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