Сплавы на основе тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе

К тугоплавким относят металлы, температура плавления кото­рых превышает 1800°С. Наибольшее значение в технике имеют сле­дующие тугоплавкие металлы: Nb, Mo, Cr, W.

Тугоплавкие металлы имеют прочные межатомные связи, что и обеспечивает высокие температуры плавления. Они отличаются ма­лым тепловым расширением, небольшой теплопроводностью, повы­шенной жесткостью.

Механические свойства тугоплавких металлов зависят от спо­соба производства и содержания примесей, которые увеличивают их хрупкость. Молибден, хром и вольфрам особенно склонны к хрупко­му разрушению из-за высокой температуры порога хладноломкости, которую особенно сильно повышают примеси внедрения С, N, Н и О. Наклеп понижает температуру перехода в хрупкое состояние. Жаро­прочность тугоплавких металлов может быть повышена как легиро­ванием, так и азотированием при 1100. 1200°С в азоте.

Большой недостаток тугоплавких металлов — низкая жаро­стойкость, поэтому при температуре свыше 400. 600°С их нужно защищать от окисления.

Тугоплавкие металлы трудно обрабатываются, так как имеют большое сопротивление пластическому деформированию.

Сплавы на основе тугоплавких металлов обладают более вы­сокой жаропрочностью, чем сами чистые металлы (1500. 2000°С).

Тугоплавкие металлы легируют в двух целях: а) для уменьше­ния их склонности к хрупкому разрушению; б) для повышения проч­ностных и жаропрочных характеристик.

Сплавы на основе тугоплавких металлов подразделяют на две группы:

1) сплавы со структурой твердого раствора;

2) сплавы, упрочняемые закалкой и старением.

В сплавах первой группы содержание легирующих элементов (Ti, Nb, Zr, Mo, W, Та, Re) выбирают таким, чтобы при увеличении прочности не снизить пластичность и не ухудшить другие свойства.

Сплавы второй группы содержат повышенное количество уг­лерода и карбидообразующие элементы. При старении этой группы сплавов упрочняющей фазой являются карбиды, которые выделяются внутри зерен.

Ниобий— Nb, химический элемент Y группы периодической системы элементов, атомный номер 41, атомная масса 92,9064. Туго­плавкий светло-серый металл, плотность 8570 кг/м 3 , t_nл = 2500°С, температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К.

Ниобий — высокопластичный металл, имеет очень низкий (ниже -196°С) порог хладноломкости. Химически очень стоек. Хо­рошо сваривается. Для повышения жаропрочности ниобий легируют молибденом, вольфрамом и цирконием. Широкое использование получил как компонент химически стойких и жаростойких сталей, из которых изготовляют детали ракет, реактивных двигателей, химиче­скую и нефтеперегонную аппаратуру. Недостатки ниобия и его спла­вов — малый модуль Юнга и большая склонность к окислению при повышенных температурах.

Основными легирующими элементами для сплавов на основе ниобия являются W, Mo, Ti, Та, V, Zr, Hf и элементы внедрения (С, О, N).

Сплавы на основе ниобия (ВН-2А, ВН-4) обладают хорошей технологичностью, свариваемостью и достаточно высокой жаро­прочностью до 1300°С (300. 850 МПа). Ниобием и его сплавами по­крывают тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. Станид Nb₃Sn, германид Nb₃Ge, сплавы ниобия с Sn, Ti и Zr используют в радиоэлектронике для изготовления сверхпроводящих соленоидов (Nb₃Ge — сверхпроводник с наиболее высокой температурой перехо­да в сверхпроводящее состояние).

Как чистый ниобий, так и его сплавы активно взаимодейству­ет при нагреве с атмосферными газами, что требует применения за­щитных покрытий.

Молибден— Мо, химический элемент YI группы периодиче­ской системы элементов, атомный номер 42, атомная масса 95,94. Светло-серый металл, плотность 10200 кг/м 3 , t_пл – 2620 °С. Химичеcки стоек (на воздухе окисляется при температуре выше 400°С). Coединения молибдена обладают значительной окислительно-восстановительной и каталитической способностью. Молибден относится к стратегическим металлам.

