Сплавы тугоплавких металлов Сплавы тугоплавких металлов

К тугоплавким металлам, имеющим температуру плавления свыше 1600 °С, относятся 11 элементов, но наибольшее практическое применение в качестве конструкционных материалов нашли шесть: ванадий, хром, ниобий, молибден, вольфрам и тантал. Основные физические свойства этих металлов приведены в табл. 61.

Таблица 61

Некоторые физические и механические свойства тугоплавких металлов при 20 °С

Свойство        V         Cr        Nb       Mo       Ta        W

 

Атомный номер

23

24

41

42

73

74

Атомная масса

50,942

51,996

92,906

95,940

180,95

183,85

Атомный диаметр, нм

0,263

0,250

0,286

0,272

0,286

0,274

ρ , г/см3

6,10

7,15

8,60

10,2

16,60

19,30

tпл, °С

1900

1875

2460

2620

2980

3400

tкип, °С

3350

2500

480

4600

5400

5500

с, Дж/(г·К)

0,499

0,460

0,272

0,256

0,142

0,147

λ, Вт/(м К

37

90

54

142

55

154,5

α ×10–6, 1/К

8,3

5,9

7,1

5,1

6,6

 

 

Металлы высокой чистоты

σв, Мпа

200

250

200

420

480

500–600

δ, %

40

60

50

44

42

13,5

 

Металлы промышленной чистоты

σв , Мпа

260–450

300–450

380–500

500–900

800–900

800–1100

δ, %

40–25

50–20

40–30

0

15–10

0

Металл

ы промышленной чистоты (при 1100 °С)

σв, Мпа

50

77

119

70

176

239

Тугоплавкие металлы обладают хорошей коррозионной стойкостью в целом ряде высокоагрессивных сред, например, кипящих ки

слотах (HCl, H2SO4,H3PO4), различных органических и неорганических веществах (кроме щелочей и фторидов).

Тугоплавкие металлы высокой чистоты отличаются большой пластичностью при комнатной температуре. Металлы технической чистоты отличаются высокой прочностью, но существенно различаются по пластичности. Если у металлов VA группы периодической системы (V, Nb, Ta) пластичность достаточно велика, то у элементов VIAгруппы (Cr, W, Mo) она практически равна нулю.

При повышении температуры тугоплавкие металлы активно взаимодействуют с кислородом и другими газами. Они способны растворять водород, кислород, азот и углерод. Растворимость этих элементов с понижением температуры уменьшается, а в хроме, молибдене и вольфраме при температурах ниже 1000 °С ничтожно мала. Углерод, азот и другие элементы при понижении температуры, выделяясь из раствора, образуют карбиды, нитриды и другие хрупкие соединения, отрицательно влияющие на пластичность. В металлах VA группы растворимость элементов внедрения (С, Н, О, N) при низких температурах на 2–3 порядка выше. Они остаются в твердом растворе и мало влияют на пластичность. У всех тугоплавких металлов технической чистоты наблюдается явление хладноломкости (переход из вязкого в хрупкое состояние). У ванадия, ниобия и тантала хладноломкость наступает при температурах ниже комнатной, у хрома и молибдена при 100–200 °С, а у вольфрама около 300 °С.

Прочность тугоплавких металлов сохраняется при температурах свыше 1000 °С. Однако чистые металлы (кроме хрома) подвержены высокотемпературному окислению и газовой коррозии, т.е. имеют низкую жаростойкость и без защитных металлических, интерметаллидных и керамических покрытий при высоких температурах работать не могут.

Mо и W в чистом виде используют в радиои электронной промышленности (нити накаливания, листовые аноды, сетки, пружины катодов и пр.), в химическом машиностроении и т.д.

Более эффективным является использование жаропрочных сплавов на основе тугоплавких металлов. В результате дисперсионного упрочнения путем образования карбидов ZrC, TiC, (Ti, Zr)C рабочие температуры для сплавов на основе ниобия и молибдена достигают 1300–1450 °С, а для сплавов на основе тантала – 2000 °С. Наиболее жаропрочными являются сплавы на основе вольфрама. Они выдерживают длительные нагрузки при температурах до 2200 °С, а кратковременные – до 2750 °С. Хром, ванадий и их сплавы по своим свойствам и уровню рабочих температур не превосходят жаропрочные никелевые сплавы.

