Добывать самые плотные и тяжелые металлы сложно и дорого. Тем не менее они активно используются в промышленности, и по сей день не имеют достойных аналогов. Обзор десятки тяжеловесов из мира металлов — от механических свойств до сферы применения.
Плотность — это отношение массы к единице объема. Ее значение играет большую роль в проектировании: вместе с удельной прочностью и инертностью она служит основой для инженерных расчетов. Металлы, имеющие наибольшую плотность, используются в различных сферах деятельности — от ювелирного дела до строительства и космических технологий.
В этой статье — все тяжеловесах в мире металлов.
Методология: как считали и что учитывали
В таблицах нашего рейтинга указана плотность металлов (в граммах на кубический сантиметр) при температуре +20°C. Это важно, так как при нагреве металлы расширяются, а их плотность — уменьшается.
Характеристики могут варьироваться. На это влияет:
- Чистота металла. Даже сотые доли процента примесей могут изменить плотность.
- Аллотропия. Некоторые металлы, несмотря на одинаковый состав, имеют разные формы кристаллических решеток. Аллотропия свойственна отдельным элементам, которые изменяют валентность при изменении температуры. Разные модификации помечают греческими буквами — α-фаза, β-фаза и т.д.
- Пористость. Иногда в деталях могут оставаться пустоты. Например, детали из металлических порошков имеют меньшую плотность, чем у литых или кованых.
Ниже — рейтинг металлов, которые имеют реальное промышленное значение. Мы намеренно не рассматриваем сплавы, полученные в лабораторных условиях и не имеющие практического применения.
ТОП-10 металлов, имеющих наибольшую плотность
1. Иридий
Подборку открывает иридий — тугоплавкий драгоценный металл. Он встречается в породах метеоритного происхождения, в земной коре обнаруживается крайне редко. За год во всем мире производится не более 3–8 тонн иридия.
При смешивании с другими металлами иридий придает сплаву высочайшую антикоррозийную защиту. К другим его особым свойствам относят стойкость к радиации. Несмотря на свою твердость, он может подвергаться горячей обработке давлением.
Иридий служит для производства тиглей, деталей высокоточных приборов, электродов свечей зажигания, покрытий для электрических контактов, кончиков перьев авторучек. Радиоактивный изотоп металла применяется в качестве источника гамма-излучения для диагностики злокачественных опухолей, а также в дефектоскопах и толщиномерах.
| Иридий | Ir |
| Плотность | 22,65 г/см3 |
| Твердость по Бринеллю | 1670 МПа |
| Температура плавления | +2466°C |
| Коррозиестойкость | Высокая, сохраняется до температуры +2000°C |
| Токсичность | Нет |
| Страны-производители | ЮАР, Канада, Россия, США |
2. Осмий
Еще один драгоценный металл. Кроме максимальной плотности обладает крайне высокой жесткостью, что придает ему хрупкость. Эти свойства сильно усложняют его механическую обработку: осмий сложно деформировать, а ковка и прокатка возможны при +1500°C и выше.
Осмий не используется в чистом виде и добавляется в сплавы других металлов для повышения износостойкости. Из него делают точные детали, часы, перья авторучек, электрические контакты, медицинские имплантаты и катализаторы. В сочетании с молибденом или вольфрамом применяется в термоионных генераторах, в качестве оксида осмия — для окрашивания биологических тканей, поиска отпечатков пальцев и контраста при лабораторных исследованиях.
Осмий и иридий имеют практически равную плотность с учетом погрешности теоретических расчетов. Оба этих металла физически и химически тесно связаны в кристаллической решетке рудных минералов.
| Осмий | Os |
| Плотность | 22,61 г/см3 |
| Твердость по Бринеллю | 3920 МПа |
| Температура плавления | +3033°C |
| Коррозиестойкость | В виде порошка летуч и окисляется на воздухе при комнатной температуре, в компактном виде более инертен |
| Токсичность | Высокая, раздражает слизистые оболочки и кожу |
| Страны-производители | ЮАР и Россия |
3. Платина
Один из самых известных драгоценных металлов, который занял достойное третье место в рейтинге. Он по всем параметрам превосходит техническое серебро. Самородная платина содержит 75–92% самой платины, а остальную долю сплава составляет железо, иридий, палладий, родий, осмий, медь и никель.
Платина пластична и отлично сваривается. Из нее можно вытянуть тончайшую проволоку или прокатать лист, что делает ее основным конструкционным материалом в группе благородных металлов. Инженеры-химики активно используются этот драгоценный металл как катализатор.
Уже около 200 лет платина применяется для легирования высокопрочных сталей. Из нее изготавливают ювелирные украшения, зубные импланты, лабораторную посуду, электрические контакты, нагревательные элементы.
