Общие свойства тугоплавких металлов

ВОЛЬФРАМ.
Среди тугоплавких металлов вольфрам имеет самые высокие значения температуры плавления, модуля упругости и коэффициента теплопроводности.
Основной способ получения вольфрама в компактном виде — сварка штабиков, сформированных из порошков (высокотемпературное спекание). Плавка вольфрама осуществляется в электродуговой и электроннолучевой печах в вакууме. Кроме того, вольфрам получают различными методами в виде монокристаллов. Вольфрам деформируется прессованием, ковкой, выдавливанием, прокаткой, волочением. Характер и степень обработки давлением поликристаллического вольфрама существенно влияют на его механические свойства. Горячую обработку вольфрама и его сплавов проводят при 1200—2000 °С, повторную деформацию — при 1200—1400°С. Температура конца деформации не должна быть ниже 600—800 °С. Нагрев под деформацию и промежуточные отжиги проводимость вольфрама значительно увеличивается. Так как вольфрам и его сплавы вследствие высокой теплопроводности обладают способностью быстро охлаждаться, их деформируют с минимальным количеством переходов — прессованием в контейнерах, штамповкой в закрытых штампах и на быстроходных машинах.
Пластической деформацией из вольфрама изготавливают прутки, листы, трубки, проволоку, фольгу, профиль. Вольфрам и его сплавы сравнительно устойчивы в различных газовых средах, кислотах и некоторых расплавленных металлах (натрий, галий, ртуть, висмут).
В целях повышения температуры рекристаллизации и улучшения эксплуатационных свойств изготавливают сплавы вольфрама с рением, окисью тория, окисью кремния, лантаном и другими добавками (сплавы BP, ВТ, ВА, ВЛ и пр.).
Вольфраморениевые сплавы, кроме того, обладают повышенной пластичностью и более низкой температурой перехода из пластичного в хрупкое состояние.
Вольфрам широко применяется в электроламповой, радиотехнической и электровакуумной промышленности (нити накаливания, катоды, нагреватели и экраны печей и другие детали).
МОЛИБДЕН.
Деформацию, термообработку я сварку молибдена следует проводить в вакууме, водороде или нейтральной среде. Первичная деформация литого металла рекомендуется при 1500—1600°С. Дальнейший передел заготовок из плавленого' металла не отличается от технологии передела спеченного металла и выполняется любым методом (ковкой, волочением, прокаткой, прессованием). Во всех случаях передела пластичность получаемых полуфабрикатов зависит от степени чистоты исходного металла и предохранения его от насыщения кислородом и азотом при деформации.
Термообработка молибдена состоит из отжига для снятия напряжений (900— 950°С) и рекристаллизационного отжига при 1200—2000°С.
Чистый рекристаллизованный молибден, изготовленный выплавкой или спеканием в вакууме, пластичен при комнатной температуре. Однако при недостаточной степени чистоты исходного молибдена или атмосферы печи при отжиге после полной рекристаллизации металла температура перехода его в хрупкое состояние может повышаться и резко снижается пластичность при комнатной температуре.
Высадку, гибку, отбортовку, глубокую вытяжку молибденовых листов толщиной менее 0,5 мм можно проводить при комнатной температуре, но лучшие результаты получаются при подогреве листа и инструмента. Заготовки толщиной более 0,5 мм штампуют при 200—700°С. Кратковременный нагрев до 300—400°С можно проводить на воздухе и в масляной ванне. При температуре выше 400°С заготовку нагревают в печи с защитной атмосферой. Детали из молибдена соединяют сваркой, пайкой или клепкой. Соединяемые сваркой поверхности должны быть чистыми, а в атмосфере, окружающей нагретый металл, не должно быть кислорода и азота. Сварку молибдена проводят в вакууме или в аргоне. При содержании в атмосфере сварочной камеры более 0,05% кислорода пластичность сварного соединения резко падает.
Листы толщиной более 0,5 мм и детали сваривают дуговой сваркой с вольфрамовым электродом или электронно-лучевым методом. При 150—200°С сварные соединения пластичны (угол загиба около 180°). Мелкие тонкостенные детали хорошо свариваются контактной сваркой.
В конструкциях, не требующих герметичности, можно соединять детали заклепками (из молибдена, тантала).
Молибден устойчив против воздействия соляной, фосфорной, серной кислот, растворов щелочей и многих расплавленных металлов: натрия, калия, лития, свинца, меди и др. Как и вольфрам, молибден инертен к водороду. Разрушающе действуют на молибден азотная кислота и расплавленные щелочи.
Молибденовые сплавы, имеющие промышленное значение, в основном малоле-гированы. Легирующими элементами, как правило, являются цирконий, титан, ниобий, тантал, образующие с молибденом в вводимых количествах твердые растворы. Малолегированные молибденовые сплавы упрочняются за счет нагартовки их в процессе изготовления полуфабрикатов посредством деформации.
