Технология редких металлов в атомной технике
Ягодин Г. А., Синегрибова О. А., Чекмарев А. М.
Атомиздат, 1974 г.
Редкие металлы обладают целым рядом уникальных физических и химических свойств, и с каждым годом их все шире используют в новейших областях науки и техники.
Редкие металлы приобрели исключительное значение для производства специальных сталей, твердых, жаропрочных, сверхпроводящих, антикоррозионных и других сплавов.
Металлические сплавы — это макроскопически однородные системы из двух или более металлов и неметаллов, обладающие характерными свойствами металлов. Сплавы можно классифицировать: 1) по числу компонентов (двойные, тройные и т.д.), 2) по структуре (гомогенные и гетерогенные),
по характеру основного металла (например, сплавы редких металлов),
по характерным свойствам (тугоплавкие, коррозионно - устойчввые и т.д.),
по технологическим признакам (литейные и деформируемые).
Сплавы в общем случае не представляют собой простых смесей составляющих компонентов. В зависимости от химической природы компонентов сплав может быть твердым раствором, химическим соединением или смесью фаз.
Взаимная растворимость элементов определяется кристаллохимическими факторами (подобие или различие кристаллических решеток), разницей в атомных радиусах компонентов, а также величиной электроотрицательности элементов.
Чем больше разница в электроотрицательности двух элементов, тем больше вероятность образования устойчивого ионного соединения. При сплавлении металлов, обладающих одинаковой кристаллической структурой компонентов, малой (меньше 15%) разницей в атомных радиусах и близкими химическими свойствами, возникают твердые растворы с неограниченной растворимостью компонентов. Для образования твердых растворов разница в электроотрицательности не должна превышать ±0,4.
Ограниченная растворимость наблюдается, если различна кристаллическая структура компонентов, радиусы атомов компонентов различаются более чем на 15% и т. д. При этом возникают промежуточные фазы. Если отношение атомных радиусов компонентов меньше 0,59, образуются так называемые фазы внедрения.
Металлические химические соединения образуются преимущественно из тех компонентов, которые наиболее сильно различаются по электронному строению, химическим и физическим свойствам, т. е. далеко расположены друг от друга в периодической системе элементов, имеют значительно различающийся атомный объем и различное кристаллическое строение.
Металлические соединения могут быть как постоянного, так и переменного состава. Металлические соединения отличаются от обычных неорганических химических соединений тем, что компонентами их служат металлы, причем металлические соединения являются новыми веществами, по своим свойствам мало похожими на металлы, из которых они образовались. Это происходит благодаря наличию смешанной межатомной связи (металлической, ковалентной и ионной) н разнообразию кристаллических структур. В металлических соединениях все же преобладает металлическая связь и вследствие этого проявляются металлические свойства. Наличие смешанной и преобладание металлической связи характерно также для соединений металлов с неметаллом (бориды, нитриды, карбиды и т.д.), которые тоже относятся к классу' металлических соединений, так как в их строении преобладает металлическая связь и они проявляют типичные металлические свойства (электронную проводимость, высокую теплопроводность, металлический блеск и т.п.).
Различные типы межатомной связи и кристаллических структур создают у этих соединений большое разнообразие физико-химических, механических, электрических, оптических и других свойств.
Физико-химические свойства сплавов в большой степени определяются их структурой. Н. С. Курнаков установил закономерности изменения многих физических свойств в двойных равновесных системах. Он нашел, что образование твердых растворов металлов, как правило, приводит к увеличению твердости, прочности и электросопротивления по сравнению с их значениями для исходных компонентов. При образовании металлического соединения твердость и электросопротивление также возрастают. Металлические соединения имеют гораздо более высокие значения твердости и электросопротивления, чем образовавшие их металлы. В сплавах-смесях физико-химические свойства изменяются аддитивно.
Редкие металлы можно использовать как в качестве основы сплава, так и в качестве легирующих добавок.
В соответствии с классификацией Е, М. Савицкого различают несколько-механизмов влияния добавок редких металлов на другие металлы и сплавы:
1) модификация структуры .основного металла — измельчение зерен. Механизм модификации сложен, частично его можно объяснить изменением поверхностного натяжения основного металла. Иногда эффект модификации достигается при введении окислов, частицы которых, вероятно, служат центрами кристаллизации. К явлениям модификации можно отнести также измельчение включений графита. Включения углерода в чугуне обычно имеют форму пластин хрупкого графита, которые ослабляют металл. Введение модификатора придает графиту форму мелких шариков, прочность металла при этом возрастает;
2) рафинирование от неметаллов: кислорода, азота, углерода, водорода, серы, фосфора. За счет образования более прочных соединений редкие элементы образуют соответствующие сульфиды, окислы, нитриды и т.д., которые переходят в шлак. При этом в первую очередь очищаются границы зерен основного металла, что приводит к снижению граничной хрупкости, повышению ударной вязкости, уменьшению хладноломкости;
3) образование тугоплавких соединений с вредными примесями. Легкоплавкие соединения основного металла, а также включения легкоплавких примесей (сера. <Пл=95°С; фосфор, tпл=44°С) часто нарушают целостность границ зерен при горячей обработке;
4) улучшение структуры поверхностной окисной пленки, что обычно приводит к резкому возрастанию жаропрочности и коррозионной устойчивости;
5) изменение механизма пластической деформации основного металла — увеличение или уменьшение пластичности;
6) повышение температурырекристаллизации в результате увеличения прочности межатомных связей;
7) образование тугоплавких металлических соединений, что приводит к механическому упрочнению сплавов при обычных и высоких температурах. Образующиеся соединения часто концентрируются на'границах зерен;
8) стабилизирующее действие на отдельные модификации полиморфных материалов;
9) придание сплавам особых физических свойств (повышенной способности поглощать нейтроны, магнитных свойств, сверхпроводимости в т.д.).
Модификация структуры и раскисление обычно благоприятно сказываются на процессах сварки и качестве сварного шва. Измельчение структуры и очистка границ зерен от неметаллических включений повышают стойкость против истирания.
Использование редких металлов в черной и цветной металлургии при водит в некоторых случаях к значительному улучшению свойств основного металла. Следует отметить, что в настоящее время эта область технологии бурно развивается и возможности ее все более расширяются по мере совершенствования способов выделения и очистки редких элементов.