Более 75 % молибдена применяют для легирования сталей, ис­пользуемых в авиа- и автомобилестроении, при изготовлении лопа­ток турбин и др. Весьма перспективны жаропрочные (для реактивных двигателей) и кислотоупорные (аппараты химической промышленно­сти) сплавы; так, сплав Fe— Ni — Mo стоек ко всем кислотам (кроме HF) до 100°С. Молибден — важнейший конструкционный материал в производстве нитей для электрических ламп и катодов для электрова­куумных приборов. Молибдены используются в гальванопластике – молибденирование, а также в аналитической химии для определения фосфора, мышьяка, кремния, германия и некоторых других элемен­тов. Природный минерал молибденит MoS₂ является лучшей смазкой для трущихся металлических частей при высоких температурах, по­вышенном или пониженном давлении, в обычной атмосфере и при отсутствии кислорода.

Сплавы молибдена легированы Zr, Ti, Hf, Nb, W, которые об­разуют с молибденом твердые растворы и упрочняют его. Для увели­чения пластичности в сплав могут добавлять Re. Низколегированные сплавы молибдена это – ВМ1, ЦМ2А, ВМ2 (системы Mo – Ti – Zr). Большей жаропрочностью обладают гетерофазные, термически уп­рочняемые сложнолегированные сплавы — ВМЗ, ЦМВЗО, ЦМВ50, ЦМ10. Длительную прочность молибденовых сплавов повышает вольфрам, вводимый в большом (30 и 50 %) количестве, — сплавы ЦМВЗО и ЦМВ50. Сплав ЦМ10 относится к свариваемым сплавам из-за уменьшения в нем содержания углерода и примесей внедрения.

Хром— Сг, химический элемент YI группы периодической сис­темы элементов, атомный номер 24, атомная масса 51,996. Твердый металл серо-стального цвета; плотность 7190 кг/ 3 , t_пл = 1903°С. На воздухе не окисляется. Хром — обязательный компонент нержавею­щих, кислотоупорных, жаростойких сталей и большого числа других сплавов (нихромы, хромали, стеллит). Применяется для хромирования.

Сплавы хрома, как и чистый хром, обладают очень высокой стойкостью к окислению, вплоть до 1000—1100°С. Хром в этих спла­вах легируется W, V, Ni, Ti, Y (сплавы ВХ-1И, ВХ-2, ВХ-4), а также Hf, Mo, Zr, Та. Сплавы хрома, кроме высоколегированного сплава ВХ-4, малопластичные, но обеспечивают высокие значения длитель­ной прочности.

Вольфрам — W, химический элемент VI группы периодической темы элементов, атомный номер 74, атомная масса 183,85. Светло-­серый, очень тяжелый (плотность 19300 кг/м 3 ) металл, наиболее ту­гоплавкий (t_пл = 3410°C) из металлов. Важные свойства вольфрама: высокая электронная эмиссия при накаливании металла и большая мощность излучаемой поверх­ностью металла энергии при высоких температурах. На воздухе при обычной температуре он устойчив. К недостаткам вольфрама следует отнести высокую склонность к хладноломкости и малое сопротивле­ние окислению даже при не слишком высоких температурах.

В промышленном масштабе применяют в основном нелегиро­ванный вольфрам, а число промышленных и полупромышленных сплавов на его основе весьма ограничено.

Сплавы на основе вольфрама могут быть легированы Nb, Та, Мо, Zr, Hf, Re, Сu др. Различают однофазные сплавы вольфрама – твердые растворы и гетерофазные, упрочненные дисперсионными частицами карбидов, боридов и оксидов. К однофазным сплавам от­носятся сплавы систем W — Nb и W — Мо, к группе гетерофазных — системы W — Та — С (сплав ТСВ).

Главная область применения вольфрама — производство сталей (око­ло 85 %). Он входит в состав жаропрочных сверхтвердых сталей (инстру­ментальные, быстрорежущие) и сплавов (победит, стеллит и др.). Чистый вольфрам используется в электротехнике (нити ламп накаливания) и ра­диоэлектронике (катоды и аноды электронных приборов), для спиральных нагревателей в электрических печах, электродов, различных деталей для высоковакуумных и рентгеновских приборов, при атомно-водородной сварке.

Тугоплавкие металлы и сплавы

Тугоплавкие сплавы на основе вольфрама, молибдена, ниобия

Наряду с аустенитными сталями и никелевыми сплавами в настоящее время в качестве жаропрочных материалов получают распространение тугоплавкие металлы.

