8. Тугоплавкі метали та сплави

8.1. Загальна характеристика тугоплавких металів та сплавів

Традиційно до тугоплавких металів відносять метали, які мають температуру плавлення вищу, ніж у заліза (1539°С), виключаючи з цього ряду метали груп платини та урану і деякі рідкоземельні метали. Тому до групи тугоплавких металів відносять ванадій, вольфрам, гафній, молібден, ніобій, реній, тантал, технецій, титан, хром, цирконій. Усі ці елементи відносяться до металів перехідних груп. Самостійне застосування в прикладному матеріалознавстві в якості конструкційних матеріалів та матеріалів з особливими властивостями (виключаючи з розгляду титан, властивості і застосування якого були наведені раніше) знаходять V, W, Mo, Nb, Ta, Zr. Фізичні властивості цих металів наведені у таблиці 8.1.

Таблиця 8.1 – Фізичні властивості тугоплавких металів

Метал	Густина, г/см3	Температура плавлення, С	Температура кипіння, С	Питомий електроопір, мкОм*см	Тип кристалічної гратки
Ванадій	6.1	1902	3410	19.6	ОЦК
Вольфрам	19.3	3400	5555	5.4	ОЦК
Молібден	10.2	2615	4610	5.7	ОЦК
Ніобій	8.6	2467	4740	16.0	ОЦК
Тантал	16.6	2980	5370	13.5	ОЦК
Цирконій	6.49	1852	4400	44	ГП и ОЦК

Загальними властивостями цих металів є: високі температури плавлення, кипіння і рекристалізації; наявність переважно ОЦК-кристалічної гратки; відсутність поліморфізму (виняток - цирконій, у якого низькотемпературна модифікація має гексагональну щільноупаковану гратку, а високотемпературна - ОЦК-гратку); висока густина і малий коефіцієнт теплового розширення; висока жароміцність; висока стійкість у кислотах; мала розповсюдженість в природі і тому - висока їх вартість (див. табл. 1.2, 1.3).

Тугоплавкі метали характеризуються високими показниками міцністі не тільки при кімнатній, але й при високих температурах (таблиця 8.2). Відповідно, сплави на основі тугоплавких металів мають ще більші показники міцності при високих температурах і високу жароміцність (таблиця 8.3). Однак, пластичні характеристики таких металів, як Mo і W, при кімнатній температурі достатньо низькі і значно зростають при підвищених температурах (див. табл. 8.2).

Таблиця 8.2 – Механічні властивості тугоплавких металів технічної

чистоти (після рекристалізаційного відпалу)

Метал	При 25С			При 1100С 
	в, Н/мм2	0,2, Н/мм2	, %	в, Н/мм2	0,2, Н/мм2	, %
V	200...220	100...115	25	60	30	35...40
Nb	200...350	120...260	25...50	70	57	35...42
Ta	200...400	180	50...70	120	57	43
Mo	800...900	420...450	10...15	175	110	70
W	600...1100	-	0	235	200	52

Примітка:  - для V наведені властивості при 1000С.

Таблиця 8.3 – Механічні властивості деяких сплавів тугоплавких

металів при різних температурах

Основа сплаву	Склад сплаву, % (марка сплаву)	При 25С			При підвищених температурах
		в, Н/мм2	0,2, Н/мм2	, %	Твип., С	в, Н/мм2	t , Н/мм2
Nb	Nb+4,1%Mo+0,7%Zr, 0,08%C (ВН2А) Nb+9,5%Mo+1,5%Zr, 0,3%C (ВН4)	800... 900 810	620 730	4...5 16	1200 1200	240... 260 550	1100 =130 1100 =280
Ta	Ta+10%W	760	520... 710	3,5	1200 2000	300-490 105	1200 =140 1650 =35
Mo	Mo+0,4%Ti, 0,01%C (ВМ1) Mo+1,1%Ti+0,5%Nb, 0,4%C (ВМ3)	800 800... 860	680 -	10 0,3	1200 1200	340 550	1200 =80...90 1300=250...270
W	W+27%Re W+27%Re	1400 -	-	4 -	1500 1600	700 175	1600 =42 -

Примітка: Т_вип. – температура випробувань при розриванні; ^t – границя тривалої міцністі на базі 100 годин при температурі випробувань t.

Нижче наведено специфічні властивості окремих металів і основні галузі їх застосування в техніці.

Ванадій. Стійкий проти окислення до 600С, має відносно невелику густину (табл. 8.1). Сплави ванадію використовуються в авіаційній, ракетній і атомній техніці, а також в хімічній промисловісті завдяки їх високій корозійній стійкості.

