3.9. Тугоплавкі метали

До тугоплавких відносять метали з температурою плавлення вище 1700 °С. Це > вольфрам, > молібден, > тантал, > ніобій, У хром, > ванадій, > титан, > цирконій і > реній. Названі метали за нагріву до високих температур на повітрі інтенсивно окислю­ються. Тому вони застосовуються для роботи нагрівальних еле­ментів у вакуумі, або інертному середовищі.

Вольфрам - світло-сірий, дуже важкій (густина 19,3 г/см ³) і найбільш тугоплавкий (t_пл- 3410 °С) з усіх металів. Його добува­ють шляхом збагачення мінералів вольфраміту і шеєліту до чис­того W0₃, який відновлюють воднем за температури 900 °С та отримують порошок металічного вольфраму. Пресуванням поро­шку за тиску 200 МПа отримують стрижні, які термообробляють в атмосфері водню, кують, волочать, прокатують у листи тощо. Внаслідок механічної обробки вольфрам набуває волокнистої бу­дови, стає гнучким. За зменшення діаметра вольфрамового дроту до 5 мм, його міцнісіь підвищується до 500 - 600 МПа, а тонких

ниток - до 3000 - 4000 МПа. Однак при нагріві до високих темпе­ратур в деформованому вольфрамі внаслідок рекристалізації від­бувається укрупнення зерен, і зниження його міцності та пластич­ності. Для поліпшення властивостей у вольфрам вводять присад­ки, які сповільнюють процес рекристалізації та ріст зерна. Найе­фективніше діє присадка оксиду торію Th₂0₃.

Вольфрам входить до складу жароміцних і надтвердих сталей (швидкоріжучі, інструментальні) і твердих сплавів, використову­ється в електротехніці (нитки ламп розжарювання) і радіоелект­роніці (катоди і аноди електронних приладів), електровакуумній техніці (електроди, підігрівачі, пружини, гачки рентгенівських трубок тощо). З вольфраму виготовляють електроди для елект­родугового зварювання, контакти, інші вироби.

Молібден - світло-сірий метал з густиною 10,2 г/см³, t = 2620 °С, хімічно стійкий (на повітрі окиснюється за температур вище 400 °С). Промисловою сировиною для добування молібдену є мо­лібденіт MoS₂. Мікроструктура спеченого і деформованого молі­бдену подібна до мікроструктури аналогічно обробленого вольф­раму, але після рекристалізації молібден, на відміну від вольфра­му, характеризується відносно високою пластичністю. Серед ін­ших тугоплавких металів у молібдену найменший питомий опір. Поєднання високої міцності і пластичності роблять його одним з кращих провідникових матеріалів для виготовлення складних де­талей. З молібдену виготовляють сітки й електроди електронних ламп, рентгенівських трубок, деталі електровакуумних приладів, вакуумнощільних термічно узгоджених вводів у балони з тугоп­лавкого скла. Молібден використовується також для нагріваль­них елементів електропечей, які в захисній атмосфері можуть три­вало експлуатуватися за температур до 1700 °С.

Молібден часто вживають для легування сталей з метою під­вищення їх жароміцності. Ці сталі використовуються в авіа- та автомобілебудуванні для виготовлення лопатей турбін, деталей реактивних двигунів та ін. Сплави молібдену кислотостійкі і ви­користовуються для виготовлення апаратів хімічного виробниц­тва. Зокрема сплав Fe-Ni-Mo стійкий в усіх кислотах (крім HF) до температури 100°С. Оксиди Мо0₂ і Мо0₃ є каталізаторами нафтохімічних та інших процесів.

Тантал - світло-сірий із синюватим вилиском метал (густина 16,6 г/см³ t_пл =2996 °С), який отримують із танталіту Fe(Ta0₃)₂ методами порошкової металургії подібно як вольфрам і молібден. Відмінність полягає в тому, що процес спікання допресованих бру­сків проводять у вакуумних печах через те, що тантал поглинає гази і стає крихким. Деформацією за кімнатної температури з тан­талу отримують дріт, прутки, листи, стрічки і фольгу товщиною до 10 мкм. Тантал характеризується високою пластичністю. Його границя міцності залежить від механічної і термічної обробок і змінюється в межах від 350 до 1250 МПа.