Для получения жаропрочности, превышающей жаропрочность стандартных никелевых сплавов, нельзя не обратить внимание на такие тугоплавкие металлы, как ниобий, молибден, тантал, рений и вольфрам.

Молибден весьма перспективен в качестве основы для новых жаропрочных сплавов.

Однако в настоящее время его широкому внедрению препятствует малая жаростойкость.

Рений пока очень дефицитен и дорог. Вольфрам привлекает внимание своей исключительно высокой температурой плавления, но он также мало жаростоек. Мо и W имеют малую жаростойкость ввиду летучести их окислов.

Ниобий в качестве нового жаропрочного и жаростойкого материала весьма перспективен. Он обладает малой плотностью, высокой температурой плавления и рекристаллизации и устойчивыми длительной прочностью и сопротивлением ползучести. Жаростойкость ниобия может быть увеличена легированием. Молибден и вольфрам защищаются либо поверхностной химико-термической обработкой, либо плакированием высокожаростойкими сплавами. При химико-термической обработке в результате диффузионного насыщения кремнием происходит образование дисилицида молибдена и вольфрама, отличающихся высокими защитными свойствами. Однако наружный защитный слой очень хрупок и легко может быть поврежден, в результате чего нарушается его защищающая способность.

Вольфрам, обладая по сравнению с молибденом более высокой жаропрочностью, проигрывает по удельной жаропрочности вследствие примерно вдвое большего удельного веса.

Для повышения жаропрочности молибдена и его сплавов применяется легирование, которое значительно повышает температуру рекристаллизации и измельчает зерно.

Рис. 4. Зависимость скорости окисления от температуры

Длительная прочность молибденовых сплавов является значительно более высокой, чем у наилучших серийных сплавов на никелевой основе.

Сопротивление термической усталости при циклических нагревах и охлаждениях молибдена и его сплавов удовлетворительное, что объясняется малыми температурными деформациями вследствие небольшого коэффициента линейного расширения и хорошей теплопроводности при высоких характеристиках прочности. Высокую жаропрочность молибден и его сплавы имеют только в вакууме или при хорошей защите от окисления. Окислы молибдена Мо02 и Мо03 неспособны защищать металл от окисления, так как процесс протекает с превращением Мо02 в МоОз и улетучиванием последнего. Уже при 800° Мо03, едва успев образоваться, полностью улетучивается. При температуре около 1000 °С скорость окисления молибдена составляет около 1 мм/час, что примерно в 3000 раз превышает скорость окисления нержавеющей хромоникелевой стали.

Защита дисилицидом MoSi2 позволяет молибдену выдерживать нагрев до 1400 °С в окислительной атмосфере в течение сотен часов.

При изыскании новых жаростойких и жаропрочных материалов внимание исследователей направлено не только в сторону тугоплавких металлов. В последнее время все большее внимание обращается на неметаллические материалы в чистом виде (керамику) или с добавлением металлов (керметы).

Неметаллические материалы (керамика) включают окислы, карбиды, бориды, нитриды, силициды. Они имеют малую плотность, достаточную прочность, в особенности на сжатие, высокие жаропрочность и жаростойкость.

Так, например, А1203, ВеО и Zr02 имеют температуры плавления соответственно 2050, 2570 и 2700 °С, не реагируют с горячими агрессивными газами и обладают высокой прочностью на сжатие. Плотность их составляет соответственно 3,9; 3,02; 549 г/см 3 . Однако эти материалы имеют малую прочность при растяжении, плохую теплопроводность и высокую чувствительность к термическому удару, абсолютную хрупкость и чувствительность к концентрации напряжений.

Карбиды тугоплавких металлов обладают высокими температурами плавления, высокой прочностью, имеют лучшую, чем окислы, теплопроводность и большую стойкость против термического удара. Однако они мало жаростойки и склонны окисляться при температурах порядка 800° (карбиды вольфрама и молибдена) и 1000 °С (карбиды тантала и карбиды кремния).

Бориды способны противостоять окислению вплоть до 1300 °С, силициды до 1100 °С, a MoSi2 даже до 1700 °С. Однако высокая хрупкость присуща и этим материалам.

Керметами называются материалы, в которых металлическая составляющая обычно располагается между неметаллическими частицами, занимающими основной объем.