Коронарные стенты для артерий из сплава драгоценных металлов (платины и иридия) подходят для больных в острой стадии инфаркта за счет компактного размера и низкой тромбогенной активности.
| Платина | Pt |
| Плотность | 21,09–21,45 г/см3 |
| Твердость по Бринеллю | 549 МПа |
| Температура плавления | +1768,3°C |
| Коррозиестойкость | Высокая, не окисляется при нагреве до температуры плавления |
| Токсичность | Нет |
| Страны-производители | ЮАР, США, Россия, Зимбабве, Китай |
4. Рений
Рений схож и с платиновыми, и с тугоплавкими металлами. По температуре плавления он уступает только вольфраму. Рений пластичен, но его обработка усложняется наличием наклепа — следствием большого модуля упругости. Улучшить его пластичность помогает термообработка.
Преимущества рения — стойкость к цикличному нагреву и охлаждению, сохранение пластичности при низких температурах и прочности при нагреве. Он не подвержен коррозии при температуре до +300°C.
Рений используется в составе жаропрочных сплавов для создания деталей авиакосмической техники и самоочищающихся электрических контактов. Из никеля и рения делают детали для авиации, в том числе для военных кораблей. Рений, используемый в качестве катализаторов, участвует в техпроцессах нефтепереработки.
Каждый процент добавленного в сплав рения увеличивает рабочую температуру и сопротивление ползучести.
| Рений | Re |
| Плотность | 21,02 г/см3 |
| Твердость по Бринеллю | 1320–2500 МПа |
| Температура плавления | +3186°C |
| Коррозиестойкость | До +300°C, при температуре выше +600°C идет активное окисление |
| Токсичность | При нагреве выше +600°C образуются летучие соединения, вызывающие раздражение кожи и слизистых оболочек |
| Страны-производители | Чили, США, Польша, Узбекистан, Россия, Армения |
5. Нептуний
Нептуний — радиоактивный металл. Его получают как побочный продукт производства плутония. В год в мире производится не более нескольких сотен килограммов металла. Из-за малого количества исследований большая часть данных о свойствах этого материала отсутствует.
Для человека нептуний представляет серьезную опасность. Он вызывает тяжелое радиационное повреждение костной ткани.
Самое известное применение нептуния — это ядерное оружие. Кроме того, он используется для производства источников энергии космических аппаратов, проведения химических и физических исследований, связанных с ядерными реакциями.
| Нептуний | Np |
| Плотность | 20,25 г/см3 |
| Твердость по Бринеллю | Нет данных |
| Температура плавления | +639°C |
| Коррозиестойкость | Медленно взаимодействует с воздухом, покрываясь оксидной пленкой, при более высокой температуре окисляется до оксида нептуния |
| Токсичность | Высокая радиотоксичность |
| Страны-производители | США, Россия, Франция |
6. Плутоний
Еще один радиоактивный представитель подборки, который немного менее опасен нептуния. Он обладает большим электрическим сопротивлением, которое возрастает с понижением температуры. Металл обладает еще одним нехарактерным свойством: увеличение плотности при нагреве до температуры плавления и уменьшение в объеме в диапазоне +310..+480°C.
Плутоний — это основа для ядерного топлива. Его оксиды служат источником энергии космической техники. Большую роль плутоний играет и в атомной промышленности, преобразуя ядерную энергию в электричество.
| Плутоний | Pu |
| Плотность | 19,86 г/см3 |
| Твердость по Виккерсу | 2200–2550 МПа |
| Температура плавления | +640°C |
| Коррозиестойкость | Низкая, быстро окисляется на воздухе |
| Токсичность | Высокая радиотоксичность |
| Страны-производители | Россия, США |
7. Золото
Золото — тот самый благородный металл, который точно встречал каждый. Оно мягкое и пластичное, обладает высокой теплопроводностью и низким электрическим сопротивлением. Благодаря большой плотности оно компактно и часто становится эквивалентом денежной валюты.
Пластичность позволяет изготавливать из золота листки толщиной до 0,1 мкм и пленки толщиной 3–4 нм (0,003–0,004 мкм), которые сохраняют все свойства драгоценного металла. Современные ученые считают, что такие пленки помогут совершить прорыв в радиоэлектронике.
Кроме ювелирных изделий золото используется для производства проводников и гальванических покрытий, печатных плат, покрытий оконных и витражных стекол, стоматологических протезов. Прокладки из золота участвуют в пайке металлов, а покрытие на его основе защищает готовые изделия от коррозии. Антимикробные свойства позволяют применять этот металл в ряде медицинских препаратов или в качестве пищевой добавки (сусальное золото).
| Золото | Au |
| Плотность | 19,32 г/см3 |
| Твердость по Бринеллю | 220–250 МПа |
| Температура плавления | +1064,18°C |
| Коррозиестойкость | Высокая |
| Токсичность | Нет |
| Страны-производители | Китай, Россия, Австралия, Канада, США, Мексика, Гана, Индонезия, Узбекистан, Перу |
8. Вольфрам
Самый тугоплавкий металл рейтинга. Свою популярность он заслужил за счет большой плотности и низкой цены. Именно поэтому он часто используется как имитация золота или замена свинца. Вольфрам хорошо поддается ковке и вытягивается в тонкую нить с предварительным подогревом до +1600°C. Он обладает самым низким коэффициентом сжимаемости среди других металлов: почти не изменяет своего объема под действием давления.
