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  

Табл. 2. Длительная прочность вольфрама при высоких температурах, кГ/мм³

 Время испытания

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 

 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.