Параметры тугоплавкие металлы

К тугоплавким относятся металлы и сплавы с температурой плавления, превышающей 1700°С. Как правило, данные материалы химически устойчивы при низких температурах, но становятся активными при повышенных. Эксплуатация их при высоких температурах может быть обеспечена в атмосфере и инертных газов или в вакууме. В плотном виде эти металлы чаще всего получают методами порошковой металлургии - прессовкой и спеканием порошков. В электротехнике получили распространение методы электровакуумной технологии производства чистых тугоплавких металлов: зонная очистка, плазменная обработка и др. Механическая обработка этих материалов трудна и часто требует их подогрева.

2.1. Основные свойства

Основными тугоплавкими металлами являются вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром, ванадий, титан, цирконий и рений. Все тугоплавкие металлы, за исключением платины, при нагревании на воздухе до высоких температур интенсивно окисляются с образованием летучих соединений. Поэтому их можно применять для изготовления лишь тех нагревательных элементов, которые работают в вакууме или защитной среде. Преимуществом тугоплавких металлов является ничтожно малое давление насыщенного пара, даже при высоких рабочих температурах.

Вольфрам - очень тяжелый, твердый металл серого цвета. Из всех металлов вольфрам обладает наиболее высокой температурой плавления. В природе встречается только в виде соединений. Вследствие высокой температуры плавления получение вольфрама в виде компактного слитка сопряжено со значительными трудностями. Характерной особенностью вольфрама, отличающей его от других металлов, является высокая внутрикристаллическая прочность при очень слабом сцеплении между отдельными зернами. Поэтому спеченные изделия, обладающие мелкозернистым строением, хрупки и легко ломаются. В результате механической обработки ковкой и волочением вольфрам приобретает волокнистую структуру, и излом его весьма затруднен. Этим объясняется гибкость тонких вольфрамовых нитей. При уменьшении толщины вольфрамовой проволоки сильно возрастает ее предел прочности при растяжении (от МПа для кованых стержней диаметром 5мм до 3МПа для тонких нитей; последние имеют относительное удлинение при разрыве около 4%).

При нагревании тянутого вольфрама до высоких температур начинается процесс рекристаллизации, т. е. укрупнение зерен. Волокнистая структура постепенно исчезает, а отдельные зерна увеличиваются в размерах до площади поперечного сечения проволоки. Рекристаллизованный вольфрам вследствие слабого междузеренного сцепления становится очень хрупким. Кроме того, при высоких температурах образовавшиеся крупные кристаллиты получают возможность скользить, «провисать» под действием собственной массы относительно друг друга. Поэтому проволоки и спирали, изготовленные из чистого вольфрама, при высоких температурах оказываются очень непрочными. Для улучшения свойств чистого вольфрама в него вводят добавки окислов кремния, алюминия, кальция. Указанные присадки вызывают кристаллизацию, главным образом в направлении оси проволоки. Непровисающеий вольфрам используется для изготовления нитей ламп накаливания. В этой области применения вольфрам не имеет конкурентов. Применение вольфрама для изготовления нитей ламп накаливания в 1890г было предложено русским изобретателем А. Н. Лодыгиным.

Вольфрам обладает наименьшим температурным коэффициентом линейного расширения среди всех чистых металлов. Это свойство оказывается ценным при изготовлении термически согласованных спаев вольфрама с тугоплавкими стеклами, которые тоже имеют низкий температурный коэффициент линейного расширения.

Молибден - металл, по внешнему виду, а также по технологии обработки близкий к вольфраму. Важнейшей промышленной рудой молибдена является молибденит. Микроструктура спеченного, кованого и тянутого молибдена сходна со структурой аналогично обработанных образцов вольфрама. Однако волокнистая структура тянутого молибдена выражена менее отчетливо. Рекристаллизованный вольфрам при комнатной температуре всегда хрупок, в то время как отожженный мелкозернистый молибден характеризуется высокой пластичностью. Благодаря этому механическая обработка заготовок из молибдена при получении различных деталей не представляет особых затруднений. Улучшения структуры и повышения механической прочности молибдена добиваются введением специальных присадок, таких, как окись кремния, окись тория и др.

При комнатной температуре молибден - химически относительно инертный металл, но более активный, чем вольфрам. На воздухе металл начинает окисляться при 300°С с образованием низших окислов, а при температуре выше 600°С образуется в МоО3, которая быстро испаряется при 700°С. Поэтому нагреваемые детали должны работать в вакууме или восстановительной среде.

Среди всех тугоплавких металлов молибден обладает наименьшим удельным сопротивлением (рисунок 1).

