Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

Изменение механических свойств некоторых сплавов в зави

симости от температуры показано в табл. 81.

Таким образом, по показателям кратковременной и длитель

ной прочности при высоких температурах ниобиевые сплавы, так

же как сплавы вольфрама и молибдена, являются весьма пер

спективными конструкционными материалами.

Указанные в табл. 81 прочность и жаропрочность достига

ются за счет легирования твердого раствора упрочняющими ком

понентами вольфра-

6Ь, кГ/мм2

мом, молибденом и др.

В некоторых сплавах

определенную роль в уп

рочнении играют высоко

дисперсные частицы кар

бидов, образующихся при

повышенном содержании

углерода и введении ак

тивных карбидообразую

щих добавок: циркония,

титана, тантала и др.

% (по массе)

Рис. 153. Влияние легирующих компонен

тов на механические свойства ниобия

при комнатной температуре

Содержание легидуршх

элементов; % (атоШ)

Рис. 154. Влияние легирующих

добавок на механические свой

ства ниобия при температуре

1095°С

По своей структуре все ниобиевые сплавы можно разделить

на две группы: сплавы типа твердых растворов и сплавы с гете-

рофазной структурой.

К 1-й группе относятся сплавы ВН2, ВН2А, СВ-65, Fe-82

и др., имеющие однофазную структуру сложнолегированного

твердого раствора.

К 2-й группе относятся сплавы F48, СВ-74 и др. структуры

которых состоит из зерен твердого раствора и включений высо

кодисперсных частиц карбида циркония.

19* 291

Состав и физические свойства промышленных ниобиевых

Страна

Марка сплава

Химический

состав, %

Температура

плавления, °C

Плотность,

г/см2

Теплоемкость, кал/г-град

СССР

ВН2

4 5Мо,

2400 8 7

0,058 (20° С) 0 074 (800° С);

остальное Nb

0,075(1000° С) 0 078(1100° С);

0,08(1300° С) 0 08(1500° С);

0 092 (2100° С), 0 095 (2400° С);

ВН2А

4 2Мо, 0 7Zr, 2400

8 65

0 068(100° С) 0,077(500° С)

остальное Nb

0 085 (800° С) ;0 077 (1000° С),

0,087(1200° С), 0,08(1400° С);

0 087 1500° С), 0,0907(1800° С);

0 16(2000° С)

США

F48

5Мо, 15W, IZr,

2480

9 42

остальное Nb

F82

ЗЗТа, IZr,

2500

10 14

остальное Nb

СВ-74

10W 5Zr,

остальное Nb

СВ -65

7Ti, 0 8Zr,

остальное Nb

Д31

lOMo, lOTi, 2250 0 074(20° С)

остальное Nb

Карбидные фазы способствуют повышению прочности и жа

ропрочности сплавов.

Типичные структуры некоторых промышленных сплавов по

казаны на рис. 148, а и б атласа.

В заключение отметим, что, кроме указанных конструкци

онных сплавов, значительный интерес для техники представляют

также ниобиевые сплавы с высокой коррозионной стойкостью

и сплавы, обладающие сверхпроводимостью.

Наиболее высокую химическую стойкость имеют сплавы нио

бия с танталом. Некоторые данные о скорости коррозии спла

вов в различных средах приведены в табл. 82.

Они позволяют заменить дорогостоящий и дефицитный тан

тал при создании различной аппаратуры химической промыш

ленности и обеспечить более длительный срок ее службы. Так,

например, детали аппаратуры, работающей в среде сильных

кислот (азотной, серной и др.), изготовленные из нержавеющей

292

сплавов, применяемых в СССР и за рубежом [9]

Таблица 80

T еплопроводность,

кал; см-сек-град

Коэффициент линейного

расширения

а 1 0е 1 /град

Удельное

электросопро

тивление,

мком-см

Коэффициент черноты

полного нормального

излучения (в вакууме

1 мм рт ст )

0 1(25° С);

0 12(200° С)

0 13(600° С),

0,14(800° С),

0 18(1400° С),

0 175(1500° С)

0 17(1800° С)

0 17(1900° С)

0 115(20° С) ,

0 125(200° С),

0 14 (600° С)

0 14(800° С),

0 14(1000° С)

0 15(1200° С)

0 15(1400° С)

0 15(1800° С)

0,16(2000° С)

0 3(20° С),

0 42(1100° С)

6 25(20—100° С)

8 25(20—900° С),

8,12(20—1500° С),

8 84(20—200° С)

9,5(20—200° С),

8 95(20—1600° С)

