Области применения бериллиевых сплавов в атомной технике

 

 Благодаря низкому поперечному сечению захвата нейтронов и высокому поперечному сечению их рассеяния, бериллий находит применение в атомной технике для изготовления отражателей, замедлителей и оболочек ТВЭЛов. Материалы замедлителей, отражателей и оболочек ТВЭЛов должны обладать кроме ядерных характеристик высокой теплопроводностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью, сопротивлением ползучести. Бериллий лучше других материалов (в том числе и графита) удовлетворяет этим требованиям.

 Благодаря низкой поглощающей способности бериллий применяют для изготовления окон рентгеновских трубок.

 

Контрольные вопросы:

1. В чем сложность легирования бериллия?
2. Какие сплавы бериллия получили наибольшее распространение?
3. Какие свойства бериллиевых сплавов обусловило применение их в авиационной и ракетно-космической технике?
4. Благодаря каким свойствам бериллий и его сплавы применяются в теплозащитных конструкциях ракет и космических кораблей?
5. Назовите области применения бериллиевых сплавов в кораблестроении.

 

 

7. Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе

 

7.1. Свойства тугоплавких металлов

 

 Тугоплавкими металлами называют металлы с температурой плавления более 1700 °С. В табл. 7.1. приведены физико-механические свойства этих металлов.

 

Таблица 7.1.

Свойства тугоплавких металлов

 

 

 Тугоплавкие металлы используют главным образом как жаропрочные. Изделия из тугоплавких металлов и сплавов на их основе работают при температурах свыше 1500 °С, как в кратковременном ре­жиме, так и в условиях длительной эксплуатации. Наибольшее значение в тех­нике имеют NЬ, Та, Сг, Мо, W и сплавы на их основе. Высокая жаропрочность таких металлов обусловлена большими силами меж­атомных связей в кристаллической решетке металла и высокими температура­ми рекристаллизации.

 Эти металлы имеют повышенную жесткость, небольшую теплопроводность.

Тугоплавкие металлы обладают высокой коррозионной стойкостью, в том числе в кислотах и щелочах, существует трудность металлографического трав­ления. Наиболее стойки Та, Рt и NЬ.

  Nb и Мо стойки в расплавах легкоплавких металлов (до 500-600 °С), Та - в расплавах редкоземельных металлов. Многие тугоплавкие металлы при нагреве не взаимодействуют с керамикой, так, на­пример, ниобий не взаимодействует с А1₂0₃ при 1200-1250°С.

Из всех тугоплавких металлов только хром обладает высокой жаростойкостью (до 1000 °С) из-за образования плотной тугоплавкой оксидной пленки Сг₂0₃.

 Большой недостаток всех остальных тугоплавких металлов - их низкая жаростойкость: при температурах свыше 400-600 °С все важнейшие ту­гоплавкие металлы (за исключением хрома) быстро окисляются. Для защиты от окисления этих металлов применяют специальные покрытия. Для Мо и W в качестве за­щитных покрытий наиболее часто используют силицидные покрытия (МоSi₂, WSi₂). И только для деталей из сплавов хрома не требуется защитных покрытий,

Тугоплавкие металлы и их сплавы относятся к трудно обрабатываемым материалам. Все виды горячей об­работки затруднены большим сопротивлением пластическому деформирова­нию, недостатком технологической пластичности у ряда металлов и сплавов, опасностью загрязнения примесями внедрения.

Мо, W и Сr склонны к хрупкому разрушению в результате высокой температуры порога хладноломко­сти, которую особенно сильно повышают примеси внедрения. Атомы С, О, N, Н и др, раство­ренные по способу внедрения (в пустотах), создают поля упругих искажений, которые не имеют сферической поверхности, следователь­но, возможно эффективное блокирование различных дислокаций и металлы из пластичных становятся хрупкими. После деформации ниже температуры рек­ристаллизации (1100-1300 °С) порог хладноломкости Мо и W понижается, что связывают с образованием ячеистой структуры. Содержание примесей в Мо и W больше растворимости этих примесей в твердом растворе, следовательно, структура Мо и W - твердый раствор с включениями вторичных фаз по границам зерен.

