Тугоплавкие и благородные металлы и сплавы

8.  Тугоплавкие  и  благородные  металлы  и  сплавы

8.1. Общая характеристика тугоплавких металлов и их сплавов

         Традиционно к тугоплавким металлам относят металлы, имеющие температуру плавления выше, чем у железа (1539 °С), исключая из этого ряда при этом металлы групп платины и урана и некоторые  редкоземельные металлы. Поэтому к группе тугоплавких металлов относят ванадий, вольфрам, гафний, молибден, ниобий, рений, тантал, технеций, титан, хром, цирконий. Все эти элементы относятся к металлам переходных групп. Самостоятельное применение в прикладном материаловедении в качестве конструкционных материалов и материалов с особыми свойствами (исключая из рассмотрения титан, свойства и применение которого приведены ранее) находят  V, W, Mo, Nb, Ta, Zr. Физические свойства этих металлов приведены в таблице 8.1.

         Таблица 8.1 - Физические свойства тугоплавких металлов

         Общими свойствами этих металлов являются: высокие температуры плавления, кипения и рекристаллизации; обладание преимущественно ОЦК-кристаллической решеткой; отсутствие полиморфизма (исключение - цирконий, у которого низкотемпературная модификация обладает ГП-решеткой, а высокотемпературная - ОЦК-решеткой); высокая плотность и малый коэффициент теплового расширения; высокая жаропрочность; высокая стойкость в кислотах; малая распространенность в природе и поэтому - высокая их стоимость (см. табл. 1.2, 1.3).

         Ниже приведены специфичекие свойства отдельных металлов и области их применения в технике.

         Ванадий. Стоек против окисления до 600 °С, имеет относительно небольшую плотность. Сплавы ванадия используются в авиационной, ракетной и атомной технике, а также в химической промышленности благодаря их высокой коррозионной стойкости.

         Ниобий. Характеризуется удачным сочетанием тугоплавкости, высокой прочности, пластичности и малого коэффициента захвата тепловых нейтронов. Легирование ниобия другими металлами лишь незначительно повышает его хрупкость, что выделяет ниобий среди других тугоплавких металлов. Недостатком ниобия и его сплавов является их высокая окисляемость на воздухе при повышенных температурах. При разработке сплавов на основе ниобия перспективной является система Nb - W - Mo - Zr. Так, сплав  Nb с 15% W, 5% Mo и 1% Zr  при температуре 1200 °С имеет предел прочности 240 Н/мм² и относительное удлинение 35%. Применяемый для изготовления листов сплав РН-6  ( Nb + 5,3% W + 5,3 % Mo + 1% Zr) имеет после деформации и отжига предел прочности 890 Н/мм². Защита ниобиевых сплавов от окисления (например, защитным покрытием из дисилицида молибдена) позволяет использовать их при высоких температурах в реактивных турбинах и ракетно-космической технике. Благодаря высокой пластичности, жаропрочности, хорошей свариваемости и высокой температуре плавления ниобий является перспективной основой для создания жаропрочных сплавов. Хорошая коррозионная стойкость и низкий коэффициент захвата тепловых нейтронов делают ниобий перспективным конструкционным материалом для ядерных реакторов. Ниобий является основой для создания сверхпроводящих материалов: критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние сплавов системы  Nb - Zr  около 11 К, а сое-динения  Nb  Sn  - 20  К.

         Цирконий. Он не используется для изготовления жаропрочных сплавов, поскольку испытывает полиморфное превращение (То=865 °С), развитие которого при нагреве приводит к разупрочнению металла. На основе циркония разработаны высокопрочные теплоустойчивые (до 500-700 °С) конструкционные сплавы, способные работать в химически активных средах и при низких температурах. Имея малый коэффициент захвата тепловых нейтронов и высокую коррозионную стойкость, цирконий и его сплавы находят применение для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов, труб охлаждения и других деталей ядерных реакторов. Характерными примерами сплавов на основе циркония являются циркалой-2 (1,5% Sn),  Н1 (1% Nb),  Н2,5  (2,5% Nb). Эти сплавы при 400 °С имеют временное сопротивле-ние разрыву и относительное удлинение на уровне: для сплава циркалой-2 - 70 Н/мм²   и 36%, для сплава Н2,5 - 180 Н/мм²   и 38% соответственно.