8 78(20—1800° С)

6 46(20° С),

7 6(1100° С)

7 79 (20° С)

19,9

(20° С)

41 3

(500° С)

(1000° С)

0 12(800° С),

0,14(1000° С),

0 16(1200° С),

0 18(1400° С),

0,20(1600° С),

0 22(1800° С)

стали, могут служить 1,5—2 месяца, детали, изготовленные из

ниобия и его сплавов, стоят в течение 2—3 лет

Наиболее ценными промышленными сверхпроводниковыми

материалами являются сплавы ниобия с оловом, отвечающие

химическому соединению Nb3Sn, и сплавы ниобия с цирконием,

содержащие 25 и 75% Zr

По критической температуре перехода в сверхпроводящее

состояние, по величине критического магнитного поля и крити

ческой плотности тока эти материалы среди других сверхпро

водящих сплавов занимают одно из первых мест

Сверхпроводящие сплавы, обладая «бесконечной» проводи

мостью при критических температурах и сохраняя «нулевое»

электросопротивление при высоких плотностях тока и напря

женности магнитного поля, позволяют создавать электромагни

ты, обеспечивающие сверхмощные магнитные поля при мини

мальном расходе электроэнергии и малом весе самих магнитов.

293

Таблица 81

Механические свойства промышленных ниобиевых сплавов при минусовых и высоких температурах [9]

Марка

сплава

Вид полуфабриката и состояние

Темпера

тура ис

пытания,

°С

Механические свойства

Е,

кГ/мм*

кГ!мм2

<*0,2

кГ/мм2

8. %

Ф. %

ан»

кГ -м! см*

<*0,5/200

кГ1мм2

<*100.

кГ}ммг

ВН2

Горячепрессованный пру 196

105

103

0 8

ток (степень деформации —70

67 62

30 70

23,5

70-90% )

20 11600

1000 12400

43 32

1100 12400

34 43

1200 12300

1500

—

Лист холоднокатаный 20

толщиной 1 мм (степень 700

деформации 85—90%)

1000

25 4,5 20

1100

1500

1800

2 3

2000

1 5

ВН2А

Лист холоднокатаный

—253

156 148

7 5

толщиной 1 мм (степень

—196

104 8 95

6 6

—

деформации 85—90%

85 62

1100

10 13

1200

1500

—

1800

4,5

—

2000

2,5

Лист холоднокатаный

—253

119 4

100 4 9

1,74

толщиной 1 мм (степень

1£6

86 3

77,6 27

деформации 83—90% и ре-

20 49,5 36 9 26 9 2

кристаллизованный)

Таблица 82

Скорость коррозии сплавов ниобий тантал, м м год [118]

Состав сплава

HNO* (кон

центрирован

ная)

HNO,

50%-ная

HN03 (кон

центрирован

ная-!-1 % HF)

H2SO< (кон

центрирован

ная)

СО

£ 2

HC1 (концент

рированная)

HC1 5%-ная

NaOH

20%-ный

0 0025

0 0864 0 3099

0,1067 0 0051

0,0813 0 0534

0 1020

0 0103

91% Nb+9% Та

0 0000 0 0000

0 1041 0,0000 0 0008 0 0000 0 0228

0 0635 0 0000

85,7% N b+

+14,3% Та

0 0102 0,0051 0 1448

0 0051

0 0000 0,0000 0 0000

0,0305

0,2184

80% N b+

+20% Та

0 0000

0,0635 0 0940

0 0000

0,0000

0,0051

0 0102

0,0125

50% N b+

+50% Та

0 0178

0 0534 0,0965

0,0483

0,0559

0,0000

Э 0003

0 0025

Та

0 0330 0 0381 0 0940 0 0381

0 0381 0,0051 0,0736 0 0127

0,0076

Так, для получения поля с напряженностью 88 тыс. э необходим

электромагнит с железным сердечником мощностью 1500 кет,

масса которого составляет-15—20 т При применении сверхпро

водящих соленоидов вес их составляет всего 200—300 г, при

этом потребляемая мощность снижается на 4—5 порядков [122].

В настоящее время ниобий и его сплавы применяют в раз

личных областях науки и техники.

В значительных количествах ниобий и его сплавы использу

ют в электровакуумной технике и радиоэлектронике для изго

товления сухих электролитических конденсаторов, деталей элек-

тро- и радиоламп, катодов косвенного нагрева, а также в

производстве выпрямителей, криотронов математических счет

но-решающих машин и т. д. [123].

