|
Тугоплакие
металлы и сплавы
К тугоплавким металлам обычно относят вольфрам, молибден, тантал
и ниобий.
Эти металлы как элементы переходных групп вследствие
недостаточности внутренних электронных оболочек имеют наиболее сильную
межатомную связь, что обусловливает их высокую тугоплавкость, прочность и
твердость, высокие модульные свойства, повышенную сопротивляемость воздействию
нагрузок при высоких температурах.
Ценными качествами этих металлов являются также их высокая
коррозионная стойкость в сильных кислотах и в жидких щелочных металлах и их
специфические физические свойства.
Ниже более подробно рассмотрены свойства и области применения
тугоплавких металлов и сплавов на их основе.
Вольфрам
и его сплавы
Вольфрам является одним из важнейших промышленных металлов.
Он широко применяется в чистом виде и в виде сплавов с другими
метлла, а также используется в качестве легирующей добавки в сталях,
жаропрочных никелевых и других сплавах. Ниже приведены важнейшие физические
константы чистого вольфрама.
Атомный вес ………………………………………………………………. 183,92
Кристаллическая решетка …………………………………………….… К.о.ц.
Период решетки, ангстрем ……………………………………………… 3,1649
Координационное число …………………………………………………. 8
Атомный радиус, ангстрем ………………………………………………. 1,41
Плотность,
г/см3 …………………………………………………………… 19,3
Температура плавления, °С ……………………………………………… 3410+/-10
Температура кипения, °С ………………………………………………… 5930
Теплота плавления,
кал/г
………………………………………………… 44
Теплота
сублимации (при температуре плавления),
кал/г ……….. 1050
Теплота испарения (при температуре кипения),
кал/г ……………… 1183
Скорость испарения,
г/см2
*
сек,
при температуре, °С:
1330 …..................... 3,7*10-20
1730......................... 1,75*10-13
2230......................... 2,03*10-9
2730......................... 9,69*10-7
3030......................... 1,60*10-5
Упругость пара,
мм рт. ст.,
при температуре, °С:
1530......................... 1.93*10-15
1730......................... 1*10-11
21.30........................ 7,9*10-9
2230......................... 1,3*10-7
2730......................... 6,55*10-5
3030......................... 1,2*10-3
3990......................... 1,0
4507......................... 10
5927......................... 760
Удельная теплоемкость,
кал/г*град,
при температуре, °С:
20 ............................ 0,032
100........................... 0,033
500........................... 0,034
1000......................... 0,036
2000......................... 0,041
Теплопроводность,
кал/см*сек*град,
при температуре, °С:
-83........................... 0,46
0.............................. 0,40
20............................ 0,40
100.......................... 0,39
500.......................... 0,29
1000 ....................... 0,28
2000 ........................ 0,30
3000 ........................ 0,36
Коэффициент линейного расширения
α*10-6
1
/град,
при температуре, °С:
-100..................................... 4,2
27........................................ 4,4
100...................................... 4,5
500...................................... 4,6
1000.................................... 5,2
2000 ................................... 6,2
2300 ................................... 7,2
Удельное электросопротивление,
мком*см,
при температуре, °С:
-196..................................... 0,61
20........................................ 5,5
100...................................... 7,2
500...................................... 19
1000 ................................... 34
2000 ................................... 66
3000 ...................................100
Типичные механические свойства плавленого вольфрама технической
чистоты (99,95%
W)
представлены в табл. 1 и 2.
Как видно из этих данных, вольфрам является наиболее тугоплавким
металлом (температура плавления 3410°С), обладает
высокой прочностью (50-90
кГ/мм2),
твердостью (320-415
кГ/мм)
и высоким модулем упругости (40000
кГ/мм2).
Отрицательным качеством вольфрама является его хрупкость при комнатной
температуре (δ
= 0,
ψ
= 0) и поэтому его обработка возможна только при температуре выше порога
хрупкости (температура перехода из пластичного в хрупкое состояние).
Температурный порог хрупкости деформированного вольфрама технической чистоты
(99,95%) лежит около 300-400° С, а рекристаллизованного - около 500° С.
Табл. 1.