НИОБИЙ. Удовлетворительная прочность, достаточно высокие значения жаропрочности, пластичности, высокая коррозионная стойкость в различных средах, высокая температура плавления и низкий температурный интервал перехода из пластичного состояния в хрупкое делают ниобий одним из перспективных тугоплавких металлов.
Недостаток ниобия — высокая окисляемоеть на воздухе и взаимодействие с водородом при сравнительно низких температурах. При 200°С начинает окисляться. С повышением температуры образуется высший окисел — пятиокись ниобия, что сопровождается увеличением объема примерно в 2,7 раза и вызывает растрескивание. При температуре 250°С ниобий активно взаимодействует с водородом с образованием гидридов. В результате насыщения водородом ниобий охрупчивается. При 1000°С и выше гидрид ниобия разлагается с выделением водорода. Ниобий получают плавлением в вакуумных электроннолучевых или дуговых печах. Механические свойства ниобия в значительной мере зависят от степени чистоты металла, состава и содержания примесей, метода изготовления и режимов предварительной обработки.
Особенность нелегированного ниобия — высокая пластичность и ударная вязкость в деформированном и рекристаллизован-ном состояниях.
Примеси азота, углерода и кислорода на ниобий действуют упрочняюще.
Вследствие высокой природной пластичности ниобия к нему применимы все виды обработки давлением. Наиболее высокий запас пластичности у ниобия электроннолучевой плавки, пластичность ниобия дуговой плавки при всех температурах ниже. Запас пластичности ниобия дуговой плавки при осадке при комнатной температуре не превышает 10—20%. С повышением температуры до 1000°С пластичность увеличивается до 50—70%. Ниобий электроннолучевой плавки с меньшим содержанием примесей допускает деформацию осадкой более 80% при комнатной температуре.
Объемную штамповку ниобия и сплавов на его основе проводят из предварительно деформированных и рекристаллизованных заготовок, а листовую штамповку — при комнатной температуре. Заготовки из листов большой толщины и из наиболее прочных сплавов перед штамповкой нагревают.
Ниобий сваривают аргоно-дуговой сваркой. При толщине листа более 1 мм дуговую сварку осуществляют в камере с аргоном или электроннолучевой сваркой в вакууме. Точечную сварку листов толщиной менее 0,5 мм можно проводить на воздухе.
Ниобий применяют при изготовлении химического оборудования, электронно-вакуумных приборов и для производства различных коррозионностойких сплавов.
ТАНТАЛ.
Наиболее пластичным из группы тугоплавких металлов является тантал. Он хорошо обрабатывается давлением всеми известными методами. В отличие от других тугоплавких металлов тантал достаточно пластичен при низкой температуре — вплоть до — 196°С. При деформации он нагартовывается медленнее, чем большинство металлов. Производится тантал методом порошковой металлургии путем формирования и последующего спекания в вакууме. Прочностные свойства тантала зависят от методов получения и обработки, а также от содержания примесей (азот, кислород, водород, углерод).
Тантал склонен к поглощению газов, в результате чего становится хрупким. Это свойство тантала успешно используется при применении его в качестве геттера. Он активно поглощает водород и азот. С водородом тантал образует гидриды. Максимально объем тантала поглощает более 700 объемов водорода. При 800—1000°С гидрид разлагается с выделением водорода.
При насыщении водородом тантал охрупчивается, возрастают его твердость и электросопротивление. Поэтому во всех случаях нагрева тантал необходимо изолировать от контакта с воздухом и водородом. Наиболее подходящая атмосфера при нагреве тантала для отжига — глубокий вакуум в агрегате, характеризующемся высокой герметичностью, а также в атмосфере чистого аргона или гелия.
При содержании кислорода до 1,2% (ат.) пластичность тантала снижается примерно в 3—4 раза. При этом резко возрастает твердость. При более высоком содержании кислорода пластичность тантала резко снижается и обра
ботка его давлением затруднительна.
Чистый тантал хорошо подвергается гибке, выдавливанию и вытяжке при комнатной температуре. Сваривается тантал в вакууме или в нейтральной среде.
Тантал — один из коррозионностойких металлов. Он хорошо сопротивляется действию соляной и азотной кислот и щелочей.
Тантал применяется в ряде областей современной техники: химическом машиностроении, электронике, вакуумной технике, металлургии и других областях. Исключительно высокая химическая стойкость металла и хорошие коррозионные свойства позволяют применять тантал для изготовления кислотоупорной аппаратуры. Тантал применяется в электровакуумной технике как поглотитель остатков газов в электронных приборах.