         Молибден. Имеет высокие значения модуля упругости, электропроводности, теплопроводности и малый коэффициент термического расширения. Технический Мо хрупок при комнатной температуре (из-за высокого содержания примесей внедрения), плохо сваривается и сильно окисляется при повышенных температурах. Наибольшее распространение в странах СНГ приобрел жаропрочный сплав ЦМ-2А (0,15% Ti, 0,12% Zr), имеющий при 1200 °С  sв =220 Н/мм²   и  d =18%. Молибден и его сплавы, наряду с ниобием и сплавами на его основе, являются наиболее перспективными материалами для изготовления обшивки и деталей каркаса ракет и сверх-звуковых самолетов.

         Тантал. Обладает высокой пластичностью до очень низкой температуры. Для сплавов тантала характерны высокая прочность и высокая температура рекристаллизации (например, 1600 °С для сплава  Ta+20% W). Сплавы тантала с вольфрамом, выпускаемые промышленностью, имеют структуру твердых растворов и применяются как жаропрочные материалы. Чистый тантал применяют в электронной технике для изготовления пружин, конденсаторов, сопротивлений и т.д. Из тугоплавких металлов тантал является наиболее кислотостойким: он не подвергается коррозии в кипящей серной кислоте при ее концентрации до 80%.

         Вольфрам. Обладает исключительной тугоплавкостью и высокой прочностью. Однако, малая пластичность и сильная окисляемость при высоких температурах затрудняют разработку и применение сплавов вольфрама. В радиоэлектронике и светотехнике широко применяют нелегированнй вольфрам, а также вольфрам с добавками  TaC  и  ThO₂, а также сплавы системы W - Mo, изготовляемые методами порошковой металлургии. Карбид вольфрама (WC) используют для изготовления твердых сплавов для режущего инструмента: системы WC-Co, WC-TiC-Co, WC-TiC-TaC-Co.

8.2. Специфика применения тугоплавких металлов и сплавов в

                   машиностроении и исследовательских приборах

         Вольфрам, молибден, тантал и сплавы на их основе, учитывая их высокое электрическое сопротивление, используют для изготовления нагревательных элементов высокотемпературных (выше 1200°С) термических печей (в виде проволоки и ленты, площадь поперечного сечения которых зависит от необходимой мощности печи), а также нагревательных устройств исследовательских приборов и установок, например, высокотемпературных рентгеновских установок, электронных микроскопов и т.д., для проведения исследований при высоких температурах (до 2500 °С). Учитывая высокую окисляемость тугоплавких металлов, такие нагревательные элементы должны работать в вакууме, либо в атмосфере инертных газов.

         Тугоплавкие металлы, прежде всего, тантал, сплав ниобия с танталом и в отдельных случаях - молибден, являются самыми кислотостойкими металлическими материалами. Их применение целесообразно в средах, в которых другие материалы не обладают достаточной коррозионной стойкостью: неорганических концентрированных кислотах при повышенных температурах, некоторых промышленных средах. Ниобий уступает танталу по коррозионной стойкости, но является заметно более дешевым. Добавка к ниобию молибдена и тантала повышает коррозионную стойкость сплава. Сплав Nb + 25% Ta  по коррозионной стойкости в кислотах значительно превосходит чистый ниобий и приближается к танталу. Титан при его содержании до 10% не ухудщает коррозионную стойкость ниобия, поэтому в качестве кислотостойкого находят применение тройные сплавы  Nb + Ta + Ti. Молибден и вольфрам по стойкости в кипящих кислотах значительно превосходят ниобий и мало уступают танталу, однако, при их использовании для изготовления химической аппаратуры возникают значительные технологические трудности, что ограничивает их применение.