Ніобій. Характеризується вдалим поєднанням тугоплавкості, високої міцності, пластичності (таблиці 8.1, 8.2) і малого коефіцієнту захоплення теплових нейтронів. Легування ніобию іншими металами лише незначно підвищує його крихкість, що відокремлює ніобій від інших тугоплавких металів. Недоліком Nb і його сплавів є їх висока окислюваність в повітрі при підвищених температурах. При розробці сплавів на основі ніобію перспективной є система Nb - W - Mo - Zr. Так, сплав Nb з 15% W, 5% Mo і 1% Zr при температурі 1200С має границю міцності 240 Н/мм² і відносне подовження 35%. Сплав РН-6 (Nb+5,3%W+ 5,3 % Mo + 1% Zr), який застосовують для виготовлення штаб, має після деформації і відпалу границю міцності 890 Н/мм². Інформація щодо властивостей деяких інших сплавів ніобію при різних температурах випробувань, а також щодо їх жароміцністі наведена в таблиці 8.3. Захист ніобієвих сплавів від окислення (наприклад, захисним покриттям з дисиліциду молібдена) дозволяє використовувати їх при високих температурах в реактивных турбінах і ракетно-космічній техніці. Завдяки високій пластичністі, жароміцності, гарній зварюваністі і високій температурі плавлення ніобій є перспективною основою для створення жароміцних сплавів. Висока корозійна стійкість і низький коефіцієнт захоплення теплових нейтронів роблять ніобій перспективним конструкційним матеріалом для ядерних реакторів. Ніобій є основою для створення надпровідникових матеріалів: критична температура переходу у надпровідний стан сплавів системи Nb - Zr біля 11 К, а сполуки Nb₃Sn - 20 К.

Цирконій. Він не використовується для виготовлення жароміцних сплавів, оскільки володіє поліморфізмом (температура рівноваги То=865С). Розвинення поліморфного перетворення при нагріванні приводить до знеміцнення металу. На основі цирконію розроблені високоміцні теплостійкі (до 500...700С) конструкційні сплави, які здатні працювати у хімічно активних середовищах і при низьких температурах. Внаслідок малого коефіцієнту захоплення теплових нейтронів і високої корозійної стійкості цирконій і його сплави знаходять використання для виготовлення оболонок елементів, що виділяють тепло, труб охолодження та інших деталей ядерних реакторів. Характерними прикладами сплавів на основі цирконію є циркалой-2 (1,5% Sn), Н1 (1% Nb), Н2,5 (2,5% Nb). Ці сплави при 400°С мають границю міцності при розриві і відносне подовження на рівні: для сплава циркалой-2 – відповідно 70 Н/мм² і 36%, для сплава Н2,5 – відповідно 180 Н/мм² і 38%.

Молібден. Має високі значення модулю пружністі, електропровідністі, теплопровідністі і малий коефіцієнт термічного розширення. Технічний Мо є крихким при кімнатній температурі (внаслідок високого вмісту домішок проникнення), погано зварюється і сильно окислюється при підвищених температурах. Найбільше розповсюдження в державах СНД знайшов жароміцний сплав ЦМ-2А (0,15% Ti, 0,12% Zr), який має при 1200С в =220 Н/мм² и  =18%. Підвищення вмісту легуючих елементів сприяє підвищенню жароміцністі сплавів молібдену (таблиця 8.3). Молібден і його сплави, разом з ніобієм і сплавами на його основі, є найбільш перспективними матеріалами для виготовлення обшивки і деталей каркасу ракет і надзвукових літаків.

Тантал. Володіє високою пластичністю до дуже низьких температур. Для сплавів танталу характерні висока міцність і висока температура рекристалізації (наприклад, 1600С для сплава Ta+20% W). Сплави танталу з вольфрамом, які випускаються промисловістю, мають структуру твердих розчинів і використовуються як жароміцні матеріали (таблиця 8.3). Чистий тантал використовують в электроній техніці для виготовлення пружин, конденсаторів, резисторів та ін. Серед тугоплавких металів тантал є найбільш кислотостійким: він не піддається корозії у киплячій сірчаній кислоті при її концентрації до 80%.

Вольфрам. Володіє виключною тугоплавкістю і високою міцністю (таблиця 8.1, 8.2). Однак мала пластичність і висока окислюваємість при високих температурах ускладнюють розробку і застосування сплавів вольфраму, які є одними з найбільш тугоплавких матеріалів (див. табл. 8.3). В радіоелектроніці і світловій техніці широко використовують нелегований вольфрам, а також вольфрам з добавками TaC і ThO₂, а також сплави системи W - Mo, які виготовляють методами порошкової металургії. Карбід вольфраму використовують для виробництва твердих сплавів для ріжучого та деформуючого инструменту: системи WC-Co, WC-TiC-Co, WC-TiC-TaC-Co та інші.