Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов
Подождите немного. Документ загружается.
271
Таблица 74
Химический состав и механические свойства титановых литейных сплавов [9]
Система
Марка
сплава
Химический состав, %
Е, кГ/мм2
Ofr, кГ/мм2
<Т0 2 кГ'мм2
*. %
Чистый титан BT1 1 Технический титан
11000 45—60 15—23
Ti Д1
BT5 5А1, остальное Ti 11400
70—90 63
7—12
Ti Al Si
ВТЛ—1
5А1, ISi, остальное Ti 11500
100—110
93—103
5— 0
Система
Марка
сплава
Химический состав, %
Ф. %
ан> кГ*М;СМ2
_400° С
а 100
кГ/мм*
_400° С
0,2/100
кГ /мм2
Чистый титан
ВТ1 1
Технический титан
30—50 5
—
Ti Al
ВТБ
5А1 остальное Ti
18—25
3 5 36-4 0 27—29
Ti Al Si
ВТЛ—1
5А1 ISi, остальное Ti
И 12
1 5
63 48
бд, кГ/мм*
Рис. 142. Изменение механических свойств сплава ВТ14, за
каленного с температуры 880° С, в зависимости от темпера
туры и продолжительности старения
2. Литейные титановые сплавы
Литейные титановые сплавы находятся еще в начальной ста
дии разработки, но уже первые полученные результаты позво
ляют говорить о их большой перспективности для фасонного
.литья. Химический состав и механические свойства сплава при
ведены в табл 74.
По своей структуре все сплавы относятся к однофазным
а-сплавам.
Вследствие малого интервала кристаллизации сплавы имеют
высокую жидкотекучесть 410—460 мм , дают плотные отливки
при линейной усадке 1% и объемной до 3% Применяются
для изготовления колец, трубных заготовок, деталей сложной
конфигурации.
VIII
ГЛАВА ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ
К тугоплавким металлам обычно относят воль
фрам, молибден, тантал и ниобий.
Эти металлы как элементы переходных групп вследствие не
достаточности внутренних электронных оболочек имеют наибо
лее сильную межатомную связь, что обусловливает их высокую
тугоплавкость, прочность и твердость, высокие модульные свой
ства, повышенную сопротивляемость воздействию нагрузок при
высоких температурах.
Ценными качествами этих металлов являются также их высо
кая коррозионная стойкость в сильных кислотах и в жидких
щелочных металлах и их специфические физические свойства
Ниже более подробно рассмотрены свойства и области при
менения тугоплавких металлов и сплавов на их основе.
§ 1. ВОЛЬФРАМ И ЕГО СПЛАВЫ
Вольфрам является одним из важнейших промышленных ме
таллов.
Он широко применяется в чистом виде и в виде сплавов с
другими металлами, а также используется в качестве легирую
щей добавки в сталях, жаропрочных никелевых и других спла
вах. Ниже приведены важнейшие физические константы чистого
вольфрама [116].
Атомный вес 183,92
Кристаллическая решетка К.о.ц.
Период решетки, А 3,1649
Координационное число 8
Атомный радиус, А 1,41
Плотность, г)смг 19 3
Температура плавления, °С 3410±10
Температура кипения, °С 5930
Теплота плавления, кал/г 44
Теплота сублимации (при температу
ре плавления) кал/г 1050
Теплота испарения (при температуре
кипения) кал/г 1183
18 Заказ 1024
273
Скорость испарения, г/см2 сек,
при температуре, °С:
1330 3,7 Ю—20
1730 1 75 10-13
2230 2 03 10- 9
2730 9,69-10—7
3030 1 60-10-5
Упругость пара, мм рт ст при темпе
ратуре, °С:
1530 1 93. 10-15
1730 1 10- п
2130 7,9 10-9
2230 1 3-10-7
2730 6 55-10-5
3030 1 2 10-3
3990 1,0
4507 1°
5927 760
Удельная теплоемкость, кал/г град,
при температуре, °С:
20 0 032
100 0 033
500 . . . 0,034
1000 0,036
2000 0 041
Теплопроводность, кал/см сек град, при темпе
ратуре, °С:
183 0,46
0 0 40
20 0 40
100 0 39
500 0,29
1000 0 28
2000 0 30
3000 . . 0,36
Коэффициент линейного расширения а 10е
1 /град, при температуре, °С:
100 4 2
27 4 4
100 4,5
500 4,6
1000 5,2
2000 6 2
2300 7,2
Удельное электросопротивление, мком см,
при температуре, °С:
196 0 61
20 5 5
100 7,2
500 . 19
1000 34
2000 66
3000 . 103
Типичные механические свойства плавленого вольфрама тех
нической чистоты (99,95% W) представлены в табл. 75 и 76 [9].
