2.1.3. Сплавы металлов на основе молибдена и вольфрама

Наряду с тугоплавкими металлами широкое применение в производстве электровакуумных приборов находят сплавы тугоплавких металлов на основе молибдена и вольфрама, вольфрама и рения, вольфрама и никеля. Сплавы МВ50 и МВ20, содержащие соответственно 50 % Мо и 50 % W в первом случае и 80 % Мо и 20 % W во втором, обладают хорошими пластическими свойствами, удовлетворительно свариваются контактной сваркой и находят применение в качестве проволочного материала для подогревателей катодов косвенного накала и сеточных электродов.

Сплавы вольфрама и молибдена с добавкой рения отличаются повышенной прочностью и высокой пластичностью. Физические свойства рения (порядковый номер – 75; атомный вес – 186.2; валентные электроны 5d⁶6s²; температура плавления – 3180 °C) делают весьма перспективным его использование для целей электровакуумного приборостроения. Добавка рения (5…20 %) увеличивает удельное электрическое сопротивление и уменьшает скорость испарения. Данный сплав применяют в качестве что используется при изготовлении прямонакальных проволочных катодов, сеток и подогревателей электровакуумных приборов различных типов.

Вольфрам марок ВТ-7, ВТ-10, ВТ-15, содержащий присадку окиси тория (ThO₂), понижающий скорость рекристаллизации (1350 °C) и препятствующий росту кристаллов в поперечном направлении, применяют для изготовления вибропрочных прямонакальных катодов генераторных ламп. Вольфрамо-рениевые сплавы ВР10-Т2, ВР20-Т2, содержащие до 2 % двуокиси тория, используются для повышения эмиссионных свойств нитей накала.

2.1.4. Тантал

Тантал – химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 73, атомная масса 180.948; металл серого цвета со слегка свинцовым оттенком. В природе находится в виде двух изотопов: стабильного ¹⁸¹Та (99.99 %) и радиоактивного ¹⁸⁰Та (0.012 %; T_½ = 10¹² лет). Из искусственно полученных – радиоактивный ¹⁸²Та (Т_½ = 115.1 сут) используется как радиоактивный индикатор.

Физические свойства. Тантал имеет кубическую объемноцентрированную решетку (а = 3.296 Å); атомный радиус 1.46 Å, ионные радиусы Та²⁺ – 0.88 Å, Та⁵⁺ – 0,66 Å. Температурный коэффициент линейного расширения 8.0·10^–6 (20…1500 °С); удельное электросопротивление при 0 °С – 13.2·10^–8 ом·м, при 2000 °С – 87·10^–8. При 4.38 К тантал становится сверхпроводником. Тантал парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 0.849·10^–6 (18 °С). Чистый тантал – пластичный металл, обрабатывается давлением на холоду без значительного наклепа. Его можно деформировать со степенью обжатия 99 % без промежуточного отжига. Переход тантала из пластичного в хрупкое состояние при охлаждении до – 196 °С не обнаружен. Модуль упругости тантала 190 Гн/м² при 25 °С. Предел прочности при растяжении отожженного тантала высокой чистоты 206 Мн/м² при 27 °С и 190 Мн/м² при 490 °С; относительное удлинение 36 % при 27 °С и 20 % при 490 °С. Твердость по Бринеллю чистого рекристаллизованного тантала 500 Мн/м². Свойства тантала в большой степени зависят от его чистоты. Примеси водорода, азота, кислорода и углерода делают тантал хрупким.

Химические свойства. Конфигурация внешних электронов атома Та 5d³6s². Наиболее характерная степень окисления тантала +5; известны соединения с низшей степенью окисления (например, ТаСl₄, ТаСl₃, ТаCl₂), однако их образование для тантал менее характерно, чем для ниобия.