Рисунок 1 – Зависимость удельного сопротивления вольфрама, молибдена, тантала и рения от температуры

Высокая прочность молибдена в сочетании с хорошей пластичностью делают его одним из лучших проводниковых материалов для изготовления деталей сложной конфигурации, работающих при высоких температурах. Из молибдена изготавливают сетки и электроды электронных ламп, рентгеновских трубок и различные вспомогательные детали электровакуумных приборов с напряженным тепловым режимом. Молибден используется также в качестве нагревательных элементов электрических печей. Такие элементы в защитной атмосфере могут устойчиво работать при температурах 1700°С, когда еще слабо выражены процессы рекристаллизации в молибдене. В электровакуумной технике наиболее распространены марки молибдена МЧ (молибден чистый) и МК (молибден с присадкой окиси кремния). Материал марки МК обладает повышенной механической прочностью при высоких температурах.

Тантал - металл, получаемый из мало распространенной руды - танталита Fe (ТаО3)2 методами порошковой металлургии подобно вольфраму и молибдену. Тантал изготавливают в виде проволоки, прутков, листов, лент и фольги толщиной до 10 мкм. В производстве используют материал Т (тантал повышенной чистоты), ТЧ (тантал высокой чистоты) и сплавы тантала с ниобием, маркируемые ТН. Тантал характеризуется высокой пластичностью даже при комнатной температуре. Предел прочности материала при растяжении может изменяться в зависимости от механической и термической обработок от 350 до 1250 МПа. При нагревании на поверхности тантала образуется плотная пленка окисла Та2О5, которая не разлагается вплоть до температуры порядка 1500°С. В противоположность вольфраму и молибдену тантал не становится хрупким при нагревании в вакууме до весьма высоких температур. Ввиду природной дефицитности и относительно высокой стоимости тантал используется преимущественно для ответственных изделий, работающих в напряженном тепловом режиме. В частности, из тантала изготавливают аноды и сетки генераторных ламп, катоды прямого и косвенного накала и различные вспомогательные детали электровакуумных приборов. Особое значение тантал имеет при производстве конденсаторов. Широкое применение получили электролитические и тонкопленочные конденсаторы, получаемые анодированием. Тантал являет собой пример металла, образующего однородные пленки окисла в водных растворах почти любого электролита. Благодаря повинной диэлектрической проницаемости пятиокиси Та2О5(ε = 25), такие конденсаторы обладают большой удельной емкостью. Наилучшей временной стабильностью обладают пленки нитрида Ta2N, которые наиболее широко применяют для изготовления резисторов. На рисунке 2 показана зависимость электрических свойств резистивных пленок от парциального давления азота в процессе осаждения тантала. Важное свойство азотсодержащих танталовых пленок состоит в том, что их можно анодировать, как и чистый тантал.

Рисунок 2 – Зависимость удельного сопротивления и температурного коэффициента удельного сопротивления пленки из тантала от парциального давления азота в процессе его осаждения

Ниобий - металл, по свойствам близкий к танталу и находящийся в тех же рудах, что и тантал. Получают ниобий методами порошковой металлургии. Металл, содержащий 99,4% Nb, высокопластичен и выпускается в виде прутков, листов, ленты, фольги и проволоки. Среди тугоплавких металлов ниобий имеет наименьшую работу выхода электронов. Поэтому его применяют в качестве накаливаемых катодов в мощных генераторных лампах. Из всех элементарных веществ ниобий характеризуется самой высокой критической температурой перехода в состояние сверхпроводимости (9,2 К). Однако критические напряженности магнитного поля у ниобия недостаточны для его широкого применения в электротехнике.

Хром - весьма распространенный в земной коре элемент, обладающий высокой стойкостью к окислению, а потому используемый для защитных покрытий изделий, в том числе эксплуатируемых при повышенных температурах. Хромирование производят электролитическим методом или с помощью насыщения хромом поверхностных слоев стальных изделий посредством диффузии из внешней среды. Из тонких пленок хрома изготавливают резисторы и подслои для контактных площадок и токопроводящих соединений в интегральных микросхемах. Хром входит в состав большого количества сплавов для нагревательных приборов, термопар, конструкционных нержавеющих, жаропрочных сталей и магнитных материалов.

Рений - один из редких очень тяжелых металлов, с температурой плавления, близкой к температуре плавления вольфрама. Получают рений методами порошковой металлургии. Он отличается редким сочетанием свойств, удовлетворяющих большинству требований электровакуумной техники. В атмосфере водорода и во влажной среде он испаряется в меньшей степени, чем вольфрам. Рений и его сплавы с вольфрамом применяют в производстве электроламп и электровакуумных приборов взамен вольфрама. Это обеспечивает более длительный срок службы в условиях динамических нагрузок. Рений и его сплавы вместе с вольфрамом позволяют создавать термопары для измерений температур до 2°С в вакууме, водороде или инертной среде. В электротехнике рений применяют для защиты от коррозии и износа деталей из меди, серебра, вольфрама, молибдена. Тонкие пленки рения используются для создания прецизионных резисторов в интегральных схемах.

Поиск по сайту: