Тугоплавкие металлы

Развитие техники уже в начале XX столетия потребовало твердых, жаростойких, жаропрочных, противокоррозионных и кислотоупорных металлов и сплавов со свойствами, превосходящими известные для обычных углеродистых сталей, тяжелых цветных металлов и их сплавов.

Жаростойкими считаются вещества, не претерпевающие поверхностных разрушений в атмосфере при температурах до 550° С.

Жаропрочные стали и сплавы, помимо того, должны выдерживать некоторые механические нагрузки, будучи нагретыми выше 600° С.

Тугоплавкие металлы, размещенные в средней части Периодической системы Д. И. Менделеева, все относятся к переходным элементам, у атомов которых d-орбитали заполнены менее чем наполовину, или имеют 5 электронов. Добавки этих элементов, иногда в малых количествах, улучшают свойства сплавов железа преимущественно вследствие изменения крупности зерна, интервала отпуска и закалки, а также образования карбидов. Помимо того, тугоплавкие металлы сами по себе жаростойки и жаропрочны, все они очень тверды, а при малых примесях углерода, кислорода и азота — пластичны. Карбиды тугоплавких металлов отличаются еще более высокими температурами плавления и кипения, а по твердости иногда близки к алмазу. О роли этих соединений в составе сплавов уже говорилось — они препятствуют деформации сдвига и увеличивают твердость обычно в ущерб пластичности. Весьма тверды и жаропрочны также некоторые бориды, нитриды и силициды тех же элементов.

Спеченные сплавы из карбидов или других тугоплавких соединений металлов — керметы получают методами порошковой металлургии. Мелкий твердый материал смешивают с порошком пластичного металла — кобальта или никеля, прессуют в форме нужного изделия, а затем спекают в среде водорода или нейтрального газа. Так делают резцы, фрезы, буровые коронки и другие режущие инструменты.

Свойства тугоплавких металлов, их карбидов и других твердых соединений еще недостаточно изучены. В частности, температуры плавления и кипения, весьма высокие и трудные для точного измерения, в литературе сообщаются с большими приближениями и различными цифрами, в табл.;  они усреднены и округлены.

Таблица . Некоторые свойства тугоплавких металлов и их карбидов*

Металл и его порядковый номер Структура атома Карбид Температура плавления, °С Температура кипения, °С
металла карбида металла карбида
22. Ті Аr, 3d2 4s2 TiC 1725 3200 3170 4300
23. V Аr, 3d5 4s2 VC 1735 2800 3400 3900
24. Сr Аr, 3d6 4si Сr3С2 1800 1890 2200 3800
40. Zr Кr, 4d2 5s2 ZrC 1860 3500 5050 5100
41. Nb Кr, 4d4 5s1 NbC 2415 3700 3700
42. Mo Кr, 4d5 5s1 Mo2C 2620 2680 4800
43. Тс Кr, 4d6 5s 2150 4700
72. Hf Xe, Sd2 6s2 HfC 2230 3880 5300
73. Та Xe, 5d3 6s2 TaC 3000 3880 5300 5500
74. W Xe, 5d4 6s2 WC 3410 2870 5930 6000
75. Re Xe, 5d5 6s2 3170 5870

* Средние округленные данные для наиболее изученных карбидов.

Механические свойства значительно зависят от чистоты металлов, даже от присутствия кислорода и азота, поглощаемых из воздуха, от деформации после литья и режима затвердевания — скорости охлаждения.

В элементарном состоянии и сплавах на собственной основе наиболее употребительны титан, вольфрам и молибден. Сплавы других элементов своеобразны по составу и свойствам. За рубежом, например, применяют для камер сгорания и обшивки ракет сплав тантала с 8% вольфрама и 2% гафния, который сохраняет прочность в пределах температур от —260 до +2000° С; подобные, на первый взгляд неожиданные комбинации нередки. По другим данным, для аналогичных целей служат сплавы тантала, ниобия, молибдена и рения, также весьма жаропрочные.

Статья на тему Тугоплавкие металлы