Хорошо изучены керметы на базе TiC с добавкой Со или Ni. TiC обладает малой плотностью, малым коэффициентом линейного расширения и хорошей теплопроводностью, но недостаточной жаростойкостью (до 800 °С). Добавление карбидов Та и Nb позволяет получить более плотную и крепко сцепляющуюся с поверхностью окисную пленку. Сплав 80% TiC с 20% Со при наличии этих добавок уменьшает глубину окисления за 100 час с 0,75 до 0,025 мм.

Значительное внимание уделяется керметам на базе тугоплавких окислов с добавлением Fe или Сг. Железные керметы удовлетворительно работают до 1000 °С, керметы Сг-А1203 работают вполне удовлетворительно при температуре 1500 °С в течение 1000 час.

Оптимальную жаропрочность имеют сплавы 70-80% А1203 и 30-20% Сг.

Недостатком керметов являются: малая пластичность и ударная вязкость, иногда малая сопротивляемость термическому удару.

В промышленности используются керметы на основе карбида титана, содержащие добавки хрома для повышения жаростойкости и пригодные для изготовления лопаток турбины с рабочей температурой до 1000 °С и материалы из глинозема и хрома, имеющие рабочие температуры до 1200 °С и применяемые для чехлов термопар и для тиглей.

Керметы и жароупорные материалы (графит и керамика) могут применяться для фрикционного нагружения, так как металлическая фаза керметов теплопроводна, а керамическая хорошо сопротивляется износу. Для регулирования силы трения целесообразна добавка графита.

Керметы применяются для защиты металлических материалов от окисления. При этом алюминиевые сплавы, защищенные керметами, стойки против окисления при температурах до 650 °С, низколегированные стали до 875 °С, нержавеющие стали до 1050 °С, высоколегированные и жаропрочные материалы – при температуре свыше 1100 °С. Толщина покрытий равна 0,0125-0,025 мм, а вес их менее 100 г на 1 м 2 .

Высокой жаростойкостью отличается материал боразон, получаемый из обычного нитрида бора BN путем нагрева до 1700 °С и воздействия высокого давления 70000 атм. Он обладает твердостью, сравнимой с твердостью алмаза.

Материал БС1, содержащий 80% TiB2 и 20% СгВ2 имеет плотность 4,5 г/см 3 , предел длительной прочности при изгибе за 100 часов при 1200 °С 20 кг/мм 2 , модуль упругости при растяжении 32800 кг/мм 2 . Он рекомендуется для сопловых лопаток газовых турбин, работающих при температуре до 1200 °С в 6 течении 100 час. Кратковременно (в течении 5 мин) сплав может выдерживать температуру до 3000 °С.

Тугоплавкие металлы – характеристики, свойства и применение

Еще с конца 19 века были известны тугоплавкие металлы. Тогда им не нашлось применения. Единственная отрасль, где их использовали, была электротехника и то в очень ограниченных количествах. Но все резко поменялось с развитием сверхзвуковой авиации и ракетной техники в 50-е года прошлого столетия. Производству потребовались новые материалы, способные выдерживать значительные нагрузки в условиях температур свыше 1000 ºC.

Список и характеристики тугоплавких металлов

Тугоплавкость характеризуется повышенным значением температуры перехода из твердого состояния в жидкую фазу. Металлы, плавление которых осуществляется при 1875 ºC и выше, относят к группе тугоплавких металлов. По порядку возрастания температуры плавки сюда входят следующие их виды:

Современное производство по количеству месторождений и уровню добычи удовлетворяют только вольфрам, молибден, ванадий и хром. Рутений, иридий, родий и осмий встречаются в естественных условиях довольно редко. Их годовое производство не превышает 1,6 тонны.

Жаропрочные металлы обладают следующими основными недостатками:

• Повышенная хладноломкость. Особенно она выражена у вольфрама, молибдена и хрома. Температура перехода у металла от вязкого состояния к хрупкому чуть выше 100 ºC, что создает неудобства при их обработке давлением.
• Неустойчивость к окислению. Из-за этого при температуре свыше 1000 ºC тугоплавкие металлы применяются только с предварительным нанесением на их поверхность гальванических покрытий. Хром наиболее устойчив к процессам окисления, но как тугоплавкий металл он имеет самую низкую температуру плавления.

