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/м³, 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/м³, 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/м³) 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.