В химической промышленности ниобий и его сплавы приме

няют в качестве конструкционных материалов для изготовле

ния змеевиков, дистилляторов, трубопроводов, клапанов, корпу

сов и других деталей химической аппаратуры для производства

соляной и азотной кислот, перекиси водорода и др. |[124].

Некоторые ниобиевые сплавы применяют в ракетной технике

для изготовления сопловых насадков взамен охлаждаемых ти

тановых [125], в теплообменниках космических аппаратов [126],

для изготовления деталей ионных и плазменных двигателей, для

обшивки спускающихся на землю ракет и капсул и др. [127].

Широкое применение ниобиевые сплавы получили в реакто

рах для плакировки тепловыделяющихся элементов [128], для

трубопроводов, труб охлаждения и деталей насосов. Ниобиевые

сверхпроводящие сплавы применяют в сверхмощных атомных

ускорителях, для изготовления обмоток магнитов для отража

телей горячей плазмы, квантовых генераторов и других ядерно-

энергетических установок [129].

295

Известно также применение ниобиевых сплавов в авиаци

онной технике для изготовления турбинных неохлаждаемых ло

паток в реактивных двигателях [129], для обшивки крыльев

сверхзвуковых самолетов, в теплообменниках летательных аппа

ратов и других изделий.

По-видимому, в ближайшее время области применения нио

бия будут еще значительно расширены.

§ 4. ТАНТАЛ И ЕГО СПЛАВЫ

Тантал среди других металлов выделяется исключительной

химической стойкостью в сильных кислотах, в расплавах ще

лочных металлов и рядом электрических и других свойств.

Ниже приведены важнейшие физические свойства тан

тала [116].

Атомный вес 180,948

Атомный диаметр, А 2 854

Атомный объем, см3/г-атом 10 90

Плотность, г/см3 16 6

Кристаллическая решетка К.о.ц.

Период решетки, А а = 3,296

Координационное число 8

Температура плавления, °С 2996

Температура кипения, °С 5425

Скрытая теплота плавления,

кал/г 41 5

Скрытая теплота испарения,

кал/г 995

Теплота сгорания, кал/г 1346

Удельная теплоемкость,

кал/г град,

при температуре, °С:

0 0,034

727 0,0365

1227 0,0385

1727 0,041

2227 0,0465

2727 0 056

Теплопроводность,

кал/см сек град,

при температуре, °С:

20 0 13

828 0,1715

1106 0 1795

1416 0,1885

1547 0,188

1830 0 198

Коэффициент линейного рас

ширения, 1 /град, в интер

вале температур, ЭС.

20—500 6,6 10-6

20— 1500 8 10-6

Удельное электрическое со

противление, мком см, при

температуре, °С.

12 5

700

43 6

1000

54,8

1500 72

2000

87,0

Температура перехода в

сверхпроводящее состоя

ние, эк

Работа выхода электронов,

4 38

эв 4,12

Электронная эмиссия, ма/см2

при температуре, ЭС.

1 10-5

1000

1230

4 7 10—;

1730

19 5

Магнитная восприимчивость

э.м.е., при температуре ЭС:

25 . 0 849.10-*

1870 0,685 10—(

Поперечное сечение захвата

тепловых нейтронов,

барн/атом

21 3±1

Поперечное сечение рассея

ния тепловых нейтронов

5±1

барн/атом

Суммарное лучеиспускание

при температуре, ЭС:

0,29

1400

2000

0 25

2327 0,30

2527 0 308

Общее излучение, вт/см2

при температуре, ЭС.

7,3

1330

1530

12,8

1730

21 2

296

Тантал высокой чистоты, полученный термической диссоци

ацией ТаС14 в виде листа, имеет* оь = 24 кГ/мм2, ао,2 =

= 19,5 кГ мм2 и б = 32%

По данным [128], тантал промышленной чистоты в отожжен

ном состоянии при комнатной температуре имеет оь =

= 42 кГ мм2, при 980° С оь = 14 кГ мм2 В деформированном

состоянии оь = 97 кГ мм2, б = 4%, гр = 6 % [130].

Температура пластично-хрупкого перехода тантала лежит

ниже 196° С.

При нагреве на воздухе тантал, гак же как ниобий, начиная

с 200—300° С заметно окисляется. Наряду с окислением проис

ходит диффузия газов в металл и непосредственно под окисной

пленкой образуется газонасыщенный слой, толщина которого за

висит от температуры и времени нагрева

Кроме чистого тантала, для промышленности большой инте

рес представляют некоторые сплавы на его основе.