  Ниобий и тантал, в отличие от вольфрама и молибдена - высокопластичные металлы и хорошо свариваются, имеют более низкий порог хладноломкости и менее чув­ствительны к примесям внедрения. Это объясня­ется тем, что типичное содержание примесей внедрения в ниобии и тантале значительно меньше, чем растворимость, т.е. структура Nb, и Та представляет собой ненасыщенный твердый раствор внедрения.

 Уникальные свойства позволяют использовать их для изготовления деталей и узлов, рабо­тающих в сложных условиях: ракетно-космической, атомной технике, приборо­строении, радиоэлектронике.

 

7.2. Вольфрам и его сплавы

 В настоящее время примерно 80 % всего добываемого в мире вольфрама потребляет металлургия качественных сталей, около 15 % идет на производ­ство твердых сплавов, остальные 5 % промышленность использует в виде чистого вольфрама металла, обладающего удивительными свойствами.

 Вольфрам обладает самой высокой температурой плавления по сравне­нию с другими тугоплавкими металлами. Содержание вольфрама в земной коре составляет 7^. 10^-4 % по массе. Природные соединения вольфрама в большинстве случаев представляют собой вольфраматы - соли вольфрамовой кислоты (H₂W0₄₎. Так, важнейшая вольфрамовая руда - вольфрамит - состоит из вольфраматов Fе и Мп. Часто также встречается минерал шеелит (СаWO)₄.

 На воздухе вольфрам окисляется только при температуре красного кале­ния. Он стоек по отношению к царской водке, но растворяется в смеси азотной кислоты и фтороводорода.

 Основными легирующими элементами для создания сплавов на основе вольфрама являются NЬ. Та, Мо, Rе, Zг и др. Различают однофазные сплавы вольфрама твердые растворы и гетерофазные (многофазные), упрочненные дисперсными частицами карбидов, боридов и оксидов. К однофазным сплавам относят сплавы систем W-Rе, W-NЬ и W-Мо, к гетерофазным, например, - сплавы системы W-Ta-C (сплав ТСВ). Углерод в эти сплавы вводят примерно 10^-2 % с целью образования дисперсных частиц карбидов, тормозящих развитие пла­стической деформации при нагреве и тем повышающих сопротивление ползучести.

 Из жаропрочных сплавов на основе вольфрама наибольший интерес представляют сплавы W-Rе и W-Мо. Сплав W+27 % (по массе) Rе при 25 °С имеет значение s_в = 1400 МПа, а при 1200°С - s_в =700 МПа.

  В промышленности высокочистый вольфрам используется для изготовления деталей электротехнической и радиоэлектронной промышленности. Вольфрам является лучшим материалом для нитей ламп накаливания. Высокая рабочая температура (до 2500 °С) обеспечивает большую светоотдачу, а очень малое испарение - длительный срок службы нитей из вольфрама. Вольфрамо­вую проволоку и прутки применяют также в качестве нагревательных элемен­тов высокотемпературных печей (до 3000 °С).

 

7.3. Молибден и его сплавы

 

 Общее содержание молибдена в земной коре составляет 0,001 %. Благо­даря тугоплавкости и низкому коэффициенту теплового расширения молибден широко применяют в электротехнике, радиоэлектронике, технике высоких тем­ператур. Крючки, на которых подвешена вольфрамовая нить в обыкновенной электрической лампочке, сделаны из молибдена. Из него же изготавливают многие детали радиолами, рентгеновских трубок. Молибденовые спирали ис­пользуют как нагреватели в мощных вакуумных электропечах сопротивления.

 Молибденовые руды перерабатывают главным образом в ферромолибден, который и используют в металлургии качественных сталей и специальных сплавов. Свыше 90 % добываемого молибдена потребляет металлургия специ­альных сталей. Легирование молибденом позволяет получать мелкую однородную струк­туру, обеспечивающую высокие свойства стали, устраняет склонность к отпу­скной хрупкости. Молибден повышает прокаливаемость стали. Легированная этим элементом сталь характеризуется также значительной прочностью при высоких температурах и большим сопротивлением ползучести. Сходное влия­ние на свойства стали оказывает и вольфрам, но действие молибдена, например, на прочность металла значительно эффективнее: 0,3 % молибдена могут заме­нить 1 % вольфрама - металла более дефицитного. Высокая легирующая спо­собность молибдена обусловлена тем, что он имеет такую же кристаллическую решетку, как и железо. Радиусы их атомов также очень близки между собой. Молибден повышает прочность и износостойкость чугуна.

 Сплавы молибдена с хромом, кобальтом, никелем обладают отличной ки­слотоупорностью и применяются для производства химической аппаратуры. Для некоторых сплавов тех же элементов характерно большое сопротивление истиранию. Сплавы молибдена с вольфрамом могут заменять платину. Для из­готовления электротехнических контактов используют сплавы этого элемента с медью и серебром.

 Жаропрочные сплавы молибдена разделяют на две группы: к первой относятся низкоуглеродистые и низколегированные сплавы, а ко второй - высокоуглеродистые и повышенно-легированные. Сплавы первой группы содержат 0,004-0,05 % (по массе) углерода и 0,07-0,6 % (по массе) Ti, Zг или NЬ. Низколегированные сплавы молибдена - это сплавы системы Мо-Ti-Zг, содержащие 0,08-0,4 % Zг, 0,2-0,4 % Тi и < 0,01 % С, марки этих сплавов - ВМ1,ЦМ2А, ВМ2.

 К сплавам второй группы относят сложнолегированные термически уп­рочняемые сплавы (ВТЗ, ЦМВ30, ЦМВ50, ЦМ10) с повышенным содержанием углерода (до 0,5 % по массе) и легирующих элементов (титана до 1,5. ниобия до 1.5 и циркония до 0.5-0,6 % по массе). Типичный сплав второй группы - ВТЗ отличается более высоким уровнем жаропрочности. Для повышения длитель­ной прочности в большом количестве (30 и 50 %) в сплавы вводится вольфрам (соответственно, сплавы ЦМВ30 и ЦМВ50). Сплав ЦМ10 относится к свариваемым сплавам из-за уменьшения в нем содержания углерода и элементов внедрения.

  Упрочняющая термическая обработка для сплавов второй группы заключается в закалке и старении. Нагрев под закалку до 1900-2000 °С приводит к растворению основной части карбидов. После ускоренного охлаж­дения твердый раствор оказывается пересыщенным углеродом. При последующем нагреве (старении) при температуре 1000°С происходит выделение из твердого раствора высокодисперсных частиц карбидов, вызывающих заметное упрочнение при нормальных и особенно при высоких температурах из-за высо­кой устойчивости этих частиц к коагуляции.

 

7.4. Ниобий и сплавы на их основе

 

 Впервые в качестве легирующего элемента ниобий использовали для замены им более дорогостоящего вольф­рама, содержащегося в быстрорежущей стали.

 Добавка ниобия в хромистую сталь увеличивает пластичность и коррози­онную стойкость. Установлено, что введение в нержавеющую сталь ниобия (до I %) предотвращает выделение карбидов хрома по границам зерен и, следова­тельно, устраняет межкристаллитную коррозию. Добавка его к конструкцион­ным сталям значительно повышает сопротивление удару при пониженных тем­пературах; сталь приобретает способность легко выдерживать переменные на­грузки, что имеет большое значение, например, в авиастроении.

 Ряд ценных качеств придают ниобию добавки других металлов. Медь значительно улучшает его электропроводность. Сплав ниобия с 20 % меди об­ладает высокой электропроводностью, и при этом он вдвое прочнее и тверже чистой меди. Сплавы ниобия с танталом способны противостоять серной и со­ляной кислотам даже при 100 °С.

 Основными легирующими элементами жаро­прочных сплавов на основе ниобия являются W, Мо, Ti, Та, V, Zг. Ниобий с этими элементами, кроме циркония, образует непрерывные твердые растворы. В сплавах с цирконием при комнатной температуре фиксируется двухфазная структура, состоящая из a-фазы с гексагональной плотноупакованной структу­рой (гпу) и b-фаза со структурой гцк. В некоторых сплавах имеется повышен­ное содержание углерода (0,2-0,3 %), что ведет к образованию в структуре час­тиц карбидов. Присутствие дисперсных карбидов упрочняет сплав, но при этом снижается пластичность.

