Тугоплавкі металів

Тугоплавкими називають метали з температурою плавлення вище 2200оС, т. Е. Вище температури плавлення заліза, нікелю, кобальту і їх сплавів. До тугоплавким металам, що знайшли застосування в техніці, відносять метали, що мають такі температури плавлення, оС: ніобій 2468, молібден 2610, тантал 2996, вольфрам 3410.

Всі перераховані метали мають ОЦК кристалічну решітку і не зазнають фазових перетворень. Менш щільноупакована в порівнянні з ГЦК гратами структура, незважаючи на високу температуру плавлення, характеризується порівняно низьким опором повзучості.

Іншим недоліком всіх тугоплавких металів є їх низька жаростійкість і необхідність використання різних покриттів для захисту від окислення при високих температурах. Для молібденових і вольфрамових сплавів застосовують термодиффузионно силіцидних покриття.

Крім того, сплави на основі молібдену та вольфраму недостатньо технологічні – вони погано деформуються і зварюються. Сплави на основі танталу і ніобію не мають цих недоліків. Застосування танталових сплавів стримується високою вартістю і дефіцитністю металу. В якості конструкційних матеріалів в перспективі можуть знайти застосування сплави на основі ніобію з додатковим зміцненням твердого розчину вольфрамом і дисперсним зміцненням карбидами типу МеС.

Основна область застосування сплавів тугоплавких металів – елементи конструкцій високотемпературних газоохолоджувальні реакторів і термоядерних реакторів, в перспективі вони можуть бути використані в космічних апаратах з ядерними джерелами енергії, в електричних термопарних і інших пристроях. Добре відома ведуча роль вольфраму, як матеріалу для ниток розжарювання ламп і танталу, як матеріалу для конденсаторів.

Разом з тим необхідно враховувати, що можливості суперсплавів наближаються до межі. Тому в майбутньому тугоплавкі метали можуть розглядатися як перспективні матеріали для турбін або інших повітряно-реактивних установок за умови, що нові досягнення в галузі металургійних процесів і технології обробки зможуть надати цим матеріалам необхідні службові якості.

Сплав ніобію з цирконієм (1% по масі) характеризується хорошою технологічністю і малим перетином захоплення теплових нейтронів. Його широко застосовують в ядерних системах, які містять рідкі метали і працюють при температурах 980 – 1200 ° С.

Сплав вольфраму з 3% ренію, завдяки високому електричному со-супротиву, використовується в імпульсних лампах-спалахи.

Молібденовий сплав, легований малими добавками титану (0,5%) і цирконію (0,1%), використовують для виготовлення ливарних стрижнів і вставок при литті під тиском стали, алюмінію, цинку і міді. Застосовують його і як інструментальний матеріал при ізотермічної штампування великих турбінних дисків.

У ряді спеціальних конструкцій використовують так звані псевдосплави – композиційні матеріали, що складаються з взаємно нерозчинних компонентів з різною температурою плавлення. Попередньо спечений із порошку вольфраму пористий каркас просочують при температурі 1200 – 1250оС рідкої металевої складової композиції – міддю або сріблом. Для підвищення опору окисленню проводять хромування пористих псевдосплавів.

Властивості псевдосплавів W – Cu і W – Ag можна змінювати в широких межах, варіюючи склад композицій (рисунок 8.1). Псевдосплави мають кращу тепло- і електропровідність, ніж чистий вольфрам. Теплопровідність чистого вольфраму при температурі 1000 ° С становить 120 Вт / (м • К), а псевдосплавів W – 20% (об’ємні.) Сu – 135 Вт / (м • К).

Залежність механічних властивостей псевдосплавів W – Cu від концентрації міді

Малюнок 8.1 – Залежність механічних властивостей псевдосплавів W – Cu від концентрації міді

Випаровування міді при температурах вище 2000 ° С мало змінює відмінність експлуатаційних властивостей чистого вольфраму і псевдосплавів. Витрати тепла на випаровування міді і прикордонний шар, збагачений мідними парами, істотно знижують тепловий потік і ерозійне вплив продуктів згорить-ня палива на матеріал.

Псевдосплави W – Cu і W – Ag застосовують в ракетній техніці і електро-тротехніке. З них виготовляють соплові вкладиші ракетних двигунів, що працюють на твердому паливі, і ряд інших деталей, що експлуатуються в умовах впливу потужних теплових потоків. Плавлення і випаровування порівняно легкоплавку міді супроводжується значним поглинанням тепла, який попереджає перегрів тугоплавкого вольфраму каркаса. Поки в порах міститься рідкий метал, температура псевдосплавів не може піднятися вище його температури кипіння незалежно від величини теплового потоку, що діє на матеріал.

З псевдосплавів W – Cu і W – Ni – Cu виготовляють контакти для високовольтних вимикачів, що працюють в неокислювального середовищі або маслі, електроди контактних зварювальних машин для зварювання тугоплавких і кольорових металів, газоохолоджувальні сопла і міжелектродні вставки потужних зварювальних, плазмохимических і металургійних плазмотронів. Пористі сопла для зварювальних плазмотронов з вольфрам-мідних псевдосплавів з пористістю 50%, що містять 10% (об’ємні.) Сu, при струмі 200 А протягом 10 хв роботи майже не втрачають масу, тоді як маса сопел з одного пористого вольфраму зменшується на 2, 2%. Підвищена стійкість пористих псевдосплавів пов’язана з утворенням на робочих поверхнях плівки оксиду міді, захищає вольфрам.

З псевдосплавів W – Ag виготовляють електроконтакти для зварювальних машин, світлових вимикачів, авіаційного обладнання, стартерів, вібраторів, перетворювачів струму. Для роботи в вакуумі можна використовувати самозмазуючі підшипники, спечені з вольфрамового порошку і просочені сріблом, золотом, оловом, сплавом Вуда.

Замінниками псевдосплавів W є псевдосплави Mo – Cu, Mo – Ag. З молібденових псевдосплавів виготовляють контакти побутових приладів, реле, дугові наконечники, віброперетворювачі.

Посилання на основну публікацію