К наиболее перспективным тугоплавким металлам относят ниобий и молибден. Это связано с их распространённостью в природе, а, следовательно, и низкой стоимостью в сравнении с другими элементами данной группы.

Помимо этого, ниобий зарекомендовал себя как металл с относительно низкой плотностью, повышенной технологичностью и довольно высокой тугоплавкостью. Молибден ценен, в первую очередь, своей удельной прочностью и жаростойкостью.

Самый тугоплавкий металл встречаемый в природе – вольфрам. Его механические характеристики не падают при температуре окружающей среды свыше 1800 ºC. Но перечисленные выше недостатки плюс повышенная плотность ограничивают его область использования в производстве. Как чистый металл он применяется все реже и реже. Зато увеличивается ценность вольфрама как легирующего компонента.

Физико-механические свойства

Металлы с высокой температурой плавления (тугоплавкие) являются переходными элементами. Согласно таблице Менделеева выделяют 2 их разновидности:

• Подгруппа 5A – тантал, ванадий и ниобий.
• Подгруппа 6A – вольфрам, хром и молибден.

Наименьшей плотностью обладает ванадий – 6100 кгм3, наибольшей вольфрам – 19300 кгм3. Удельный вес остальных металлов находится в рамках этих значений. Эти металлы отличаются малым коэффициентом линейного расширения, пониженной упругостью и теплопроводностью.

Данные металлы плохо проводят электрический ток, но обладает таким качеством как сверхпроводимость. Температура сверхпроводящего режима составляет 0,05-9 К исходя из вида металла.

Абсолютно все тугоплавкие металлы отличаются повышенной пластичностью в комнатных условиях. Вольфрам и молибден помимо этого выделяются на фоне остальных металлов более высокой жаропрочностью.

Коррозионная стойкость

Жаропрочным металлам свойственна высокая стойкость к большинству видов агрессивных сред. Сопротивление коррозии элементов 5A подгрупп увеличивается от ванадия к танталу. Как пример, при 25 ºC ванадий растворяется в царской водке, между тем как ниобий полностью инертен по отношению к данной кислоте.

Тантал, ванадий и ниобий отличаются устойчивостью к воздействию расплавленных щелочных металлов. При условии отсутствия в их составе кислорода, которые значительно усиливает интенсивность протекания химической реакции.

Молибден, хром и вольфрам имеют большую сопротивляемость к коррозии. Так азотная кислота, которая активно растворяет ванадий, значительно менее воздействует на молибден. При температуре 20 ºC данная реакция вообще полностью останавливается.

Все тугоплавкие металлы охотно вступают в химическую связь с газами. Поглощение водорода из окружающей среды ниобием осуществляется при 250 ºC. Тантал при 500 ºC. Единственный способ остановить эти процессы – проведение вакуумного отжига при 1000 ºC. Стоит заметить, что вольфрам, хром и молибден куда менее склонны к взаимодействию с газами.

Как уже было сказано ранее, лишь хром отличается сопротивляемостью к окислению. Данное свойство обусловлено его способностью образовывать твердую пленку оксида хрома на своей поверхности. Растворение кислорода хромом происходит только при 700 С. У остальных тугоплавких металлов процессы окисления начинаются ориентировочно при 550 ºC.

Хладноломкость

Распространению использования жаропрочных металлов в производстве мешает обладание ими повышенной склонности к хладноломкости. Это означает, что при падении температуры ниже определенного уровня происходит резкое возрастание хрупкости металла. Для ванадия такой температурой служит отметка в -195 ºC, для ниобия -120 ºC, а вольфрама +330 ºC.

Наличие хладноломкости жаропрочными металлами обусловлено содержанием примесями в их составе. Молибден особой чистоты (99,995%) сохраняет повышенные пластические свойства вплоть до температуры жидкого азота. Но внедрение всего 0,1% кислорода сдвигает точку хладноломкости к -20 С.

Области применения

До середины 40-х годов тугоплавкие металлы использовались только как легирующие элементы для улучшения механических характеристик стальных цветных сплавов на основе меди и никеля в электропромышленности. Соединения молибдена и вольфрама применялись также в производстве твердых сплавов.