Механические свойства плавленого вольфрама при комнатной и
высоких температурах
|
Состояние материала |
Температура, оС |
Е, кГ/мм2 |
σb
,кг/ мм2 |
δ,
% |
ψ,
% |
HB,кГ/
мм2 |
|
Деформированный |
20 |
40000 |
90 |
0 |
0 |
415 |
|
400 |
|
76 |
13 |
50 |
|
|
800 |
|
65 |
18 |
64 |
|
|
1200 |
|
60 |
18 |
65 |
|
|
1600 |
|
28 |
25 |
75 |
|
|
2000 |
|
9 |
58 |
95 |
|
|
2200 |
|
6 |
65 |
98 |
|
|
2500 |
|
3 |
65 |
98 |
|
|
Рекристализованный |
20 |
40000 |
50 |
0 |
0 |
320 |
|
400 |
|
30 |
3 |
3 |
|
|
800 |
|
25 |
50 |
75 |
|
|
1200 |
|
17 |
55 |
75 |
|
|
1600 |
|
14 |
58 |
95 |
|
|
2000 |
|
8 |
62 |
98 |
|
|
2200 |
|
6 |
65 |
98 |
|
|
2500 |
|
3 |
65 |
98 |
|
Табл. 2.
Длительная прочность вольфрама при высоких температурах,
кГ/мм3
Время испытания
|
Температура
испытания, °С |
10
мин |
50
мин |
100
мин |
200
мин |
100 ч |
|
1370 |
|
|
|
|
7 |
|
1500 |
— |
— |
— |
— |
6 |
|
2250 |
4,2 |
3,2 |
2,8 |
— |
— |
|
2500 |
2,2 |
1,7 |
1,5 |
1,3 |
— |
|
2700 |
1,7 |
1,4 |
1,2 |
1,0 |
— |
|
2800 |
1.5 |
1,2 |
1,0 |
0,9 |
— |
Однако вольфрам высокой степени чистоты, полученный в виде монокристалла
многократной зонной очисткой, пластичен при комнатной температуре и имеет δ = 12
- 15%.
К отрицательным качествам вольфрама следует также отнести его сильную
окисляемость при нагреве на воздухе (начиная с 400°С), относительно большую
плотность (19,3
г/см3)
и высокое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов (19
барн/атом).
Вольфрам является весьма стойким материалом во многих концентрированных
минеральных кислотах, щелочах и расплавленных щелочных металлах.
В настоящее время из вольфрама получают листы, ленты, прессованные прутки, трубы
и проволоку. Исходными заготовками для производства полуфабрикатов служат
спрессованные и спеченные из порошка вольфрама брикеты (штабики) или слитки,
полученные плавкой в электродуговых и электронно-лучевых печах. Некоторые
детали и изделия из вольфрама получают также напылением и осаждением из газовой
фазы.
Способ получения первичной заготовки оказывает существенное влияние на чистоту
металла и его качества. Наиболее полное рафинирование вольфрама от вредных
примесей (02,
N2,
С,
Fe,
Si
и др.) достигается при электронно-лучевой плавке.
Однако при этом методе плавки полученные слитки имеют крупнозернистую
ориентированную структуру и не пригодны для дальнейшей обработки давлением. По
границам крупных зерен происходит концентрация примесных включений, что служит
причиной разрушения слитков в процессе их деформации.
При подавлении транскристаллизации и измельчения зерна в слитках было предложено
перед кристаллизацией вводить в расплав тугоплавкие частицы структурно подобных
простых и сложных карбидов циркония, тантала и других тугоплавких металлов.
Тугоплавкие частицы, присутствующие в расплаве, обладая структурным сходством,
служат «затравками» при кристаллизации зерен вольфрама (см. схему сопряжения
решеток на рис. 1).
Кристаллизация из многих центров, искусственно созданных в расплаве,
способствует получению мелкозернистой дезориентированной структуры в слитках.
Измельчение зерна в слитках и перераспределение карбидных и других включений
приводят к повышению способности металла к пластической деформации.
На рис. 1 показана микроструктура литого вольфрама
Кроме чистого вольфрама, применяют также сплавы на егооснове, которые во многих
случаях обладают более ценными свойствами, чем чистый вольфрам.
Состав и механические свойства некоторых вольфрамовых сплавов, применяемых в
СССР и за рубежом, приведены в табл. 3.
Из сплавов вольфрама большой интерес представляют высоколегированные сплавы с
рением и молибденом. Рений и молибден образуют с вольфрамом твердые растворы
замещения в широком диапазоне концентраций.
Рис. 1. Схема
сопряжения кристаллических решеток вольфрама и карбида ципкония (по плоскости
001)
Рис. 2. Влияние рения на температуру хрупкого перехода
вольфрама
Введение больших количеств рения (до 30%) и молибдена (15-25%) изменяет характер
межатомного взаимодействия в решетке вольфрама и способствует значительному
улучшению механических свойств.
Рений повышает пластичность вольфрама при комнатной температуре (удлинение
повышается от 0 до 5-10%), резко снижает температуру перехода из пластического в
хрупкое состояние (рис. 2) и улучшает его технологические свойства (штампуемость,
свариваемость и т. д.).