Наиболее эффективными легирующими добавками тантала

являются вольфрам, молибден и ниобий, образующие с ним

твердые растворы замещения [130]. Структура их подобна струк

туре однофазных ниобиевых сплавов, показанных на рис. 148, а

атласа.

В промышленности наиболее широкое применение получил

сплав тантала с 10% по массе вольфрама.

Этот сплав, выплавленный в электронно-лучевой печи, при

комнатной температуре в отожженном состоянии (отжиг при

1500° С имеет следующие механические свойства оь =

= 63 кГ мм2, о>о,2 = 58 кГ/мм2, 6 = 27 30 %, Е = 6500

-т- 18800 кГ/мм2, ан = 3,3 кГ м)см2 [128]. Сплав, выплавленный

в дуговой печи, имеет* оь = 96 кГ/мм2, 6 = 25%, НВ =

= 230 кГ мм2

По имеющимся литературным данным, весьма высокой проч

ностью обладают также сплавы тантала с гафнием Так, сплав

с 5% Hf в деформированном состоянии степень деформации

50%) имеет при 1200° С предел прочности оь = 36 кГ/мм2

В настоящее время из тантала и его сплавов изготовляют ли

сты, полосы, фольгу, проволоку и тонкостенные трубки. Исход

ной заготовкой служит спеченный брикет штабик) или слиток,

полученный дуговой или электронно-лучевой плавкой. В плав

леном металле среднее содержание примесей составляет'

0,001% С, 0,0045% 0 2, 0,0015% М2.

Тантал и его сплавы применяют в различных областях

техники.

Их используют в электровакуумной промышленности и ра

диоэлектронике для изготовления сухих электролитических кон

денсаторов, катодов косвенного нагрева, в качестве нагревате

лей в вакуумных печах. Известно также применение чистого

тантала и его сплавов с ниобием в химическом аппаратострое-

нии [123].

297

Приложение I

Основные травители для выявления макроструктуры

цветных металлов и их сплавов

Состав травите л я

Способ применения

Применение

Для травления меди и ее сплавов

Шлиф погружают в кислоту

и выдерживают до выявления

структуры, после чего промыва

ют в горячей воде и просуши

вают

То же

Азотная кислота раз

личной концентрации

10—20%-ный водный

раствор персульфата ам

мония

10%-ный раствор пере

киси водорода в насы

щенном водном растворе

аммиака

Для травления никеля и его сплавов

FeCl3 10 г, Шлиф погружают в травитель

НС1 30 мл, и выдерживают до выявления

Н20 120 мл структуры, после чего промыва

ют в горячей воде и просуши-

. вают

Азотная кислота

(конц.) 50 см3, уксусная

кислота 50 см3

Для чистой меди

и ее сплавов

Для латуней и

бронз

То же

Для чистого нике

ля и его сплавов

То же

Глицерин 18 смг

HN03 9 см3

НС1 75 см3,

HF 1,5 см3

FeCl3 (конц. раствор)

9 см3

NaOH 40 г,

NH4OH 60 сл3

Для травления алюминия и его сплавов

Шлиф погружают в раствор

на 15—20 сек, а затем в 50%

ный раствор H N03 на 5— 10 сек,

после чего шлиф промывают в

воде и просушивают

10— 15%-ный раствор

NaOH

НС1 50 см\

Fe(N 03)2 25 г,

Н20 25 см3

Шлиф погружают в реактив

на 15—20 сек, а затем в подо

гретый (80°С) 50%-ный раствор

HN03 на 1 л, для снятия тем

ной пленки

Шлиф погружают в подогре

тый (до 70—80° С) реактив и

выдерживают до образования

темной пленки (30—45 сек) за

тем промывают водой, опуска

ют в 20—30%-ный водный рас

твор HN03 для снятия темной

пленки и промывают в проточ*

ной воде

Шлиф при помощи ватного

тампона смачивают реактивом

до появления темной пленки,

затем промывают водой, погру

жают в 25%-ный раствор для

снятия темной пленки и промы-

вают в проточной воде

_________

Для чистого алю

миния и его спла

вов

Для дюралюми

ния и ковочных

сплавов (АК4, АК8

и др.)

Для сплавов с

повышенным содер

жанием меди (АЛ 1,

АЛ6, АЛ7, АЛ12чи

др.) и для всех

сплавов при опреде

лении газовой по

ристости

Для сплавов ти

па силумин (АЛ2,

АЛ4, АЛ9, и др.)