Наибольшее применение в промышленности пока нашли сплавы на основе ниобия и молибдена. Составы сплавов приведены в табл. 62, а механические свойства при комнатной и повышенных температурах – в табл. 63.

 

 

 

 

 

Таблица 62

Химический состав сплавов на основе тугоплавких металлов

Марка сплава

Сост

ав, мас. % C

 

W             Mo              Zr

Nb            Другие

Сплавы на основе ниобия

ВН2 ВН2А ВН3 ВН4 ВН6 5ВМц

– 4,5–6,0 4,5–5,5

3,8–5,2 3,8–4,7 4,0–5,2 8,5–10,5 4,5–6,0 1,7–2,3

– 0,5–0,9 0,8–2,0 1,0–2,0

1,0 0,7–1,0

0,05

0,08

0,08–0,16

Ост. Ост. Ост. Ост. Ост. Ост.

– – – 0,01–0,05 Ti – –

             

Сплавы на основе молибдена

ТСМ3

Ост.

0,06–0,10

0,03–0,10N

ЦМ5

Ост.

0,4–0,6

0,04–0,07

ЦМ2А

Ост.

0,07–0,15

0,004

ВМ1

Ост.

0,08–0,25

0,01

ВМ3

Ост.

0,30–0,60

0,25–0,50

1,0–1,8

МР47

Ост.

47,0 Re

Таблица 63

Механические свойства сплавов на основе тугоплавких металлов

Марка сплава    I      σв , МПа (20 °С/1200 °С)      I            δ, % (20 °С/1200 °С)

 

ВН2

850/180–200

ВН2А

850/300

ВН3

780/250

18/–

ВН4

810/250

16/–

ВН6

890/–

–/–

5ВМц

450/–

30/–

ТСМ3

930/–

4/–

ЦМ5

775/500

11,5/6,0

ЦМ2А

800/300

25,0/18,0

ВМ1

800/340

10,0/17,0

ВМ3

830/500

0/9,0

МР47

1780/–

Интерес к тугоплавким металлам и сплавам на их основе резко возрос в связи со строительством ракет, космических кораблей, ядерных реакторов и развитием энергетических установок, отдельные детали и узлы которых работают при температуре до 1500–2000°С.

Ниобий – светлосерый не слишком тяжелый металл, обладающий высокой химической устойчивостью. Из кислот на него действует только плавиковая. При нагревании до 200 °С он может взаимодействовать с фтором, хлором, водородом и азотом, но уже при 150 °С на поверхности образуется оксидная защитная пленка Nb2O5. Содержание ниобия в земной коре довольно велико: 0,002 %. Его производство затрудняется сложностью отделения от тантала.

Вследствие малого поперечного сечения захвата нейтронов и отсутствия взаимодействия с расплавленными щелочными металлами чистый Nb применяют для изготовления теплообменников ядерных реакторов. Большое количество ниобия расходуется на легирование сталей и цветных сплавов.

Сплавы на основе ниобия используют как конструкционные жаропрочные материалы в термоядерной технике, авиационной и космической промышленности. Они хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Детали из ниобиевых сплавов могут эксплуатироваться при температурах от – 200 до 1200–1300 °С.

Некоторые интерметаллические соединения ниобия приобретают свойство сверхпроводимости.

Молибден – серебристобелый сравнительно редкий металл (1,1 × 10–4 % в земной коре). Больше всего молибдена расходуется на легирование железоуглеродистых сплавов. Из чистого молибдена изготовляют детали электронных ламп и ламп накаливания – аноды, сетки, катоды, держатели нитей накала и вводы.

Сплавы на основе молибдена применяют для изготовления прессформ, для контуров ядерных реакторов, электродов эрозионноискровых аппаратов, нагревателей, деталей в судостроительной промышленности. Недостатками молибдена и его сплавов являются повышенная окисляемость при температурах выше 500 °С и низкая пластичность при нормальных температурах.

  • Читать все новости