎所有替代品。虽然它的性质并不广为人知，而且常常被误解，在某些情况下与更普通的材料有些不同，但它常常为工业提供解决难题的实用方法。 |
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