Тугоплавкие металлы

К тугоплавким относятся металлы с температурой плавления, превышающей 1700 °С. Как правило, они химически устойчивы при низких температурах, но становятся активными при повышенных. Эксплуатация их при высоких температурах может быть обеспечена в атмосфере инертных газов или в вакууме.

В плотном виде эти металлы чаще всего получают методами порошковой металлургии — прессовкой и спеканием порошков. В электронной технике получают распространение методы электровакуумной технологии производства чистых тугоплавких металлов: плавка электронным или лазерным лучом, зон­ная очистка, плазменная обработка и др. Механическая обработка этих материалов трудна и часто требует их подогрева. Основными тугоплавкими металлами являются вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром, ванадий, титан, цирконий и рений.

Все тугоплавкие металлы, за исключением платины, при нагревании на воздухе до высоких температур интенсивно окисляются с образованием летучих соединений. Поэтому их можно применять для изготовления лишь тех нагревательных элементов, которые работают в вакууме или защитной среде. Одной из разновидностей таких нагревателей являются испарители, применяемые в установках для вакуумного осаждения тонких пленок. Преимуществом тугоплавких металлов является ничтожно малое давление насыщенного пара, даже при высоких рабочих температурах. В выполнении этого условия состоит основное требование к материалу испарителя.

Вольфрам — очень тяжелый, твердый металл серого цвета. Из всех металлов вольфрам обладает наиболее высокой температурой плавления. В природе встречается только в виде соединений. Вследствие высокой температуры плавления получение вольфрама в виде компактного слитка сопряжено со значительными трудностями. Исходным сырьем для получения вольфрама служат его собственные минералы — вольфрамит (FeWО₄ 4- MnWO₄) и шеелит (CaWО₄). Конечным продуктом обогащения вольфрамовых руд является чистая трехокись WО₃, из которой восстановлением водородом при нагревании до 900 °С получают металлический вольфрам в виде мелкого порошка. Из этого порошка при давлении до 200 МПа отпрессовывают стержни, которые в дальнейшем подвергают сложной термической обработке в атмосфере водорода (во избежание окисления), ковке и волочению в проволоку диаметром до 0,01 мм, прокатке в листы и т.п.

Характерной особенностью вольфрама, отличающей его от других металлов, является высокая внутрикристаллическая прочность при очень слабом сцеплении между отдельными зернами. Поэтому спеченные изделия, обладающие мелкозернистым строением, хрупки и легко ломаются. В результате механической обработки ковкой и волочением вольфрам приобретает волокнистую структуру и излом его весьма затруднен. Этим объясняется гибкость тонких вольфрамовых нитей.

После рекристаллизации вольфрам становится хрупким. Для замедления рекристаллизации вводят примеси окиси тория, окиси кремния и др.

Вольфрам – важнейший материал электровакуумной техники (используется для изготовления электродов, подогревателей, пружин в электронных лампах). У вольфрама наименьший среди чистых металлов температурный коэффициент линейного расширения, поэтому его используют в спаях со стеклами.

Молибден – близкий к вольфраму металл по внешнему виду и свойствам. В отличии от вольфрама молибден после рекристаллизации остается пластичным, это облегчает его механическую обработку.

Mo окисляется на воздухе при 300 °С, а при 600 °С образуется MoO₃, который испаряется при 700 °С. Поэтому при высоких температурах молибден используется в восстановительных средах или вакууме.

Из всех тугоплавких металлов Mo имеет наименьшее сопротивление. Высокая прочность, пластичность делают Mo хорошим проводниковым материалом для изготовления деталей сложной формы. Из Mo изготавливают различные детали электровакуумных приборов.

Тантал получают методами порошковой металлургии, подобно W и Mo. Ta пластичен при комнатной температуре, поэтому легко механически обрабатывается.

Пленка окисла Та₂О₅ сохраняет стойкость до 1500 °С (ε = 25), используется в производстве конденсаторов.

Из Та делают тонкопленочные резисторы, хотя чаще для этой цели используются пленки Ta₂N (нитрида тантала).

Хром имеет высокую стойкость к окислению, поэтому является материалом защитных покрытий. Обладает хорошей адгезией к любым материалам, используется для изготовления тонкопленочных резисторов и адгезионных подслоев. Входит в состав многих сплавов.

Рений получают методами порошковой металлургии. Он отличается редким сочетанием свойств, удовлетворяющих большинству требований электровакуумной техники. В атмосфере водорода и во влажной среде он испаряется в меньшей степени, чем вольфрам. Рений и его сплавы с вольфрамом применяют в производстве электроламп и электровакуумных приборов взамен вольфрама. Это обеспечивает более длительный срок службы в условиях динамических нагрузок. Рений и его сплавы вместе с вольфрамом позволяют создавать термопары для измерений температур до 2500 — 2800 °С в вакууме, водороде или инертной среде.

В радиоэлектронике рений применяют для защиты от коррозии и износа деталей из меди, серебра, вольфрама, молибдена. Тонкие пленки рения, получаемые путем испарения электронным лучом в высоком вакууме, используются для создания прецизионных резисторов в ин­тегральных схемах.

Сплавы тугоплавких металлов. Помимо чистых тугоплавких метал­лов в электровакуумной технике для арматуры приборов применяют сплавы вольфрама с молибденом, молибдена с рением, вольфраму с рением, а также танталовольфрамовые сплавы. Изменением содержания компонентов удается получать необходимые механические свойства и пластичность при требуемых электрических и термических свойствах изделия. Например, при сплавлении молибдена и вольфрама, образующих непрерывный ряд твердых растворов, несколько снижается тугоплавкость при сохранении твердости и увеличении удельного сопротивления. Сплав вольфрама с небольшими добавками рения характеризуется значительно более высокой температурой рекристаллизации по сравнению с чистым вольфрамом.