Типичными сплавами на основе ниобия являются сплавы ВН-2. ВН-3, ВН-4, содержащие Мо и Zr, и сплавы 5ВМЦУ, РН-6С, ИРМН-3, содержащие Мо, Zг и карбиды этих элементов. Для упрочнения сплавов с повышенным содержанием углерода, например, для сплава ВН-4, реко­мендуется закалка и старение. При высокотемпературном нагреве до 1750 °С происходят структурные превращения, заключающиеся в переходе в твердый раствор частиц карбидов. Ускоренное охлаждение в этих сплавах фиксирует пересыщенный углеродом твердый раствор. При последующем нагреве до 900-1100 °С (старении) пересыщенный углеродом твердый раствор распадается с выделением карбидов в дисперс­ной форме, что обеспечивает повышение прочности

Опыт применения в промышленности сплавов на основе ниобия показал, что максимальная рабочая температура их службы не превышает 1300 °С. При этом, если эти сплавы используются в условиях активных, например, окислительных атмосферах, они должны иметь защитное диффузионное покрытие поверхности.

 

7.5. Тантал и сплавы на их основе

 

Сплавы тантала, как и сплавы на основе ниобия, относятся к группе отно­сительно пластичных сплавов. Тантал, полученный электродуговой сваркой 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, Нf и другими элементами способствует его упрочнению, но снижает пластичность.

Сплав на основе тантала с 10 % W при комнатной температуре имеет s_в =760 МПа. s₀.₂=760 МПа, d=3,5 %, при 1200 °С - s_в =300-490 МПа, d=1,2 %.

В земной коре содержится примерно 0,002 % ниобия и 0,0002 % тантала. Оба металла, особенно тантал, устойчивы во многих агрессивных средах. На них не действует соляная, серная, азотная, хлорная кислоты и царская водка, т.к. на поверхности этих металлов образуется очень прочная и химически стой­кая оксидная пленка.

 

7.6. Хром и сплавы на его основе

 

 Хром и сплавы на его основе обладают очень высокой стойкостью к окислению, вплоть до 1100 °С, которая увеличивается при соответствующем леги­ровании.

 К легирующим элементам сплавов на основе хрома относятся W, V, Ni, Тi, Y (сплавы ВХ-1И, ВХ-2, ВХ-4), а также Нf, Мо, Zг, 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 - малопластичны, но обеспечивают высокие значения длительной прочности. Сдерживает широкое применение этих сплавов в промышленности их недоста­точная пластичность.

Для получения сталей металлический хром применяется в виде ферро­хрома. Большое значение имеет хром для легирования сталей конструкционно­го и специального назначения (коррозионно-стойких, жаростойких, жаропрочных). Содержание хрома в земной коре составляет 0,02%. В природе хром встречается главным образом в виде хромистого железняка FeOCr₂O₃.

 

7.7. Рений и сплавы на его основе

 

К тугоплавким металлам относится и рений, являющийся весьма редким элементом. Содержание рения в земной коре составляет всего 2 ^. 10^-7 %. Рений имеет значительную стоимость и используется в основном как легирующий элемент. При введении рения в сплавы на основе тугоплавких металлов наблюдается «рениевый эффект» - существенно снижается температура перехода в хрупкое состояние. Из сплавов вольфрама с рением изготавливают детали реакторов летательных аппаратов с атомными двигателями.

 

Контрольные вопросы:

1. Какие сплавы называются тугоплавкими?

2. Чем обусловлена высокая жаропрочность тугоплавких металлов?

3. Какие недостатки присущи тугоплавким металлам?

4. Чем обусловлена высокая жаростойкость хрома?

5. Какой тугоплавкий металл применяют для изготовления нитей ламп накаливания?

6. Какой тугоплавкий металл применяют для изготовления крючков, на которых подвешена вольфрамовая нить в обыкновенной электрической лампочке?

7. В чем заключается сущность «рениевого эффекта»