Как видно из этих данных, вольфрам является наиболее ту
гоплавким металлом температура плавления 34 0°С), обладает
274
Таблица 75
Механические свойства плавленого вольфрама
при комнатной и высоких температурах [9]
Температура, °С
20
400
800
Состояние материала
«4
к
*
сц
3-
С
*
<2*
t>
60
а*
С
*
«Э
а:
3;
*
оо
-эГ
м
3;
3?
С
&
оо
•3?
Д еформи рованн ый
40000 90
0 0
415 76 13
50
65
18 64
Рекристаллизованный
40000 50
0 0 320
30 3 3
25 50 75
Состояние материала
Температура, °С
1200 1600 2000
2200
2500
Деформированный
Рекристзллизованный
60
18
98
98
Т а бл и ц а 76
Длительная прочность вольфрама при высоких температурах [9], к Г м м 2
Время испытания
испытания, °С
10 мин 50 мин
100 мин
200 мин
100 ч
1370
7
1500
6
2250
4 2 3,2
2,8
2500
2 2
1 7 1 5
1 3
2700
1 7
1 4
1 2
1,0
2800
1 5
1 2 1 0
0 9
высокой прочностью 50—90 кГ мм2), твердостью (320—
415 кГ мм и высоким модулем упругости (40000 кГ/мм2) Отри
цательным качеством вольфрама является его хрупкость при
комнатной температуре б = 0, -ф = 0 и поэтому его обработка
возможна только при температуре выше порога хрупкости (тем
пература перехода из пластичного в хрупкое состояние) Темпе
ратурный порог хрупкости деформированного вольфрама техни-
18:
275
ческой чистоты (99,95%) лежит около 300—400° С, а рекристал-
лизованного около 500° С.
Однако вольфрам высокой степени чистоты, полученный в
виде монокристалла многократной зонной очисткой, пластичен
при комнатной температуре и имеет б = 12 н- 15%
К отрицательным качествам вольфрама следует также отне
сти его сильную окисляемость при нагреве на воздухе начиная
с 400° С , относительно большую плотность (19,3 г/см?) и высо
кое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов
(19 барн/атом)
Вольфрам является весьма стойким материалом во многих
концентрированных минеральных кислотах, щелочах и расплав
ленных щелочных металлах.
В настоящее время из вольфрама получают листы, ленты,
прессованные прутки, трубы и проволоку Исходными заготов
ками для производства полуфабрикатов служат спрессованные
и спеченные из порошка вольфрама брикеты штабики) или
слитки, полученные плавкой в электродуговых и электронно-лу
чевых печах. Некоторые детали и изделия из вольфрама полу
чают также напылением и осаждением из газовой фазы.
Способ получения первичной заготовки оказывает существен
ное влияние на чистоту металла и его качества. Наиболее пол
ное рафинирование вольфрама от вредных примесей 0 2, N2, С,
Fe, S и др ) достигается при электронно-лучевой плавке.
Однако при этом методе плавки полученные слитки имеют
крупнозернистую ориентированную структуру рис. 142, а атла
са) и не пригодны для дальнейшей обработки давлением. По
границам крупных зерен происходит концентрация примесных
включений, что служит причиной разрушения слитков в процес
се их деформации.
При подавлении транскристаллизации и измельчения зерна
в слитках автором [117] было предложено перед кристаллиза
цией вводить в расплав тугоплавкие частицы структурно подоб
ных простых и сложных карбидов циркония, тантала и других
тугоплавких металлов.
