главная страница    словари    ГОСТЫ И ТУ    свойства металлов    производители металлов   

медь  бронза  латунь  алюминий  титан  никель  кобальт  цинк  магний  олово  свинец  медно-никелевые сплавы  вольфрам   молибден   ниобий   тантал

iv>

К тугоплавким металлам обычно относят вольфрам, молибден, тантал и ниобий.

блее 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.

В

Вольфрам является одним из важнейших промышленных металлов.

Он широко применяется в чистом виде и в виде сплавов с другими метла, 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 3410С), 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. еханические свойства плавленого вольфрама при комнатной и высоких температурах  

Состояние материала

Температура, оС

Е, кГ/мм2

σb/ 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 400С), 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 транскрсталлзации и измельчения зерна в слитках было предложено перед кристаллизацией вводить в расплав тугоплавкие частицы структурно подобных простых и сложных карбидов циркон, 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 хркое состояние (рис. 2) и улучшает его технологические свойства (штампуемость, свариваемость и т. д.).

Кроме этого, рений на 200-400С (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 0,10,2%) 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.

.