Т а б л и ц а 2.2

Свойства тантала и ниобия

Параметр	Та (Tantalum)	Nb (Niobium)
Атомный номер	73	41
Атомная масса	180.95	92.906
Валентные электроны	5d36s2	4d45s1
Плотность, кг/м³	16600	8400
Температура плавления, °С	2996	2468
Температура кипения, °С	5300	3300
Максимальная рабочая температура в вакууме, °С	2200	2100
Скорость испарения, г/(см2·с)	1.6·10–7 (2407 °С) 1.5·10–6 (2599 °С)	1.2·10–7 (2194 °С) 1.1·10–6 (2355 °С)
Теплопроводность, Вт/(м·К)	54 (20 °С) 159 (1000 °С)	54 (100 °С)
Удельная теплоемкость, Дж/(кг·К)	142 (100 °С) 159 (1000 °С)	268 (100 °С)
Электроотрицательность	1.5	1.6
Металлический радиус атома, Å	1.46	1.46
1-й ионизационный потенциал, эВ	7.7	6.88
Мощность излучаемой энергии, Вт/см2	0.8 (730 °С) 1.9 (930 °С)	19 (1730 °С)
Работа выхода, эВ	4.1	3.96

В химическом отношении тантал при обычных условиях малоактивен (сходен с ниобием). На воздухе чистый компактный тантал устойчив; окисляться начинает при 280 °С. Имеет лишь один стабильный оксид – (V) Та₂О₅, который существует в двух модификациях: α- форме белого цвета ниже 1320 °С и β- форме серого цвета выше 1320 °С; имеет кислотный характер. С водородом при температуре около 250 °С тантал образует твердый раствор, содержащий до 20 ат.% водорода при 20 °С; при этом тантал становится хрупким; при 800…1200 °С в высоком вакууме водород выделяется из металла и его пластичность восстанавливается. С азотом при температуре около 300 °С образует твердый раствор и нитриды Ta₂N и TaN; в глубоком вакууме выше 2200 °С поглощенный азот вновь выделяется из металла. В системе Та - С при температуре до 2800 °С установлено существование трех фаз: твердого раствора углерода в тантале, низшего карбида Т₂С и высшего карбида ТаС. Тантал реагирует с галогенами при температуре выше 250 °С (с фтором при комнатной температуре), образуя галогениды преимущественно типа ТаХ₃ (где X = F, Cl, Вг, I). При нагревании Та взаимодействует с С, В, Si, Р, Se, Те, водой, СО, СО₂, NO, HCl, H₂S.

Чистый тантал исключительно устойчив к действию многих жидких металлов: Na, К и их сплавов, Li, Pb и других, а также сплавов U - Mg и Pu - Mg. Тантал характеризуется чрезвычайно высокой коррозионной устойчивостью к действию большинства неорганических и органических кислот: азотной, соляной, серной, хлорной и других, царской водки, а также многих других агрессивных сред. Действуют на тантал фтор, фтористый водород, плавиковая кислота и ее смесь с азотной кислотой, растворы и расплавы щелочей. Известны соли танталовых кислот – танталаты общей формулы xMe₂O·yТа₂О₅·H₂O: метатанталаты МеТаО₃, ортотанталаты Ме₃ТаО₄, соли типа Me₅TaO₅, где Me – щелочной металл; в присутствии перекиси водорода образуются также пертанталаты. Наиболее важны танталаты щелочных металлов – КТаО₃ и NaTaO₃; эти соли – сегнетоэлектрики.

Применение. Тантал обладает комплексом ценных свойств – хорошей пластичностью, прочностью, свариваемостью, коррозионной устойчивостью при умеренных температурах, тугоплавкостью, низким давлением пара, высоким коэффициентом теплопередачи, небольшой работой выхода электронов, способностью образовывать анодную пленку (Та₂О₅) с особыми диэлектрическими характеристиками и "уживаться" с живой тканью организма.

Благодаря этим свойствам тантал находит применение в электронике, химические машиностроении, ядерной энергетике, в металлургии (производство жаропрочных сплавов, нержавеющих сталей), в медицине. Карбид тантала применяют в производстве твердых сплавов. Из чистого тантала изготовляют конденсаторы, пленочные поверхностные резисторы, детали электронных ламп, коррозионноустойчивую аппаратуру для химические промышленности, фильеры в производстве искусственного волокна, лабораторную посуду, тигли для плавки металлов (например, редкоземельных) и сплавов, нагреватели высокотемпературных печей; теплообменники для ядерно-энергетических систем. В хирургии листы, фольгу и проволоку из тантала применяют для скрепления костей, нервов, наложения швов и др. Применение находят танталовые сплавы и соединения.