         В качестве конструкционных жаропрочных материалов используют обычно не чистые металлы, а их сплавы. При этом ниобий и тантал обычно легируют в больших количествах молибденом, титаном, вольфрамом. Молибден легируют вольфрамом и в небольших количествах - танталом и цирконием. Выбор сплава определяется не только его жаропрочностью, но и технологичесими свойствами и экономической целесообразностью. Так, хрупкие и нетехнологичные сплавы вольфрама, как и чистый вольфрам, применяют обычно при рабочих температурах, превышающих 2000 °С, в условиях сильного эрозионного износа. Сплавы на основе тантала, являющиеся самыми дорогими, применяют для наиболее ответственных элементов. В интервале рабочих температур 1000-1500 °С используют преимущест-венно сплавы на основе ниобия и молибдена. Сплавы молибдена являются наиболее жаропрочными, поэтому их применяют при температурах выше 1200 °С и иногда до 2000 °С.

         Ниобий и сплавы на его основе легче других материалов переходят в сверхпроводящее состояние. Чистый ниобий имеет самую высокую критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние:  9,17  К

 (- 263,83 °С). Практическое использование находят сверхпроводящие сплавы  65 БТ (в среднем 65% Nb, 25% Ti, 10% Zr) с  Ткр=9,7  К,  35 БТ ( 35% Nb, 62% Ti, 3% Zr). Эти сплавы применяют для обмоток мощных генераторов, магнитов большой мощности (например, в поездах на магнитной подушке), туннельных диодов для компьютеров.

8.3. Благородные металлы

         К благородным металлам относят золото, серебро, металлы группы платины, а также сплавы на их основе. Свойства благородных металлов приведены в таблице 8.2.

         Свое название эти металлы получили из-за высокой коррозионной стойкости -практически они совершенно не склонны к коррозии в обычной атмосфере, воде и многих других средах. Все они характеризуются высокой плотностью, высокой температурой плавления (кроме золота и серебра), очень пластичны (кроме родия и осмия), не имеют аллотропических превращений (кроме родия), отличаются высокой стоимостью.

         Золото, серебро, реже - платина применяются в ювелирном деле и в зубоврачебной практике. Причем, чистое золото из-за низкой его твердости применяется редко. Сплавы системы  Au - Ag - Cu  имеют твердость в 5-8 раз более высокую, чем у золота, хотя и меньшую коррозионную стойкость. В ювелирной промышленности нашли применение сплавы 375, 583, 750 и 916^й проб (цифра - содержание золота на 1000 г. сплава, соотношение серебра и меди может быть различным, в частности, 1 : 1 в сплаве 583-й пробы). Структура сплавов представляет собой однородный твердый раствор (сплавы высокой пробы), или смеси 2-3 твердых растворов.

         Таблица 8.2 - Физические и химические свойства

                                   благородных металлов

         Серебро, реже - золото применяют в электротехнической промышленности для изготовления контактов приборов, работающих в агрессивных средах, поскольку они имеют высокую электропроводимость в сочетании с коррозионной стойкостью. Серебро используется также для изготовления твердых припоев.

         Платина и сплавы на ее основе используются для изготовления химической посуды и приспособлений для проведения химических анализов.  Сплав  90% Pt + 10% Rh в паре с чистой платиной применяют для изготовления термопар, которые могут работать при температурах до 1700 °С (платино-платинородиевые термопары типа ПП).

         Для прецизионных измерительных и автоматических управляющих приборов применяют потенциометры с обмоткой из благородных сплавов, например, из проволоки из сплава Pt + 25% Ir , или сплава Pt + (30-40% Ag) и др. Для электрических контактов различных ответственных аппаратов применяют сплавы благородных металлов ( Pt+Ir, Pt+W, Pt+Ag  и др.), имеющие большую стойкость против испарения и окисления.

         Высокой твердостью и износостойкостью в сочетании с очень высокой коррозионной стойкостью обладает сплав осмия с индием, из которого изготавливают опорные точки различных измерительных инструментов, иглы компасов, наконечники перьев авторучек.

         Палладий и его сплавы, а также некоторые другие металлы группы платины нашли применение в качестве фильтров для водорода и других газов, в ядерной энергетике.