Кроме этого, рений на 200-400°С (в зависимости от его содержания) повышает
температуру рекристаллизации вольфрама, благодаря чему рост зерна в сплавах
вольфрама с рением проходит менее интенсивно, чем в чистом вольфраме.
Добавки рения способствуют также значительному повыше электросопротивления
вольфрама: для вольфрама
ρ
= = 0,056
ом *
мм21м,
для сплава вольфрама с 30%
Re
ρ
= 0,242
ом мм2/м.
Молибден является менее эффективным легирующим компонентом.
Табл. 3.
Состав и механические свойства плавленых вольфрамовых сплавов
|
№
|
Химический состав, %
% |
Состояние
материала |
Температура испытания, oС |
σb
,кГ/ мм2 |
ψ,
% |
δ,
% |
Е,
кГ/мм2 |
|
1 |
0,8Nb,
остальное
W |
Рекристаллизованный |
20 |
-
|
-
|
-
|
40000 |
|
1000 |
20-24 |
45-48 |
80-90 |
36000 |
|
1500 |
14- 15 |
48-58 |
90-95 |
34000 |
|
1700 |
12-14 |
52-58 |
90-95 |
32000 |
|
1200 |
8-8,5 |
60-70 |
95-96 |
28000 |
|
2250 |
6 |
70-72 |
95-96 |
-
|
|
2500 |
2 |
-
|
95 |
-
|
|
2700 |
1 |
-
|
-
|
-
|
|
2 |
30Re,
остальное
W |
Деформиро ванный |
21 |
218 |
6 |
-
|
-
|
|
1095 |
119,5 |
7 |
-
|
-
|
|
1315 |
56,0 |
8 |
-
|
-
|
|
1650 |
21.0 |
9 |
-
|
-
|
|
1800 |
14,0 |
5,6 |
-
|
-
|
|
Рекристаллизованный |
21 |
137 |
5 |
-
|
-
|
|
1095 |
105,5 |
7 |
-
|
-
|
|
1315 |
95,0 |
8 |
-
|
-
|
|
1650 |
35,0 |
13 |
-
|
-
|
|
3 |
25Мо, 0,11Zr, 0,05С остальное
W
, |
Горячепресованный |
980 |
69,1 |
-
|
-
|
-
|
|
1316 |
51,6 |
-
|
-
|
-
|
По
своей структуре сплавы
W-Re
и
W-Mo
являются однородными твердыми растворами и их структура ничем не отличается от
чистого вольфрама (рис. 1).
В связи с малой доступностью рения и его высокой стоимостью вольфраморениевые
сплавы имеют ограниченное применение в промышленности (для проводов термопар,
электроконтактов и др.) В этом отношении более перспективными сплавы
W-Mo,
W-Nb,
W-Zr
и др. (рис. 3), но они имеют более низкую прочность и жаропрочность и
недостаточную пластичность.
Для повышения высокотемпературной прочности и жаропрочности
вольфрамомолибденовых сплавов их легируют небольшими добавками циркония (до
0,1—0,2%) и углерода (до 0,05%). Углерод с цирконием и вольфрамом образуют
высокодисперсные карбиды, которые резко упрочняют сплав.
Карбидное упрочнение используется также в сплавах вольфрама с добавками ниобия.
Кроме карбидного упрочнения, вольфрам упрочняют введением небольших присадок
различных тугоплавких и термодинамически стабильных окислов (ThO,
ZrO,
MgO
и др.).
Сплавы типа металл - окисел (керметы), полученные методом
порошковой металлургии, имеют особо высокую прочность (рис. 3)
и жаропрочность.
Как видно из приведенных данных, наиболее высокую прочность при температуре выше
1900° С имеют сплавы вольфрама с окисью тория.
До 1650° С весьма высокая прочность (до 42
кГ/мм2)
обнаруживается у сплава вольфрама с 0,5% С и 0,8%
Nb).
Рис. 3.
Прочность вольфрамовых сплавов при высоких температурах
Вольфрам и его сплавы, обладая высокой прочностью,
жаропрочностью и другими ценными качествами, являются необходимыми материалами в
ряде областей техники.
Металлический вольфрам широко применяют в электроламповой, радиотехнической и
электровакуумной промышленности. Из вольфрама
и его сплавов изготовляют нити
накаливания, детали радиоламп, нагреватели и экраны высоковакуумных печей.
Используя высокую эмиссионную способность вольфрама, из него изготовляют
эмиттеры, катоды ренгеновскнх трубок и кенотронов, катоды электронно-лучевых
установок, плазменных и ионных двигателей и др.
Сплавы вольфрама с рением применяют для изготовления высокотемпературных
термопар и электрических контактов.
|