Тугоплавкие частицы, присутствующие в расплаве, обладая
структурным сходством, служат «затравками» при кристалли
зации зерен вольфрама см. схему сопряжения решеток на
рис. 143)
Кристаллизация из многих центров, искусственно созданных
в расплаве, способствует получению мелкозернистой дезориен
тированной структуры в слитках (рис. 142, б атласа
Измельчение зерна в слитках и перераспределение карбид
ных и других включений приводят к повышению способности
металла к пластической деформации.
На рис. 143, а атласа показана микроструктура литого воль
фрама, а на рис. 143, б атласа после деформации и отжига.
Кроме чистого вольфрама, применяют также сплавы на его
276
основе, которые во многих случаях обладают более ценными
свойствами, чем чистый вольфрам.
Состав и механические свойства некоторых вольфрамовых
сплавов, применяемых в СССР и за рубежом, приведены
в табл. 77
Из сплавов вольфрама большой интерес представляют высо
колегированные сплавы с рением и молибденом. Рений и мо
либден образуют с вольфрамом твердые растворы замещения в
широком диапазоне концентраций.
• • Решетка W
о — —о Решетка Та С
Рис. 143. Схема сопряжения кри
сталлических решеток вольфрама и
карбида циркония (по плоскости
001
юо 200 зоо т
Температура, °С
Рис. 144. Влияние рения на тем
пературу хрупкого перехода
вольфрама
Введение больших количеств рения (до 30%) и молибдена
(15—25%) изменяет характер межатомного взаимодействия в
решетке вольфрама и способствует значительному улучшению
механических свойств.
Рений повышает пластичность вольфрама при комнатной
температуре (удлинение повышается от 0 до 5—10%), резко
снижает температуру перехода из пластического в хрупкое со
стояние (рис. 144) и улучшает его технологические свойства
(штампуемость, свариваемость и т д.)
Кроме этого, рений на 200—400° С (в зависимости от его со
держания повышает температуру рекристаллизации вольфра
ма, благодаря чему рост зерна в сплавах вольфрама с рением
проходит менее интенсивно, чем в чистом вольфраме.
Добавки рения способствуют также значительному повыше
нию электросопротивления вольфрама, для вольфрама р =
= 0,056 ом мм2/м, для сплава вольфрама с 30% Re р =
= 0,242 ом мм2/м. Молибден является менее эффективным ле
гирующим компонентом.
277
Таблица 77
Состав и механические свойства плавленых вольфрамовых сплавов
№
сплава
Химичес
кий состав,
%
Состояние
материала
Температу
ра испыта
ния, °с
к Г мм2
%
%
£, кГ/мм2
1
0 8Nb,
Рекристал- 20
40000
остальное
лизованный 1000
20-2 4
45-4 8
80-9 0 36000
W
1500
14-15
48-5 8
90-9 5
34000
1700
12—14 52-5 8
90-9 5
32000
1200
8 -8 5 60—70 95—96
28000
2250 6
70 -72
95-96
2500
2 95
2700 1
2
30Re,
Деформиро 21
218 6
остальное
ванный
1095
119 5 7
W
1315
56 0
8
1650 21 0
9
1800 14 0 5 6
Рекристал-
21
137 5
лизованный
1095
105 5
7
1315
95 0
8
1650 35 0 13
3
25Мо,
Горячепрес 980 69 1
0,11 Zr,
сованный 1316
51 6
0 05С, ос
тальное W
По своей структуре сплавы W Re и W Мо являются однород
ными твердыми растворами и их структура ничем не отличает
ся от чистого вольфрама (рис. 143, а и б атласа
В связи с малой доступностью рения и его высокой стоимо
стью вольфраморениевые сплавы имеют ограниченное примене
ние в промышленности (для проводов термопар, электроконтак
тов и др.) В этом отношении более перспективными сплавы
W-Mo, W-Nb, W-Zr и др. (рис. 145) но они имеют более низкую
прочность и жаропрочность и недостаточную пластичность.
Для повышения высокотемпературной прочности и жаро
прочности вольфрамомолибденовых сплавов их легируют не
большими добавками циркония (до 0,1—0,2%) и углерода (до
0,05% Углерод с цирконием и вольфрамом образуют высоко
дисперсные карбиды, которые резко упрочняют сплав.
Карбидное упрочнение используется также в сплавах воль
фрама с добавками ниобия.