Техническая революция, связанная с активным развитием авиации, ядерной промышленности и ракетостроения, нашла новые способы использования тугоплавких металлов. Вот неполный перечень новых сфер применения:

• Производство тепловых экранов головного узла и каркасов ракет.
• Конструкционный материал для сверхзвуковых самолётов.
• Ниобий служит материалом сотовой панели космических кораблей. А в ракетостроении его используют в качестве теплообменников.
• Узлы термореактивного и ракетного двигателя: сопла, хвостовые юбки, лопатки турбин, заслонки форсунок.
• Ванадий является основой для изготовления тонкостенных трубок тепловыделяющих элементов термоядерного реактора в ядерной промышленности.
• Вольфрам применяется как нить накаливания электроламп.
• Молибден все шире и шире используется в производстве электродов, применяемых для плавки стекла. Помимо этого, молибден – металл, используемый для производства форм литья под давлением.
• Производство инструмента для горячей обработки деталей.

Оцените статью:

Тугоплавкие металлы — описание, изделия из тугоплавких Ме

Определение «тугоплавкие металлы» не требует дополнительных пояснений в силу исчерпывающей информативности самого термина. Единственным нюансом остается пороговая температура плавления, после которой вещество можно считать тугоплавким.

Разногласия в критическом параметре

Одни источники устанавливают пороговую величину как 4000 F. В переводе на привычную шкалу это дает 2204 0 С. Согласно этому критерию, к жаропрочным относятся только пять элементов: вольфрам, ниобий, рений, тантал и молибден. Например, температура плавления вольфрама составляет 3422 0 С.

Видео — плавка вольфрама водородной горелкой

Другое утверждение позволяет расширить класс температуростойких материалов, поскольку принимает за точку отсчета температуру плавления железа – 1539 0 С. Это позволяет увеличить список еще на девять элементов, включив в него титан, ванадий, хром, иридий, цирконий, гафний, родий, рутений и осмий.

Существует еще несколько пороговых величин температуры, однако они не получили широкого распространения.

Сравнительная таблица степени тугоплавкости чистых металлов

Следует отметить, что тугоплавкие материалы не ограничиваются исключительно металлами. К этой категории относится ряд соединений – сплавы и легированные металлы, разработанных, чтобы улучшить определенные характеристики исходного материала. Относительно чистых элементов, можно привести наглядную таблицу степени их температурной устойчивости. Возглавляет ее самый тугоплавкий металл, известный на сегодня, – вольфрам с температурой плавления 3422 0 С. Такая осторожная формулировка связана с попытками выделить металлы, обладающие порогом расплава, превосходящим вольфрам. Поэтому вопрос, какой металл самый тугоплавкий, может в будущем получить совсем иное определение.

Пороговые величины остальных соединений приведены ниже:

Остается добавить еще один интересный факт, касающийся физических свойств жапропрочных элементов. Температура плавления некоторых из них чувствительная к чистоте материала. Ярким примером этому выступает хром, температура плавления которого может варьироваться от 1513 до 1920 0 С, в зависимости от химического состава примесей. Поэтому, данные интернет пространства часто разнятся точными цифрами, однако качественная составляющая от этого не страдает.

Хром в чистом виде

Общие свойства жаропрочных материалов

Относительная схожесть физико-химических характеристик данных элементов, обусловлена общностью атомного строения и тем, что они оказываются переходными металлами. Напротив, различия в свойствах, связаны с их принадлежностью к широкому спектру групп Периодической таблицы: IV – VII.

Базовая общая характеристика тугоплавких материалов – прочные межатомные связи. Для их разрыва требуется высокая энергия, которая и обуславливает температуру плавления в тысячи градусов по Цельсию. Дополнительно, данное свойство сказывается на высоких значениях таких параметров тугоплавких металлов, как: твердость, механическая прочность, электрическое сопротивление.

Следующая характеристика, объединяющая данные элементы, – высокая химическая активность. Она связана с общей тенденцией тугоплавких металлов образовывать химические связи посредством свободной p- и частично заполненной d-орбитали, отдавая электроны с наружных уровней s и d. Это свойство затрудняет получение чистых тугоплавких металлов, разбивая технологическое производство на несколько этапов.

Строение жаропрочных элементов также идентично, все они характеризуются объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой. Для этой структуры характерно «охрупчивание». Исключение составляет рений, обладающий гексагональной ячейкой. Переход в хрупкое состояние для каждого металла происходит при определенной температуре, регулирование которой достигается при помощи легирования.