Сплавы с добавлением вольфрама жаропрочны, кислотоустойчивы, тверды и невосприимчивы к износу. Облегчить их обработку помогает добавление никеля, железа или меди.
Чистый вольфрам хрупок: в промышленности используются его сплавы ВНМ (вольфрам-никель-железо) или ВНМ (вольфрам-никель-медь).
Вольфрам часто применяется для тяжелых сплавов, из которых изготавливают элементы оружия и брони. Без этого металла невозможно представить современное точение и фрезерование конструкционных материалов. Металл используется для нитей накаливания ламп, электродов аргонно-дуговой сварки, нагревательных элементов вакуумных высокотемпературных печей.
| Вольфрам | W |
| Плотность | 19,25 г/см3 |
| Твердость по Бринеллю | 4785 МПа |
| Температура плавления | +3422°C |
| Коррозиестойкость | Высокая, при температуре красного каления (+400°C) медленно окисляется в оксид вольфрама |
| Токсичность | Низкая |
| Страны-производители | Китай, Казахстан, Россия, Австрия |
9. Уран
Слаборадиоактивный, мягкий, ковкий и гибкий металл. Некоторые его соединения светятся в темноте. Он обладает большой химической активностью и склонен к самовоспламенению, поэтому его механическая обработка проводится исключительно с масляными СОЖ или в инертной атмосфере.
Из сырья — природного урана — получают обогащенный уран. Этот процесс обеспечивает его эффективность в ядерных технологиях. Оставшийся после обогащения материал называется обедненным ураном. Он в два раза менее радиоактивен и служит основой для балластов, бронебойных снарядов и радиационной защиты.
В промышленности и медицине уран стал веществом для синтеза изотопов, в геологии — помогает определить возраст горных пород. Небольшие добавки урана используются для флуоресценции стекол или в качестве желтого пигмента для живописи.
| Уран | U |
| Плотность | 19,05 г/см3 |
| Твердость по Бринеллю | 1810–2160 МПа |
| Температура плавления | +1132,2°C |
| Коррозиестойкость | Низкая, быстро окисляется на воздухе |
| Токсичность | Высокая химическая и радиационная токсичность |
| Страны-производители | Казахстан, Канада, Австралия, Россия |
10. Тантал
Пластичный металл, который обладает отличной обрабатываемостью. Как и золото, он легко раскатывается в проволоку и тонкие листы. Тантал сохраняет свои свойства даже при экстремальной минусовой температуре. Малейшие примеси сильно ухудшают его свойства.
Тантал — незаменимый металл для микроэлектроники за счет плотности, инертности и коррозионной стойкости. Из него производят аппаратуру для химической промышленности, теплообменники для объектов ядерной энергетики, фольгу и проволоку для хирургии и вычислительной техники, а также электролитические конденсаторы и ювелирные изделия.
| Тантал | Ta |
| Плотность | 16,65 г/см3 |
| Твердость по Бринеллю | 450–800 МПа |
| Температура плавления | +3017°C |
| Коррозиестойкость | Средняя, окисляется при +280°C и выше |
| Токсичность | Нет |
| Страны-производители | Конго, Руанда, Бразилия, Китай |
Будущее тяжелых металлов
Большая часть тяжелых металлов используется только в узких отраслях промышленности, например, в атомной: там, где без них действительно не обойтись. Это связано с несколькими факторами:
- многие металлы, имеющие наибольшую прочность, добываются в объеме не более нескольких тонн в год;
- высокая плотность материалов усложняет их механическую обработку;
- многие сорта токсичны и радиоактивны, что сужает область их применения.
Высокоплотные металлы в основном используются в качестве добавки к сплаву или композитной смеси. Например, вольфрамовый порошок улучшает свойства композита и позволяет создавать гибкие экраны радиационной защиты или детали сложной геометрии методом 3D-печати. Это исключает дорогую механическую обработку и снижает расход сырья, сохраняя при этом требуемые эксплуатационные характеристики.
Ограниченность ресурсов вынуждает предприятия усиленно развивать вторичную переработку. Это позволяет извлекать редкие металлы из отработанных изделий. Добыча нужного материала из отходов, накопленных за последние несколько десятков лет, становится все более рентабельной.
Замена металлов пока затруднена. Особенно это касается компактных изделий с большой массой: если заменить вольфрам на более доступную сталь, то деталь увеличится как минимум в 2–3 раза. Катализаторы из тяжелых металлов по-прежнему продолжают использоваться в химии, но с одной существенной разницей: благодаря развитию технологии наноструктурирования их потребление можно сократить до 10 раз.
Высокоплотные металлы — незаменимые элементы наиболее ответственных узлов и технологических процессов. Несмотря на свой большой вес, они активно используются в отраслях, стремящихся к облегчению конструкций. В электронике с их помощью производят высокоточные мельчайшие детали, а в авиации обеспечивают сбалансированность и прочность каждого компонента.
Баланс между весом и функциональностью отделяет простое производство от высоких технологий. Учет каждого грамма конструкции помогает решать сверхзадачи там, где стандартные решения бессильны.
