ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ СПЛАВОВ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ

Свойства тугоплавких металлов

Для изготовления деталей, работающих при высоких температурах (свыше 1000 °С) используют тугоплавкие металлы и сплавы на их основе. Все тугоплавкие металлы относятся к переходным элементам и расположены в 1-м, 2-м и 3-м длинных периодах Периодической системы Д.И. Менделеева. Металлы, представляющие наибольший практический интерес, относятся к подгруппам VA (V, Nb, Та) и VIA (Cr, Mo, W).

Основные физические свойства тугоплавких металлов приведены в табл. 12.1.

Таблица 12.1

Физические свойства тугоплавких металлов

Свойство

V

Сг

Nb

Мо

Та

W

Атомный номер

23

24

41

42

73

74

Атомная масса

50,942

51,996

92,906

95,94

180,948

183,85

Атомный диаметр, нм

0,263

0,250

0,286

0,272

0,286

0,274

р, кг/м3

6100

7150

8600

10200

1660

19300

t °с

1900

1875

2460

2620

2980

3400

U п, °С

3350

2500

4800

4600

5400

5500

с, Дж/(г-К)

0,499

0,460

0,272

0,256

0,142

0,147

X, Вт/(м-К)

37

90

54

142

55

150

ссЮ'6, К'1

8,3

5,9

7,1

5,1

6,6

4,5

Модуль Юнга, Г11а

135,2

250,0

106,8

336,3

188,3

415,0

Тугоплавкие металлы имеют невысокие коэффициенты теплопроводности и линейного расширения. Все тугоплавкие металлы, за исключением хрома, имеют низкое значение давления паров. Тугоплавкие металлы высокой чистоты отличаются большой пластичностью при комнатной температуре. Прочностные характеристики у металлов подгруппы VIA заметно выше, чем у металлов подгруппы VА.

В табл. 12.2 приведены значения предела прочности и относительного удлинения тугоплавких металлов при комнатной и высокой температурах. Наибольшую прочность при высоких температурах имеют вольфрам и молибден.

Таблица 12.2

Механические свойства тугоплавких металлов при 20 °С

Свойство

V

Nb

Та

Сг

Мо

W

Металлы высокой чистоты

о„, МГ1а

200

250

200

420

480

500... 600

б, %

40

60

50

44

42

13,5

Металлы технической чистоты

а„ МПа

260... 450

300... 450

380... 500

500... 900

800... 900

800... 1100

5, %

40... 25

50... 20

40... 30

0

10... 15

0

а„ МПа (при

50

77

119

70

176

239

1095 °С)

Рабочая тем-

650...

1100...

1300...

700...

1200...

6150...

пература, °С

1100

1300

1650

1150

1450

2200

Тугоплавкие металлы характеризуются хорошей коррозионной стойкостью в целом ряде агрессивных сред. Наибольшей коррозионной стойкостью обладают хром, молибден и вольфрам.

Ряд свойств тугоплавких металлов, таких, например, как высокая склонность к химическому взаимодействию с газовыми и другими средами при повышенных температурах, резкое снижение пластичности при загрязнении металлов кислородом, азотом, углеродом, водородом, существенно усложняет технологический процесс изготовления деталей из тугоплавких металлов и ограничивает область их использования.

При повышенных и высоких температурах тугоплавкие металлы активно взаимодействуют с кислородом и другими газами. Лишь хром обладает высоким сопротивлением окислению, которое начинается в заметной степени при 700 °С. Все остальные тугоплавкие металлы начинают окисляться при 500...600 °С. Высокая склонность тугоплавких металлов к окислению затрудняет их использование в качестве высокожаропрочных материалов, гак как приходится защищать изделия из этих материалов специальными покрытиями.

Ванадий, ниобий, тантал активно взаимодействуют с водородом. Процесс поглощения металлами водорода начинается при температурах выше 300...500 °С. Сплавы, содержащие водород выше определенной для каждого сплава концентрации, становятся хрупкими (водородная хрупкость).

Тугоплавкие металлы технической чистоты, особенно хром, молибден и вольфрам, имеют низкую пластичность. У этих металлов переход от вязкого состояния к хрупкому происходит при температурах, близких к 0,151Г1Л. Это обстоятельство также вызывает серьезные затруднения в производстве заготовок и их использовании в конструкциях машин и агрегатов.

Диаграмма состояния (часть) системы Nb-C>2

Рис. 12.1. Диаграмма состояния (часть) системы Nb-C>2

Диаграмма состояния (часть) системы М0-О2

Рис. 12.2. Диаграмма состояния (часть) системы М0-О2

Металлы VA подгруппы (V, Nb, Та) способны растворять водород, кислород, азот, углерод в значительно больших количествах, чем металлы VIA подгруппы (Cr, Mo, W). На рис. 12.1 и 12.2 приведены части диаграмм состояния молибдена и ниобия с кислородом, из которых следует, что растворимость кислорода в ниобии на два порядка выше растворимости кислорода в молибдене. Как следует из диаграмм состояния, растворимость этих элементов в тугоплавких металлах с понижением температуры уменьшается и при температурах ниже 1000... 1500 °С в хроме, молибдене и вольфраме она ничтожно мала. Так, растворимость кислорода при 1400 °С составляет 0,26, 0,6 и 1,0 % для тантала, ниобия и ванадия и 0,0004 и 0,0001 % для молибдена и вольфрама соответственно. Поэтому при концентрации этих примесей, превышающих предел растворимости, в структуре сплавов образуются неметаллические включения, приводящие к резкому снижению пластичности и повышению склонности сплавов к хрупкому разрушению.

Температура перехода тугоплавких металлов из вязкого состояния в хрупкое повышается с увеличением концентрации примесей внедрения. В металлах VA подгруппы наиболее резко повышает температуру хладноломкости водород. В молибдене наиболее вредны кислород и углерод.

Анализ свойств тугоплавких металлов и практика показывают, что не все тугоплавкие металлы по совокупности физических и технологических свойств могут с успехом использоваться в качестве конструкционных материалов для изготовления деталей, работающих при высоких температурах. Хром, ванадий и их сплавы, хотя и имеют довольно высокую температуру плавления, однако по своим свойствам и по уровню рабочих температур не превосходят лучшие жаропрочные сплавы на никелевой основе. В промышленности в основном используются сплавы на основе ниобия и молибдена. Ниже приведены основные физические и технологические свойства этих сплавов и на их примере рассмотрены основные особенности плавки и лигья заготовок из тугоплавких металлов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >