Logam Tantalum: Hartanah, Gred ASTM B708 ​​dan Aplikasi Perindustrian

Tantalum: Tinjauan Elemen

Tantalum ialah logam peralihan refraktori dengan simbol kimia Ta dan nombor atom 73, diletakkan dalam kumpulan 5 dan kala 6 jadual berkala. Berat atom piawainya ialah 180.94788, ia menghablur dalam-kekisi padu berpusat badan, dan ia adalah keluli-kelabu, pepejal berkilau dalam bentuk unsurnya. Tantalum tergolong dalam kumpulan yang sama seperti vanadium dan niobium dan berkongsi dengan niobium harta yang ditemui bersama dalam bijih oksida campuran, yang merupakan asal kepada kebanyakan kerumitan bekalan dan penapisan.

Dua ciri menentukan nilai kejuruteraan logam. Pertama, ia mulur dan boleh digunakan pada suhu bilik, jadi ia boleh digulung menjadi foil, ditarik ke wayar halus dan dibengkokkan tanpa retak. Kedua, ia membentuk filem oksida pasif yang stabil dan sembuh sendiri-yang menentang pelbagai jenis media kimia yang agresif, yang menjadikannya bahan standard untuk peralatan proses kimia.

Sifat Fizikal dan Mekanikal

Kekuatan tegangan yang dilaporkan untuk helaian tantalum tanpa aloi annealed berada dalam lingkungan 200 hingga 350 MPa dengan pemanjangan melebihi 20 peratus, dan nilai meningkat dengan ketara selepas kerja sejuk. Oleh kerana sifat sangat bergantung pada kandungan interstisial, produk kilang hendaklah sentiasa dibeli mengikut spesifikasi yang diiktiraf seperti ASTM B708 ​​untuk plat, kepingan dan jalur, ASTM B521 untuk tiub lancar dan dikimpal, atau ASTM F560 untuk tantalum tidak berlog yang bertujuan untuk implan pembedahan. Spesifikasi tersebut mengehadkan karbon, oksigen, nitrogen dan hidrogen, dan had hidrogen biasanya 0.015 peratus maksimum kerana kemerosotan hidrogen adalah mod kegagalan utama tantalum dalam perkhidmatan.

Bijih, Pengekstrakan dan Rantaian Bekalan

Tantalum diperoleh semula daripada kumpulan mineral kolumbit-tantalit, biasanya dipanggil coltan, di mana tantalum dan niobium oksida berlaku dalam larutan pepejal. Mendapan penting dari segi ekonomi ditemui dalam pegmatit granit dan dalam deposit pelekat terluluhawa di Afrika tengah, Brazil dan Australia. Oleh kerana persamaan kimia niobium dan tantalum, pemisahan adalah langkah yang sukar: pekat bijih dilarutkan dalam fluorida-mengandungi medium asid, dan tantalum dipisahkan dengan pengekstrakan pelarut atau pertukaran ion sebelum ditukar kepada kalium heptafluorontatalate, K2TaF7.

Tantalum logam kemudiannya dihasilkan melalui pengurangan natrium K2TaF7, atau melalui elektrolisis garam-lebur, memberikan serbuk yang sama ada disatukan melalui pensinteran vakum atau dicairkan ke dalam jongkong melalui lengkok vakum atau elektron-lebur rasuk. Serbuk tantalum gred kapasitor- ialah aliran produk yang berasingan dengan morfologi dan ketulenan zarah yang dikawal ketat. Rantaian keseluruhan adalah panjang dan tertumpu, dan kepekatan kedua-dua perlombongan dan penapisan ialah-risiko bekalan yang didokumenkan dengan baik untuk pengguna kapasitor dan aloi super.

Kelakuan Kakisan: Kekuatan dan Had

Filem pasif pada tantalum menjadikannya tahan kepada asid hidroklorik, asid nitrik, dan juga aqua regia pada keadaan ambien, dan kepada asid sulfurik sehingga kira-kira 150 C. Inilah sebabnya mengapa tantalum digunakan untuk termowell, pemanas bayonet, tiub penukar haba dan lapisan vesel dalam loji kimia yang mengendalikan asid mineral kuat.

Had rintangan itu mesti dinyatakan dengan jelas, kerana salah tanggapan umum bahawa tantalum lengai secara kimia adalah salah dan mahal:

Media fluorida:asid hidrofluorik, garam fluorida dan sebarang campuran asid yang mengandungi ion fluorida menyerang tantalum dengan cepat dengan memusnahkan filem pasif. Peralatan tantalum tidak boleh digunakan dengan-fluorida yang mengandungi cecair.

Alkali pekat panas:natrium dan kalium hidroksida pada suhu tinggi menyebabkan kakisan umum.

Asam sulfurik (oleum):serangan menjadi ketara pada suhu tinggi.

Udara bersuhu tinggi-:tantalum teroksida dengan cepat dalam udara di atas kira-kira 300 C dan menjadi rapuh oleh pengambilan oksigen, jadi ia bukan bahan struktur untuk udara panas atau atmosfera relau pengoksidaan. Vakum atau suasana lengai-ketulenan tinggi diperlukan.

hidrogen:hidrogen larut dalam tantalum dan membentuk hidrida rapuh, jadi kandungan hidrogen ditentukan pada maksimum 0.015 peratus dan perkhidmatan hidrogen-kaya atau hidrogen-sulfida dikecualikan.

Tempat Tantalum Digunakan

Kapasitor elektrolitik:anod serbuk tantalum tersinter dengan dielektrik tantalum pentoksida memberikan kemuatan yang sangat tinggi per unit isipadu, dan ini kekal sebagai aplikasi tunggal terbesar bagi logam.

Peralatan proses kimia:penukar haba, lajur, termowell dan pelapik yang dibina daripada tiub dan kepingan tantalum kepada ASTM B521 dan ASTM B708.

Implan perubatan:tantalum tanpa aloi kepada ASTM F560 adalah biokompatibel dan radiopaque, dan struktur tantalum berliang digunakan untuk pertumbuhan tulang dalam peranti ortopedik dan tulang belakang.

Aeroangkasa dan elektronik pertahanan:komponen suhu tinggi-dan sasaran sputtering untuk filem nipis dengan indeks biasan yang tinggi dan kestabilan terma yang sangat baik.

Aloi super dan logam keras:tantalum ditambah kepada superaloi asas-nikel dan sebagai tantalum karbida dalam karbida bersimen, di mana ia menghalang pertumbuhan bijirin semasa pensinteran.

Pengikat-kakisan dan perkakas makmal:bahagian kecil yang terdedah kepada asid kuat dalam persekitaran analisis dan proses.

Bekerja, Pemesinan dan Mencantum

Sejuk Tantalum berfungsi dengan cara yang lebih hampir kepada kuprum lembut daripada keluli: ia tidak berfungsi pada perkakas, menghasilkan serpihan bertali yang berterusan dan mengeras, alatan garu-positif-sangat tajam, aliran bendalir pemotong yang banyak dan pas kemasan yang ringan digunakan. Penyepuhlindapan antara peringkat dilakukan dalam vakum tinggi atau gas lengai-ketulenan tinggi untuk mengelakkan pengambilan oksigen dan hidrogen, dan paras vakum mesti disahkan sebelum setiap kitaran kerana wap air sisa itu sendiri merupakan sumber hidrogen. Lembaran dan tiub Tantalum disambungkan dengan kimpalan arka tungsten gas atau kimpalan rasuk-elektron di bawah perisai lengai, dengan disiplin kebersihan yang sama digunakan untuk titanium: permukaan yang dinyahcairkan, tiada pencemaran besi dan ketulenan gas pelindung terkawal. Bahagian kerja sejuk-biasanya dilepaskan tekanan sebelum dikimpal untuk mengelakkan keretakan dalam-zon terjejas haba.

Soalan Lazim

S: Adakah tantalum sama dengan coltan?
Coltan ialah nama tidak rasmi kumpulan bijih tantalit-columbite yang mengandungi kedua-dua tantalum dan niobium; tantalum ialah logam halus yang diperoleh daripada bijih tersebut.

S: Mengapa tantalum digunakan dalam kapasitor?
Filem pentoksida anodisnya adalah sangat nipis dan stabil, yang menghasilkan kapasiti tinggi bagi setiap unit volum dan volum-kapasitor yang cekap untuk elektronik.

S: Bolehkah tantalum digunakan dengan asid hidroklorik?
Ya, asid hidroklorik pada suhu ambien dan sederhana ialah perkhidmatan tantalum standard, dengan syarat medium tidak mengandungi ion fluorida dan tiada keadaan penjanaan-hidrogen.

S: Adakah tantalum menentang suhu rendah atau tinggi dengan lebih baik?
Ia sangat baik pada suhu rendah, kekal mulur dan mempunyai takat lebur 3017 C, tetapi dalam atmosfera pengoksidaan melebihi kira-kira 300 C ia mereput melalui pengambilan oksigen, jadi penggunaan suhu yang tinggi-memerlukan vakum atau gas lengai.

S: Apakah had biasa hidrogen untuk tantalum?
Spesifikasi kilang biasa menghadkan hidrogen pada 0.015 peratus maksimum, kerana hidrogen yang diserap membentuk hidrida rapuh.

S: Adakah tantalum magnet?
Tidak. Tantalum adalah paramagnet, dengan hanya tindak balas yang sangat lemah, yang merupakan salah satu sebab ia serasi dengan persekitaran pengimejan resonans magnetik.