Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе

 

Тугоплавкими называют металлы, температура плавления которых выше, чем у железа.

Наибольшее значение в технике имеют тугоплавкие металлы Nb, Mo, Cr, Ta и W с температурой плавления соответственно 2468, 2625, 1275, 2996 и 3410 ^ОС.

Интерес к тугоплавким металлам и сплавам на их основе возрос в связи со строительством ракет, космических кораблей, атомных реакторов и развитием энергетических установок, отдельные детали и узлы которых работают при температурах до 1500–2000 ^ОС.

Молибден, вольфрам и хром обладают высокой жаропрочностью, однако они склонны к хрупкому разрушению из-за высокой температуры порога хладноломкости, которую особенно сильно повышают примеси внедрения С, N, Н и О. после деформации ниже температуры рекристаллизации (1100–1300^ОС) порог хладноломкости молибдена и вольфрама понижается. Ниобий и тантал в отличие от вольфрама и молибдена – металлы с хорошей пластичностью и сворачиваемостью.

Молибден и вольфрам в Чистов виде используют в радио- и электронной промышленности (нити накаливания, листовые аноды, сетки, пружины катодов, нагреватели и т.д.) вследствие малого поперечного сечения захвата нейтронов и отсутствия взаимодействия с расплавленными щелочными металлами ниобий применяют для изготовления теплообменников атомных реакторов.

Жаропрочность чистых металлов сравнительно невелика. Более высокой жаропрочностью обладают сплавы на основе тугоплавких металлов. Повышение жаропрочности достигается в результате образования легированного твердого раствора или твердого раствора, который добавочно упрочняется мелкодисперсными выделениями типа карбидов ZrC, (Ti, Zr) C и др., оксидов (ZrO₂) и т.д. Все тугоплавкие металлы обладают низкой жаропрочностью. Поэтому при температурах 600 – 800 ^ОС их нужно защищать от окисления.

Для молибдена и вольфрама лучшими считаются термодиффузионные силицидные покрытия (MoSi₂, WSi₂).

Поверхностные покрытия чаще применяют для деталей, работающих малый срок службы, или одноразового действия.

Под жаростойкостью (окалиностойкостью) понимают способность металла сопротивляться окислению при высоких температурах. Для повышения окалиностойкости стали легируют элементами, которые существенно изменяют состав и строение окалины. Железо при температурах выше 570 ^ОС образует три окисла: FeO (вюстит), Fe₃O₄ (магнетит), Fe₂O₃ (гематит), которые слабо защищают поверхность металла от воздействия кислорода. При введении в железо хрома, алюминия или кремния, обладающих большим сродством к кислороду, на поверхности образуются плотные окислы Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂, затрудняющие процесс дальнейшего окисления.

Чем выше содержание хрома, алюминия или кремния в стали, тем выше окалиностойкость стали и тем выше может быть рабочая температура. Количество хрома, необходимое для обеспечения окалиностойкости при разных температурах, можно определить по рис. 2. следует подчеркнуть, что окалиностойкость не зависит от структуры стали, а зависит только от химического состава.

 

Рис. 2. Влияние хрома на окалиностойкость: 1 – ферритные стали; 2 – аустенитные стали

 

Сравнительная оценка жаростойкости чистых металлов по скорости окисления на воздухе в интервале допустимых рабочих температур приведена в табл. 1.

 

Таблица 1. Жаростойкость чистых металлов

Металл	Жаростойкость	Определяющий фактор
Mg	Очень плохая	Рыхлые оксиды
Nb, Ta, Mo, W, Ti, Zr	Плохая	Плотные оксиды с плохими защитными свойствами
Cu, Fe, Ni, Co	Удовлетворительная	Плотные оксиды с большой дефектностью
Al, Zn, Sn, Pb, Cr, Mn, Be	Хорошая	Плотные оксиды с хорошими защитными свойствами
Ag, Au, Pt	Отличная	Малое химическое сродство к кислороду

 

Очень плохая жаростойкость магния при температурах выше 450 ^ОС связана с образованием рыхлого оксида MgO, у которого коэффициент объема φ = 0,79. В интервале 500 – 600 ^ОС скорость окисления магния лежит в пределах 10^-1 – 10¹ г / (м² * ч).

Металлы Nb, Ta, Mo, W имеют плотные оксиды, но их защитные свойства ухудшаются при нагреве выше 550 ^ОС. Это объясняется тем, что у них φ > 2,5, поэтому возникают большие напряжения, вызывающие растрескивание оксидов. Кроме того, оксид молибдена при нагреве испаряется. Оксиды титана и циркония, образующиеся при нагреве, теряют кислород вследствие его большой растворимости в металле и не защищают от дальнейшего окисления. Это явление называют деградацией оксида. При высоких температурах и длительных выдержках оксид становится даже рыхлым. Для тугоплавких металлов скорости окисления на воздухе в интервале 700 – 800 ^ОС лежат в пределах 10¹–10³ г / (м² * ч).

Металлы Cu, Fe, Ni, Co (см. табл. 1) в интервале 500–600^ОС окисляются на воздухе со скоростью от 10^-3 до 10³ г / (м²*ч), а в интервале 700–800^ОС – от 10¹ до 1 г / (м²*ч). относительно высокие скорости окисления у этих металлов связывают с большой дефектностью образующихся при нагреве оксидов.

В процессе окисления железа и стали на поверхности растут несколько оксидов, у которых химический состав, кристаллическая структура и защитные свойства различны.