Кроме карбидного упрочнения, вольфрам упрочняют
введением небольших присадок различных тугоплавких и тер
модинамически стабильных окислов (ТЮ, ZrO, MgO и др.)
Сплавы типа металл окисел (керметы , полученные ме
тодом порошковой металлургии, имеют особо высокую проч
ность (рис. 145) и жаропрочность.
278
Как видно из приведенных данных, наиболее высокую проч
ность при температуре выше 1900° С имеют сплавы вольфрама
с окисью тория.
До 1650° С весьма высокая прочность (до 42 кГ/мм2) обна
руживается у сплава вольфрама с 0,5% С и 0,8% Nb)
Рис. 145. Прочность вольфрамовых сплавов при высоких
температурах
Вольфрам и его сплавы, обладая высокой прочностью, жа
ропрочностью и другими ценными качествами, являются необ
ходимыми материалами в ряде областей техники.
Металлический вольфрам широко применяют в электролам
повой, радиотехнической и электровакуумной промышленности.
Из вольфрама и его сплавов изготовляют нити накаливания,
детали радиоламп, нагреватели и экраны высоковакуумных пе
чей. Используя высокую эмиссионную способность вольфрама,
из него изготовляют эмиттеры, катоды ренгеновских трубок и
кенотронов, катоды электронно-лучевых установок, плазменных
и ионных двигателей и др
Сплавы вольфрама с рением применяют для изготовления
высокотемпературных термопар и электрических контактов.
§ 2. МОЛИБДЕН И ЕГО СПЛАВЫ
Молибден, так же как и вольфрам, является одним из важ
нейших промышленных металлов. Удачное сочетание комплекса
ценных физико-механических и коррозионных свойств делает
этот металл одним из основных конструкционных материалов но
вой техники Ниже представлены важнейшие физические свой
ства молибдена [116].
279
Атомный вес 95,94
Кристаллическая решетка К.о.ц.
Период решетки, А 3,146
Координационное число 8
Атомный радиус, А 1 36
Атомный объем, смг/атом 9 45
Плотность, г/смъ 10,2
Температура плавления, °С 2622±10
Температура кипения, °С 4804
Теплота плавления, кал/г 70
Теплота испарения, кал/г 1625
Упругость пара
10~3 мм рт ст., при тем
пературе, ЭС:
1954
2125
2324
2568
2622
Удельная теплоемкость,
кал/г-град, при темпера
туре, °С:
—257
181 5
0
100
475
Коэффициент линейного
расширения а 106, 1 /град,
при температуре, °С:
173 2 8
0 01
0 1
1
10
15 7
0 0004
0 030
0 0589
0 065
0,075
—23
5
27
5 1
500
5,1
1000
5,5
1500
6,2
2000
7,2
Теплопроводность,
кал/см сек град, при
температуре, °С:
183
0,44
—76
0 33
0
0 32
1473
0,26
2173
0 17
Удельное сопротивление,
мком/см, при температу
ре, ЭС.
0
5 17
27
5 78
727
23,9
1127
35 2
1527
27 2
1927
59 5
2327
71 8
2622
81 4
Работа выхода электронов,
эв
4 17
Поперечное сечение захва
та тепловых нейтронов,
барн/атом
.2 4 ± 0 ,2
Из других характерных свойств молибдена следует отметить
его высокую коррозионную стойкость в расплавах и парах ще
лочных металлов (натрия, лития, цезия), относительно малое
растворение в минеральных кислотах, высокую стойкость про
тив атмосферной коррозии.
При нагреве на воздухе молибден сильно окисляется, а при
температуре 680—700° С его окислы интенсивно возгоняются.
Изменение окисляемости молибдена с повышением темпера
туры, по данным [1 8], показано 500
на рис. 146.
С азотом и водородом молиб
ден практически не взаимодей
ствует
Учитывая высокую окисляе-
мость молибдена, его нагревают в
вакууме, водороде или в атмосфе
ре нейтральных газов (аргоне,
гелии При работе в атмосфер
ных условиях при высоких тем
пературах детали из молибдена
требуется покрывать специальны
ми покрытиями (MoSi2, Сг —
Al Si и др.)
30 60
Время; мин
Рис. 146. Изменение окисляемости
молибдена с повышением темпера
туры
280