NM / Тема_8

110

8 ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ

Тугоплавкими называют металлы с температурой плавления выше

2200оС, т. е. выше температуры плавления железа, никеля, кобальта и их спла-

вов. К тугоплавким металлам, нашедшим применение в технике, относят ме-

таллы, имеющие следующие температуры плавления, оС: ниобий 2468, молиб-

ден 2610, тантал 2996, вольфрам 3410.

Все перечисленные металлы имеют ОЦК кристаллическую решетку и не претерпевают фазовых превращений. Менее плотноупакованная по сравнению с ГЦК решеткой структура, несмотря на высокую температуру плавления, ха-

рактеризуется сравнительно низким сопротивлением ползучести.

Другим недостатком всех тугоплавких металлов является их низкая жаро-

стойкость и необходимость использования различных покрытий для защиты от окисления при высоких температурах. Для молибденовых и вольфрамовых сплавов применяют термодиффузионные силицидные покрытия.

Кроме того, сплавы на основе молибдена и вольфрама недостаточно тех-

нологичны – они плохо деформируются и свариваются. Сплавы на основе тан-

тала и ниобия не имеют этих недостатков. Применение танталовых сплавов сдерживается высокой стоимостью и дефицитностью металла. В качестве кон-

струкционных материалов в перспективе могут найти применение сплавы на основе ниобия с дополнительным упрочнением твердого раствора вольфрамом и дисперсным упрочнением карбидами типа МеС.

Основная область применения сплавов тугоплавких металлов – элементы конструкций высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов и термоядер-

ных реакторов, в перспективе они могут быть использованы в космических ап-

паратах с ядерными источниками энергии, в электрических термопарных и дру-

гих устройствах. Хорошо известна ведущая роль вольфрама, как материала для нитей накаливания ламп и тантала, как материала для конденсаторов.

Вместе с тем необходимо учитывать, что возможности суперсплавов при-

ближаются к пределу. Поэтому в будущем тугоплавкие металлы могут рас-

111

сматриваться как перспективные материалы для турбин или других воздушно-

реактивных установок при условии, что новые достижения в области металлур-

гических процессов и технологии обработки смогут придать этим материалам необходимые служебные качества.

Сплав ниобия с цирконием (1 % по массе) характеризуется хорошей тех-

нологичностью и малым сечением захвата тепловых нейтронов. Его широко применяют в ядерных системах, которые содержат жидкие металлы и работают при температурах 980 – 1200°С.

Сплав вольфрама с 3 % рения, благодаря высокому электрическому со-

противлению, используется в импульсных лампах-вспышках.

Молибденовый сплав, легированный малыми добавками титана (0,5 %) и

циркония (0,1 %), используют для изготовления литейных стержней и вставок при литье под давлением стали, алюминия, цинка и меди. Применяют его и как инструментальный материал при изотермической штамповке крупных турбин-

ных дисков.

В ряде специальных конструкций используют так называемые псевдо-

сплавы – композиционные материалы, состоящие из взаимно нерастворимых компонентов с разной температурой плавления. Предварительно спеченный из порошка вольфрама пористый каркас пропитывают при температуре 1200 – 1250оС жидкой металлической составляющей композиции – медью или сереб-

ром. Для повышения сопротивления окислению проводят хромирование порис-

тых псевдосплавов.

Свойства псевдосплавов W – Cu и W – Ag можно изменять в широких пределах, варьируя состав композиций (рисунок 8.1). Псевдосплавы имеют луч-

шую тепло- и электропроводность, чем чистый вольфрам. Теплопроводность чистого вольфрама при температуре 1000°С составляет 120 Вт/(м·К), а псевдо-

сплава W – 20% (объемн.) Сu – 135 Вт/(м·К).

Испарение меди при температурах выше 2000 °С мало изменяет различие эксплуатационных свойств чистого вольфрама и псевдосплава. Затраты тепла на испарение меди и пограничный слой, обогащенный медными парами, суще-

112

Рисунок 8.1 – Зависимость механиче- ских свойств псевдосплава W – Cu от концентрации меди

ственно снижают тепловой поток и эрозионное воздействие продуктов сгора-

ния топлива на материал.

Псевдосплавы W – Cu и W – Ag применяют в ракетной технике и элек-

тротехнике. Из них изготавливают сопловые вкладыши ракетных двигателей,

работающих на твердом топливе, и ряд других деталей, эксплуатируемых в ус-

ловиях воздействия мощных тепловых потоков. Плавление и испарение срав-

нительно легкоплавкой меди сопровождается значительным поглощением теп-

ла, предупреждающим перегрев тугоплавкого вольфрамового каркаса. Пока в порах содержится жидкий металл, температура псевдосплава не может под-

няться выше его температуры кипения независимо от величины теплового по-

тока, действующего на материал.

Из псевдосплавов W – Cu и W – Ni – Cu изготавливают контакты для вы-

соковольтных выключателей, работающих в неокислительной среде или масле,

электроды контактных сварочных машин для сварки тугоплавких и цветных металлов, газоохлаждаемые сопла и межэлектродные вставки мощных свароч-

ных, плазмохимических и металлургических плазмотронов. Пористые сопла для сварочных плазмотронов из вольфрам-медных псевдосплавов с пористо-

стью 50 % , содержащих 10 % (объемн.) Сu, при токе 200 А в течение 10 мин работы почти не теряют массу, тогда как масса сопел из одного пористого вольфрама уменьшается на 2,2 %. Повышенная стойкость пористых псевдо-

сплавов связана с образованием на рабочих поверхностях пленки оксида меди,

защищающей вольфрам.

113

Из псевдосплавов W – Ag изготавливают электроконтакты для сварочных машин, световых выключателей, авиационного оборудования, стартеров, виб-

раторов, преобразователей тока. Для работы в вакууме можно использовать са-

мосмазывающиеся подшипники, спеченные из вольфрамового порошка и про-

питанные серебром, золотом, оловом, сплавом Вуда.

Заменителями псевдосплавов W являются псевдосплавы Mo – Cu, Mo – Ag. Из молибденовых псевдосплавов изготавливают контакты бытовых прибо-

ров, реле, дуговые наконечники, вибропреобразователи.