Каждый тугоплавкий металл, по определению жаропрочный, однако не любой из них жаростойкий. Большинство тугоплавких металлов устойчивы к окислению и действию агрессивных сред: кислоты, щелочи; в обычных условиях. Однако, с повышением температуры до 400 0 С их активность аномально возрастает. Это требует создания определенных условий эксплуатации. Поэтому, изделия из тугоплавких металлов, при повышенных температурах использования, часто помещают в атмосферу инертных газов или добиваются степени разреженности воздуха до условий вакуума.

Получение тугоплавких материалов

Как отмечалось ранее, основной препятствующий фактор производству жаропрочных металлов их высокая химическая активность, препятствующая выделению элементов в чистом виде.

Основной технологией получения остается порошковая металлургия. Данная методика позволяет получать порошки тугоплавких металлов различными способами:

1. Восстановление триоксидом водорода. Процесс производится в несколько этапов, внутри многотрубных печей при 750 – 950 °С. Технология применима под порошки тугоплавких металлов: вольфрам и молибден.
2. Восстановлением водородом перрената. Схема реализуется в производстве металлического рения. Рабочие температуры составляют около 500 °С. Заключительная стадия предусматривает отмывание порошка от щелочи. Для этого последовательно используется горячая вода и раствор соляной кислоты.
3. Использование солей металлов. Технология развита для выделения молибдена. Основным сырьем выступает аммонийная соль металла и его металлический порошок, вводимый в смесь на уровне 5 — 15% от массы. Состав проходит термическую обработку 500 – 850 °С в проточном инертном газе. Восстановление металла проходит в атмосфере водорода при температурах 800 – 1000 °С.

Производство тугоплавких металлов — порошковая металлургия

Экскурсия на производство

Способы получения жаропрочных металлов продолжают совершенствоваться, как и химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, что связано с развитием ядерной энергетики, авиастроения, появлением новых моделей ракетных двигателей.

Одно из крупнейших предприятий по производству вольфрама на территории РФ – унечский завод тугоплавких металлов. Этот предприятие относительно молодое, строительство его началось в 2007 году на территории населенного пункта Унеча. Производственный акцент завода направлен на порошки тугоплавких металлов, точнее вольфрама и его карбидов.

В дальнейшем, для получения слитков рассыпчатую массу спекают или сдавливают прессом. Подобным образом порошки тугоплавких металлов обрабатываются для производства жаропрочных изделий.

Применение тугоплавких материалов

Применение чистых жаропрочных металлов имеет приоритеты по ряду направлений:

• сверхзвуковая авиация;

• производство космических кораблей;

• изготовление управляемых снарядов, ракет;

• электронная и вакуумная техника.

Последний пункт затрагивает электроды электровакуумных радиоламп. Например, высокочистый ниобий используется для производства сеток, трубок электронных деталей. Также из него изготавливаются электроды – аноды электровакуумных приборов.

Аналогичное применение свойственно молибдену, вольфраму. Эти металлы в чистом виде используются не только как нити накаливания, но и под электроды радиоламп, крючки, подвески электровакуумного оборудования. Монокристаллы вольфрама, напротив, эксплуатируются как подогреватели электродов, в частности катодов, а также при изготовлении электрических контактов, предохранителей.

Чистые ванадий и ниобий используются в ядерной энергетике, где их них изготовлены трубы атомных реакторов, оболочки тепловыделяющих элементов. Область применения высокочистого тантала – химия (посуда и аппаратура), поскольку металл обладает высокой стойкостью к коррозии.

Отдельно следует рассматривать тугоплавкий припой, поскольку он не включает металлов, имеющих высокие температуры плавления. Например, тугоплавкое олово не содержит порошки тугоплавких металлов. В качестве добавок тут используются медь, серебро, никель или магний.

Тугоплавкие металлы и сплавы востребованы как прокат, так и в других сферах. В частности, применение сплавов обусловлено способностью, модифицировать определенные свойства металла: понизить температуру охрупчивания, улучшить жаропорочные характеристики.

Прокат из тугоплавких металлов достаточно широк по ассортименту и включает:

Термоэлектродная проволока вольфрам-рениевая

Наиболее крупным отечественным производителем данного типа продукции выступает опытный завод тугоплавких металлов и твердых сплавов.