7 ТУГОПЛАВКІ МЕТАЛИ ТА ЇХ СПЛАВИ

"Тугоплавкі" - умовна назва металів, температура плавлення яких вище за Тпл. хрому (1875°С). До складу цієї групи входять насту­пні метали: 2г, Щ V, М>, Та, Сг, Мо, Ж. Тугоплавкі метали належать до групи перехідних елементів, спільною ознакою є наявність вільних місць на сі-оболонках, заповнення електронами зовнішніх рівнів для цих елементів є схожим. Висока температура плавлення обумовлена особливостями міжатомного зв'язку. Електрони сі-підрівня з некомпе-нсованим спином зумовлюють виникнення певної спрямованості між­атомних зв' язків, в кристалах виникає ковалентна складова міжатом­ного зв'язку. Наприклад, для хрому міжатомний зв'язок є максималь­ним, у зв' язку приймають участь 5,78 електронів на атом.

Спільною ознакою тугоплавких металів є хімічна інертність по відношенню до більшості газових та рідких середовищ при низькихтемпературах та висока хімічна активність при підвищених. При кім­натній температурі метали не взаємодіють з повітрям, водою. Найви­ща корозійна стійкість за цих умов відповідає танталу (стійкий в лу­гах, азотній, сірчаній кислоті, аміаку), хрому, цирконію. Із підвищен­ням температури активність металів зростає, помітне окислення відпо­відає температурам 400-500°С. Вище 600°С всі тугоплавкі метали, за винятком хрому, активно реагують з киснем, тому при робочих темпе­ратурах ці метали потребують захисту від окислення. При підвищених температурах тугоплавкі сплави здатні взаємодіяти з воднем та азо­том, з утворенням гідридів та нітридів, найбільш несприятливою фа­зою вважають нітрид хрому через високу крихкість сполуки.

Легування тугоплавких металів передбачає можливість утворен­ня твердих розчинів, металоїдів та їх сумішей. Найчастіше основний легуючий елемент вводиться в сплав для створення твердого розчину, спільна будова тугоплавких металів дозволяє вводити їх у значній кі­лькості. Водень, вуглець, азот та кисень утворюють тверді розчини втілення, але розчинність їх невелика, через малий об'єм пор в ОЦК гратці тугоплавких металів. При вмісті водню, азоту, вуглецю, що пе­ревищує розчинність в гратці, утворюються фази втілення з простою структурою нітриди, гідриди, карбіди. Найчастіше ці фази відповіда­ють формулам: М4Х, МХ, МХ2 (Х - відповідний елемент). Фази вті­лення (окрім гідридів) мають високі температуру плавлення, твердість, міцність і можуть використовуватись як фази зміцнення. Гідриди че­рез високу крихкість відіграють роль "надрізів" в металі, спричиняють зменшення показників пластичності та в'язкості.

Основним недоліком тугоплавких металів є висока схильність до холодноламкості. При температурах нижчих певного рівня пласти­чність різко зменшується (в' язкий характер руйнування змінюється на крихкий). Ця характеристика має назву - температурний поріг холод­ноламкості, для Та та V Тп.х.=-196°С, М> (-120°С), МП (-20°С), \¥ (+330°С), Сг (+370°С). Поріг холодноламкості чутливий до вмісту до­мішок та структурного стану металу. Холодноламкість пов' язана з до­мішками втілення, при взаємодії атомів втілення з дислокаціями від­бувається їх блокування, концентрація напружень призводить до по­яви тріщини, як наслідок - крихкого руйнування. Іншою причиною холодноламкості є слабкість зв' язків на межах, що пов' язана з утво­ренням в примежових об' ємах сегрегацій атомів-домішок, які утво­рюють на межах вторинні фази, зі зниженням міцності твердого роз­чину. Методами боротьби з холодноламкістю є використання вакуум­ного електронно-променевого плавлення, зменшення розмірів зерен та субзерен. Схильність до холодноламкості вища у випадку порошкових матеріалів, для хрому, молібдену та вольфраму температурний поріг холодноламкості підвищується після рекристалізації, тому найчастіше ці метали використовують з нерекристалізованою структурою.

Легування тугоплавких сплавів має на меті:

- зменшити схильність до крихкого руйнування при низьких температурах;

- підвищити рівень міцності та жароміцності.

Легування дозволяє зменшувати схильність до крихкого руйну­вання тугоплавких металів при низьких температурах завдяки наступ­ним факторам:

- збільшенню розчинності домішок в основному металі, через виникнення спотворень гратки;

- запобіганню утворення сегрегацій домішок у примежових об' ємах, в тому числі з утворенням суцільної міжзеренної плівки;

- формуванню сполук легуючого елементу з домішками вті­лення, матриця позбавляється шкідливих домішок;

- подрібненню зерна модифікуванням або рекристалізацією;

- стабілізації полігонізованої структури.

Найбільш сприятливий вплив на властивості (зменшення крих­кості) має реній, який в значній кількості здатний розчинятися в грат-ках тугоплавких металів. Розчинність ренію при температурі 1000°С в гратці ванадію складає 65%, ніобію - 55%, танталу - 50%, хрому -65%, молібдену - 50%, вольфраму - 32%; при зниженні температури розчинність мало змінюється.

Для досягнення підвищеної міцності та жароміцності легування має забезпечити розчинне або дисперсійне зміцнення. Ефективність введення елементів залежить від типу фаз. Наприклад, для танталу при введенні елементів втілення вже при низьких концентраціях - 0,02% (при Т=77 К), коли ці елементи присутні в твердому розчині, спостері­гається збільшення границі плинності на 45 МПа; для кисню, на 80 МПа для азоту, на 105 МПа для водню. Але ефект зміцнення є нестійким та зникає при підвищенні температури понад (0,1-0,2)Тпл. Більш ефектив­ним при підвищених температурах вважають легування елементами, якіутворюють розчини заміщення, найчастіше використовуються тугопла­вкі метали. Більший рівень жароміцності може бути досягнуто при дис­персійному твердінні за рахунок виділення дисперсних карбідів, нітри­дів, або оксикарбідів, оксикарбонітридів. Ще одним шляхом підвищен­ня жароміцності сплавів є виготовлення сплавів методом порошкової металургії, що дозволяє реалізувати дисперсний механізм зміцнення.