У промисловості використовується ►тантал підвищеної чис­тоти Т, ►тантал високої чистоти ТЧ і ►сплави танталу з ніо­бієм ТН. Із танталу виготовляють аноди і сітки генераторних ламп, катоди і різні допоміжні деталі електровакуумних приладів. Тан­тал використовується у виробництві електролітичних і тонкоплі-вкових конденсаторів, які отримують анодуванням. Завдячуючи підвищеній діелектричній проникності п'ятиоксиду Та₂O₅ (є = 25) досягається висока питома ємність конденсаторів. Тантал засто­совують також для виготовлення тонкоплівкових резисторів. То­нкі плівки отримують методом катодного або іонно-плазмового розпилення в чистому аргоні.

Реній - один з найважчих тугоплавких металів (густіша 21,032 г/см³, t_пл = 3180 °С). Отримують реній методом порошкової металургії. Реній і його сплави з вольфрамом можуть використовуватись у термопарах для вимірювання температур до 2800 °С у вакуумі, водні та інертному середовищі, а також у виробницві електроламп і електровакуумних приладів замість вольфраму. Тонкі плівки ренію, отримані шляхом випаровування електронним променем у високому вакуумі, використовують для створення прецизійних резисторів в інтегральних схемах. Сплави ренію з іншими тугоп­лавкими металами (W, Мо, Та) високожароміцні і застосовують­ся для виготовлення деталей надзвукових літаків, ракет та ін.

Ніобій - світло-сірий тугоплавкий метал (густина 8,57 г/см³, t_пл = 2500 °С), хімічно стійкий, входить в склад хімічно- і жаротрив­ких сталей, з яких виготовляються деталі ракет, ракетних двигу­нів, хімічної та нафтоперегінної апаратури. Ніобієм та його спла­вами покривають тепловиділяючі елементи (твели) ядерних реак-

торів. Ніобій характеризується високим газопоглинанням за тем­ператур 400 - 900 °С. Тому в електровакуумних приладах деталі з ніобію одночасно виконують функції геттера.

Ванадій - метал, елемент V групи періодичної системи. (t_пл= = 1919 °С, Т_кип=3400 °С, густина 6,11 г/см³). Вміст ванадію в зем­ній корі такий же, як міді, хрому, нікелю. Чистий ванадій (99,9 %) - високоплас-тичний, піддається різноманітним видам обробки ти­ском (куванню, штамповці, пресуванню тощо). Йому притаманні парамагнітні властивості, нижче 4,5 К він переходить у стан над­провідності.

Основне застосування знаходить як основа для створення жа­роміцних конструкційних сплавів, а також сплавів для ядерної енергетики, оскільки має високу корозійну стійкість та малий пе­реріз захоплення теплових та швидких нейтронів.

За питомою міцністю (ст/у) в інтервалі температур 500... 1000 °С ванадій та сплави на його основі переважають такі на основі Ті, Fe, Ni, Co, Nb і тому є перспективними для оболонок тепло виділя­ючих елементів реакторів на швидких нейтронах і першої стінки термоядерних реакторів.

Інші метали

Хром - метал сіро-сталевого кольору (густина 7,19 г/см³, t = = 1850 °С), має високу стійкість до окиснення і використовується для нанесення захисних покрить. Хромування проводять в елект­ролітах або насиченням хромом поверхневих шарів сталевих ви­робів шляхом дифузії. Хром є обов'язковим компонентом нержа­віючих, кислотоопірних, жароміцних сталей і великої кількості сплавів (ніхроми, хромалі та ін.)

Залізо (сталь) - блискучий сріблясто-білий метал, який утво­рює поліморфні модифікації. За температур до 768 °С (точка Кюрі, рис. 3.18) стійка модифікація а-фаза з об'ємноцентрованою кубіч­ною ґраткою (густина 7,8 г/см³, t_пл = 1539 °С).

Для провідників застосовують м'яку сталь з вмістом вуглецю 0,10 - 0,15 %, електропровідність якої в 6 - 7 разів нижча, ніж у міді. Сталь - найбільш дешевий і доступний з високою механіч­ною міцністю провідниковий матеріал. Питомий опір заліза зале­жить від вмісту домішок (рис. 3.19). Найбільший вплив на елект­ричні властивості заліза мають домішки кремнію, які підвищують

. Домішки

Рис. 3.18. Зміна магнітних

властивостей заліза, нікелю Рис. 3.19. Залежність

і кобальту залежно від питомого опору сталі від

температури вмісту різних домішок

питомий електроопір заліза. Це явище використовується при ви­плавці легованих кремнієм електротехнічних сталей, які, завдя­чуючи підвищеному питому електроопору, мають менші втрати на вихрові труми, ніж чисте залізо. Маловуглецеві сталі використову­ють для виготовлення корпусів електровакуумних і напівпровідни­кових приладів, які можуть працювати за температур до 500 °С.

Нікель - сріблясто-білий метал з жовтуватим відтінком (густи­на 8,9 г/см³; t_пл = 1453 °С); феромагнітний (точка Кюрі 358 °С, рис. 3.18). Нікель достатньо міцний (ст = 400 - 600 МПа) і пласти­чний (відносне видовження 30 - 50 %), дуже стійкий до корозії у повітрі, воді та розчинах лугів. Широко використовується у еле­ктровакуумній техніці як матеріал для арматури електронних ламп і деяких типів катодів, для виготовлення акумуляторів, хімічної апаратури, нанесення антикорозійних покрить, а також як легую­чий елемент магнітних і провідникових матеріалів.

Ртуть - рідкий за нормальної температури метал (густина 13,52 г/см³, t_пл = -38,97 °С), який за нагріву на повітрі легко окис­люється. Застосовується в ртутних випрямлячах, контактних тер­мометрах, ртутних електродах тощо. Ртуть і її сполуки надзви­чайно отруйні.

Свинець - м'який, пластичний, маломіцний метал сіруватого кольору (густина 11,34 г/см³, t_пл =327,4 °С), має високий питомий опір і високі антикорозійні властивості; він стійкий проти дії води, сірчаної і соляної кислот, але розчиняється в азотній і оцтовій кис­лотах. Свинець та його сплави широко використовують для виго­товлення захисних оболонок кабелів, плавких запобіжників, плас­тин свинцевих (кислотних) акумуляторів.

Олово - сріблясто-білий, м'який, тягучий метал (густина 7,29 г/см³, t_пл =232 °С), який можна розкатати в тонку фольгу. За звичайної температури олово на повітрі не окислюється. Це метал, стійкий у воді, а розведені кислоти діють на нього повільно. Олово вико­ристовується для нанесення захисних покрить, воно входить до складу бронз та сплавів для паяння. Тонка олов'яна фольга інколи використовується для обкладок конденсаторів.

Біметали. З метою зменшення витрат дорогих кольорових мета­лів при виробництві деяких електротехнічних виробів використову­ють біметал. Це маловуглецева сталь (залізо), вкрита ззовні шаром міді або алюмінію. Для виготовлення біметалу застосовують:

► гарячіш спосіб, за якого стальну болванку поміщають у фор­му, а проміжок між: нею і стінками форми заповнюють розплав­леною міддю (алюмінієм); після охолодження біметалеву загото­вку прокатують і протягують у виріб;

► холодний (електролітичний) спосіб - мідь осаджують на сталевий дріт в гальванічних ваннах. До холодного способу мож­на віднести отримання біметалу прокаткою плоскої біметаліч­ної заготовки, зварюванням вибухом.

Біметал має електричні та механічні характеристики, проміжні між властивостями мідного (алюмінієвого) та сталевого провід­ників. Його застосовують для ліній зв'зку, електропередач, шин тощо. У теплових реле, вимикачах, термометрах і т. п. застосову­ється термічний біметал, який складається з двох пластинок різ­них металів з неоднаковими коефіцієнтами термічного розширен­ня, зварених між собою. За нагрівання біметалева пластинка про­гинається.