298

Продолжение

Состав травителя

Способ применения

Применение

HF 10 С М \

НС1 15 см3

Н20 90 см3

Для

Уксусная кислота

10 см3

дистиллированная вода

90 смъ

Уксусная кислота

10 с м 3 у

спирт 10 см2у

пикриновая кислота

10 см3

дистиллированная вода

70 см3

Винная кислота 10 см3,

дистиллированная вода

90 см3

Концентрированная

HN 03 15 см\

дистиллированная вода

85 см3

Персульфат аммония

10 см3

дистиллированная вода

90 см3

В течение 60 сек шлиф погру

жают в реактив или смачивают

ватным тампоном, а затем про

мывают в воде и просушивают

травления магния и его сплавов

Травитель наносят на поверх

ность шлифа, выдерживают от

10 сек до 2 мин и затем шлиф

промывают и просушивают

Травитель каплями наносят

на поверхность шлифа до появ

ления красного налета 15—60

сек) затем шлиф промывают в

горячей воде и просушивают

Поверхность шлифа смачива

ют травителем, выдерживают

10—20 сек, а затем промывают

в горячей воде, не смывая про

дуктов травления, и высуши

вают

На поверхность шлифа нано

сят травитель, выдерживают

10—30 сек, а затем шлиф про

мывают в горячей воде и про

сушивают

Шлиф погружают в трави

тель и выдерживают до появле

ния коричневых границ зерен

Для травления

чистого алюминия

и сплавов типа маг

налий (AJI8, АЛ 13,

ВИ11-3, АМг)

Для чистого маг

ния

Для литых и тер

мически обработан

ных сплавов

Для деформиро

ванных магниевых

сплавов

Для деформиро

ванных сплавов сис

темы магний мар

ганец

Для сплавов сис

темы магний мар

ганец

Для травления титана и его сплавов

10%-ный водный рас

твор плавиковой кислоты

Соляная кислота 120—

140 г/л,

плавиковая кислота 45—

55 г/л

Плавиковая кислота

1 см3

азотная кислота 1 см3

глицерин 3 смг

Погружают в раствор или на

носят травитель на поверхность.

Выдерживают в течение 3—

5 мин. Затем поверхность про

мывают в 90%-ном растворе

азотной кислоты, после чего в

проточной воде.

Погружают в раствор или на

носят травитель на поверхность,

выдерживают 20 мин и промы

вают в проточной воде

То же

Для слитков ти

тана и его сплавов

То же

299

Продолжение

Состав травителя

Способ применения

Применение

Кипящая смесь:

3% Н20 2 + 97 о/0 Н20

Кипящая смесь.

1,5% Н20 2 + 98,5% Н20

1 ч. HF (48% водный

раствор + 1 ч. Н20 4

(конц.) + 1 ч. Н20 +

+ несколько капель

Н20 2

Для травления тугоплавких металлов

Погружают в раствор и после

непродолжительной выдержки

промывают в проточной воде

То же

Для выявления

субграниц и границ

зерен вольфрама

Для выявления

границ зерен мо

либдена

Для выявления

границ зерен нио

бия

Приложение II

Основные травители для выявления микроструктуры

цветных металлов и их сплавов

Состав травителя I Способ применения Применение

Хлористое железо 10 г,

соляная кислота 25 см3

вода 100 см3

Двойная соль хлорис

той меди и хлористого

аммония 10 г,

вода 100 см3

аммиак (до получения

нейтральной или щелоч

ной реакции)

Персульфат аммония

10 г,

вода 90 см3

Для меди и медных сплавов

Травитель наносят на поверх

ность шлифа, после выдержки в

течение 15—20 сек шлиф про

мывают в проточной воде

Травитель наносят на поверх

ность шлифа и после некоторой

выдержки промывают в проточ

ной воде

То же

Для меди, лату

ней, оловянистых и

алюминиевых бронз

Для выявления

дендритного строе

ния литых медных

сплавов

Для меднонике

левых сплавов

Для травления никеля и его сплавов

Азотная кислота Травитель наносят на поверх-

50 см3 ность шлифа и после некоторой

уксусная кислота 50 см3 выдержки промывают в проточ

ной воде

Для выявления'

микроструктуры ни

келя и его сплавов

Для травления алюминия и его сплавов

Плавиковая кислота

0,5 см3,

вода 99,5 см3

Смачивают шлиф ваткой или

погружают в реактив, травят

10— 12 сек, затем промывают в

проточной воде и просушивают

Реактив общего

назначения. Приме

няют для всех алю

миниевых сплавов

300