Температурная зависимость скорости окисления железа на воздухе отражает изменения состава и структуры образующихся на поверхности оксидов (рис. 3.). До 560^ОС окисление идет медленнее, так как на поверхности образуются оксиды Fe₃O₄ и Fe₂O₃ с хорошими защитными свойствами. При дальнейшем нагреве единственным защитным оксидом становится FeO с худшими защитными свойствами, чем у Fe₃O₄ и Fe₂O₃. именно по этой причине предельно допустимая рабочая температура нагрева на воздухе для чистого железа составляет 560 ^ОС. Благодаря легированию эту температуру удается повысить до 1000–1200 ^ОС.

 

Рис. 3. Влияние температуры на скорость окисления Δm железа на воздухе

 

Металлы Al, Zn, Sn, Hb, Cr, Mn, Be (см. таб. 1.) обладают хорошей жаростойкостью. Скорость окисления хрома на воздухе в интервале 400 – 600 ^ОС менее 10^{-6 г / (м2} * ч), а в интервале 700–800^ОС составляет 10^-4 – 10^-3 г/(м²*ч).

Жаростойкость промышленных медных сплавов – латуней и бронз – выше жаростойкости чистой меди. Легирующие элементы в медных сплавах (см. табл. 1.) имеют большее химическое сродство к кислороду, чем медь, и при достаточном их количестве образуют при нагреве собственные оксиды, обладающие лучшими защитными свойствами, чем Cu₂O. Сплавы меди с бериллием, алюминием, марганцем отличаются высокой жаростойкостью; несколько уступают им сплавы меди с цинком, оловом и кремнием.

Титановые и циркониевые сплавы поглощают кислород, поэтому защитные оксиды на поверхности не образуются и жаростойкость титана при легировании не улучшается. Повысить жаростойкость удается лишь применением жаростойких покрытий.

Жаростойкость железа и сталей повышают легированием хромом, алюминием и кремнием. Наибольшее распространение при объемном и поверхностном легировании железа и сталей получил хром, содержание которого доходит до 30%. С увеличением количества хрома в стали, а также ростом температуры и выдержки содержание хрома в оксиде возрастает. Легированные оксиды железа заменяются оксидами хрома, что ведет к повышению жаростойкости.

Жаростойкими являются высоколегированные хромистые стали ферритного и мартенситного класса, хромоникелевые и хромомарганцевые стали аустенитного класса. Чем больше хрома содержит сталь, тем выше максимальная температура ее применения и больше срок эксплуатации изделий. Жаростойкость определяется главным образов химическим составом стали (т.е. содержанием хрома) и сравнительно мало зависит от ее структуры.

Дополнительное легирование жаростойких сталей кремнием (до 2–3%) и алюминием (до 1–2% в сталях и до 4–5% в сплавах с высоким электрическим сопротивлением) повышает температуру эксплуатации.

Низкоуглеродистая сталь при большом содержании хрома приобретает однофазную ферритную структуру. В процессе длительной работы при высоких температурах кристаллы феррита растут, что сопровождается понижением ударной вязкости. Для предотвращения охрупчивания сталь дополнительно легируют карбидообразующими элементами (например, Ti). Карбиды затрудняют рост зерна феррита. Химический состав и свойства некоторых жаростойких сталей приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Химический состав (ГОСТ 5632–72) и химические свойства жаростойких сталей

Марка	Содержание элементов, %
	С	Cr	Ni	Si	σв, МПа	δ, %
08Х17Т*	<= 0,08	16 – 18	0,7	0,8	400	20
15Х28*	<= 0,15	27 – 29	0,8	1	450	20
20Х23Н18**	<= 0,2	22 – 25	17 – 20	1	500	35
20Х25Н20С2**	<= 0,2	24 – 27	18 – 21	2 – 3	600	35

 

Следует отметить, что стали 08Х17Т и 15Х25Т ферритного класса (в структуре преобладает феррит) не жаропрочны, поэтому их используют в изделиях, которые не испытывают больших нагрузок, особенно ударных. Сплавы 20Х23Н18 и 20Х25Н20С2 аустенитного класса не только жаростойки, но жаропрочны. Области применения жаростойких сталей и сплавов указаны в табл. 3.

 

Таблица 3. Жаростойкие стали и сплавы, применяемые в электропечах

Марка	Рабочая температура, ОС	Назначение
Х13Ю4	900 – 950	Электронагреватели печей
Х23Ю5Т	1350–1400	То же
Х20Н80	1050–1100	»
15Х25Т	800 – 1000	Малонагруженные детали печей
20Х23Н18	800 – 1000	Муфели, направляющие, детали вентиляторов, конвейеров и рольгангов печей
20Х25Н20С2	950 – 1050	Муфели, ролики рольгангов, подовые плиты и другие детали печей, работающие в углеродсодержащей атмосфере

 

В жаростойких сталях содержание алюминия и кремния ограничено, так как эти элементы охрупчивают сталь и ухудшают технологические свойства при обработке давлением. Этот недостаток можно исключить, если использовать их при поверхностном легировании. Жаростойкие стали Х13Ю4 и Х23Ю5Т, легированные хромом и алюминием, так же как и сплав Х20Н80, используют как материалы с повышенным электрическим сопротивлением.

Низкая жаростойкость тугоплавких металлов – Mo, W, Ta, Nb создает большие затруднения при использовании их в качестве жаропрочных материалов. Применение вакуума и защитных сред при технологической обработке и эксплуатации тугоплавких металлов вызывает в некоторых случаях большие технические трудности. Объемное легирование этих металлов не приводит к повышению жаростойкости, хотя для повышения жаропрочности оно может быть эффективным. Высокой жаростойкости можно добиться, используя жаростойкие тугоплавкие покрытия.

 

 

Список литературы

 

1. А.М. Адаскин, В.М. Зуев – Материаловедение (металлообработка). – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 240 с.

2. Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина – Материаловедение. – М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 648 с.

3. Ю.М. Лахтин Основы металловедения. – М.: Металлургия, 1988. – 320 с.