Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе

К тугоплавким металлам относятся металлы с температурой плавления более 1800 °C. Наибольшее распространение в промышленности получили элементы VA-группы — ниобий и тантал, элементы VIA труппы — хром, молибден и вольфрам и элемент VIIAгруппы — рений. Последний является весьма редким элементом, отличается значительной стоимостью и применяется в основном для легирования. Уникальные физико-механические свойства этих металлов (табл. 9.16), прежде всего высокие температуры плавления и жаропрочность сплавов тугоплавких металлов, позволяют использовать их для изготовления деталей и узлов, работающих в сложных экстремальных условиях: авиационной, ракетно-космической, атомной технике, приборостроении, радиоэлектронике. Изделия из тугоплавких металлов и сплавов на их основе работают.

Таблица 9.16

Свойства тугоплавких металлов.

Примечания. Значения ст_в и б приведены для материалов технической чистоты в рекристаллизоваином состоянии; а — среднее значение коэффициента термического расширения.

при температурах больше 1000—1500°С как в кратковременном режиме, так и в условиях относительно длительной эксплуатации.

Однако тугоплавкие металлы имеют и недостатки. Прежде всего, они склонны к хрупкому разрушению, так как им присуща высокая температура хладноломкости. Примеси внедрения, такие как С, N, Н, О, еще более повышают ее. В табл. 9.17 приведены данные, но влиянию примесей внедрения на температуру перехода к хрупкому состоянию для тугоплавких металлов. Как очевидно, содержание примесей определяется способом получения металла. Наиболее чистые металлы, получаемые зонной очисткой, имеют порог хрупкости в области минусовых температур и хорошую пластичность при комнатной температуре. Так, если для металлокерамического молибдена температура перехода в хрупкое состояние +200°С, то для молибдена, полученного зонной плавкой в вакууме, порог хрупкости -196°С. Еще более значительная разница, как очевидно из табл. 9.16, наблюдается для вольфрама: +500°С — порог хрупкости для металлокерамического вольфрама и -196°С — для вольфрама зонной плавки с содержанием углерода менее 0,001%.

Таблица 9.17

Влияние примесей внедрения на температуру перехода в хрупкое состояние.

Тугоплавкие металлы обладают низкой жаростойкостью. При температуре свыше 400—600°С их нужно защищать от окисления, иначе свойства тугоплавких металлов и сплавов резко ухудшаются. Для этих целей применяют металлические, интермсталлические и керамические покрытия. Для молибдена и вольфрама в качестве защитных покрытий наиболее часто используют силицидные покрытия (MoSi2, VSi2). При работе деталей в вакууме, инертных средах необходимость в защитных покрытиях отпадает. Нс требуется защитных покрытий для деталей и сплавов хрома, так как он обладает жаростойкостью до 1000 °C из-за образования плотной тугоплавкой оксидной пленки Сг₂Оз. Высокая окисляемость тугоплавких металлов (например, для вольфрама заметная при 500—800°С, рис. 9.16) создает определенные проблемы при осуществлении некоторых технологических процессов производ.

ят:. 9.16. Окисляемость вольфрама при различных температурах:

1 — 1200 °C; 2 — 1000 °C; 3 — 800 °C; 4 — 600 °C ства деталей и узлов из них, особенно при литье, сварке, горячей обработке давлением.

На основе тугоплавких металлов созданы жаропрочные сплавы, предназначенные для работы в условиях высоких температур (1100— 1700 °C, а для сплавов вольфрама — до 2500—3000°С). В сплавах упрочнение достигается за счет дисперсионных частиц (оксидов, карбидов и др.), дисперсионного твердения и деформационного упрочнения.

Сплавы молибдена легированы Zr, Ti, Ilf, Nb, W, которые образуют с молибденом твердые растворы и упрочняют его. Для увеличения пластичности в сплав могут добавлять Re. Низколегированные сплавы молибдена — это ВМ1, ЦМ2А, ВМ2, системы Mo-Ti-Zr, содержащие 0,08−0,4% Zr, 0,2−0,4% Ti и < 0,01% С. Большей жаропрочностью обладают гетерофазные, термически упрочняемые сложнолегированные сплавы: ВМЗ, ЦМВЗО, ЦМВ50, ЦМ10. В сплавы этого типа внедрены углерод и карбидообразующие добавки Ti, Zr, Та, Hf и др. Для повышения длительной прочности в большом количестве (30 и 50%) вводится вольфрам (сплавы ЦМВЗО и ЦМВ50). Сплав ЦМ10 относится к свариваемым сплавам из-за уменьшения в нем содержания углерода и элементов внедрения.

Сплавы на основе вольфрама могут быть легированы Nb, Та, Mo, Zr, Ilf, Re, С и другими элементами. Различают однофазные сплавы вольфрама — твердые растворы и гетерофазные, упрочненные дисперсионными частицами карбидов, боридов и оксидов. К однофазным относятся сплавы систем W—Nb и W—Мо, к гетсрофазным — сплавы системы W—Та—С (сплав ТСВ).

Свойства вольфрамовых, молибденовых, как и других тугоплавких металлов можно повысить за счет гидроэкструзии^[1] (табл. 9.18). Гидроэкструзия позволяет, в результате протекания сложных дислокационных процессов, получать в деталях тонкую полигонизационную структуру и, как следствие, высокие и стабильные механические свойства.

Основными легирующими элементами для создания сплавов на основе ниобия являются W, Mo, Ti, Та, V, Zr, Ilf и элементы внедрения (С, О, N). Сплавы ВН2, ВИЗ, ВГ14 содержат Мо и Zr (основа — ниобий), сплавы 5ВМЦУ, PII6C, ИРМПЗ — Мо, Zr и карбидное упрочнение. Как чистый ниобий, так и его сплавы активно взаимодействуют при нагреве с атмосферными газами — кислородом, азотом и водородом, что требует применения защитных покрытий.

Таблица 9.18

Механические свойства гидроэкструдированных промышленных молибденовых и вольфрамовых сплавов в зависимости от степени деформации и температуры отжига.

* Испытания проводили при 400 °C. ** Испытания проводили при 300 °C.

Сплавы тантала, как и ниобиевые сплавы, относятся к группе относительно пластичных. Тантал, полученный электродуговой плавкой, и особенно, электронно-лучевой деформируется даже при комнатной температуре. Однако он обладает высокой активностью к взаимодействию с газами с образованием нитридов, оксидов, карбидов, гидридов, что отрицательно сказывается на свойствах готовых изделий, сварных и паяных соединений. Легирование тантала W, Zr, Hf и другими элементами способствует его упрочнению, но снижает пластичность.

Сплавы хрома, как и чистый хром, обладают очень высокой стойкостью к окислению, вплоть до 1000—1100°С. Она увеличивается за счет соответствующего легирования. К легирующим элементам относятся W, V, Ni, Ti, Y (сплавы ВХ-1И, ВХ-2, ВХ-4), а также Hf, Mo, Zr, Та. Сплавы ВХ-1, ВХ-1И, ВХ-2, ВХ-2И являются малолегированными, пластичными. Сплав ВХ-4 — высоколегированный, но достаточно пластичный. Сплавы М-140, М-142, М-146 — малоиластичны, но обеспечивают высокие значения длительной прочности. Сдерживает более широкое применение в промышленности этих сплавов их недостаточная пластичность.

Наряду с применением тугоплавких металлов и сплавов на их основе как материалов для различных изделий, большое значение имеет их использование для промышленности в качестве легирующих элементов.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Какие металлы называют легкими, и почему?
• 2. Как влияет кристаллическая структура магния на физические и технологические свойства его сплавов?
• 3. Каковы особенности маркировки алюминиевых сплавов?
• 4. Какова цель модифицирования силуминов?
• 5. Назовите области применения алюминиевых сплавов.
• 6. Как влияют легирующие элементы на полиморфное превращение титана?
• 7. Опишите особенности фазовых превращений при термической обработке титановых сплавов.
• 8. Как называют основные группы сплавов меди?
• 9. Какой термической обработкой упрочняются жаропрочные никелевые сплавы?
• 10. Какие вы знаете жаропрочные сплавы на железоникелевой основе, и что из них изготавливают?
• 11. Как подразделяются жаропрочные сплавы на никелевой основе, и где они применяются?

• [1] Гидроэкструзия — гидростатическое прессование, заключающееся в обработке металлов давлением, при которой заготовка, помещенная в замкнутый контейнер, выдавливается через канал матрицы воздействием на нее жидкости высокогодавления (0,5—3 ГПа). Рекомендуется для труднодеформируемых тугоплавких металлов.