Авиационное материаловедение
Вульф Б.К., Ромадин К.П.
Машиностроение, 1967 г.
МОЛИБДЕН И ЕГО СПЛАВЫ
Наиболее ценным качеством молибдена является его способное™ сохранять механические свойства до температуры 1000°.
Промышленное производство молибдена представляет большие труд кости из-за высокой температуры плавления и легкой окисляемости его связанной с образованием легкоплавкого и летучего окисла МоO3
Получают молибден методом порошковой металлургии чистотой 99,95%. Для достижения большей чистоты металла его переплавляют в вакуумных электродуговых печах. Переплавленный молибден легко поддается ковке, штамповке, прокатке. Из чистого молибдена получают листы толщиной до 0,1 мм, проволоку, трубки диаметром 1,2 мм и толщиной стенки 0,1 мм.
С вольфрамом, ниобием, ванадием, хромом, р-титаном и танталом молибден образует твердые растворы неограниченной растворимости. С железом, никелем, алюминием, цирконием и многими другими элементами — твердые растворы ограниченной растворимости и химические соединения. Так же как и ниобий, с углеродом, бором и кремнием молибден дает карбиды, бориды и силициды.
Исследование молибденовых сплавов показало, что к деформации способны только твердые растворы. Важным является предельное содержание легирующих элементов, при котором молибденовые сплавы могут коваться. Для сохранения ковкости в молибденовые литые сплавы можно вводить не более 0,8% алюминия, 2,0% хрома, 0,3% кобальта, 0,3% железа, 0,05% никеля, 0,03% кремния.
Наибольшее повышение твердости дает легирование молибдена бором и кремнием. В меньшей мере повышает твердость молибдена никель, кобальт, железо, алюминий, хром, цирконий. Незначительное влияние на твердость молибдена оказывают ванадий, титан, ниобий и тантал. Легирование молибдена вольфрамом (до 20%) не приводит к изменению твердости.
Выяснено, что легирование молибдена в значительных количествах возможно только вольфрамом и танталом. Содержание других легирующих элементов в деформируемых молибденовых сплавах обычно не может превышать 1%.
Молибденовые сплавы обладают высокими характеристиками жаропрочности при температурах выше 1000°. Для повышения жаропрочности лучшими легирующими элементами являются цирконий, титан и ниобий. Обычно вводят примерно 0,1% циркония, 0,5% титана и 0,75% ниобия.
Из описанных в иностранной литературе молибденовых сплавов наиболее перспективными являются сплавы, содержащие 0,85—1,2% титана и 0,1%) циркония. Они нашли применение для изготовления носовыхчастей конструкции летательных аппаратов. Из отечественных молибденовых сплавов можно указать на сплавы ВМ-1 и ВМ-2.
Сплав ВМ-1 выпускается в виде листов толщиной до 0,1 мм и трубок малых и средних диаметров с толщиной стенки до 0,1 мм.
Из листов сплава ВМ-1 могут готовиться детали сложной конфигурации путем вытяжки, гибки, отбортовки и выдавливания. Сплав сваривается аргоно-дуговой сваркой, может быть применена также сварка в атмосфере водорода и электронным пучком в вакууме. Необходимо отметить, что в наплавленном металле повышается содержание газов, что приводит к увеличению хрупкости сварного шва.
Сплав ВМ-2 предназначается для изготовления прутков и штамповок.
Механические свойства сплава ВМ-2 при различных температурах приведены в табл. 30.
Длительная прочность сплава ВМ-2 при различных температурах приведена на рис. 263. Из характера кривых рис. 203 видно, что молибденовые сплавы обладают достаточно высокими механическими свойствами.
Существенным недостатком молибдена является его низкая сопротивляемость окислению при высоких температурах. Начиная с 450° молибден заметно окисляется, а с 700° процесс окисления идет быстро, что связано с интенсивным испарением трехокиси молибдена. Поэтому молибденовые сплавы при температуре 1000—1900° могут работать без защитного покрытия не более 0,5—1,0 часа.
Чтобы предотвратить очень быстрое окисление молибдена, можно использовать легирование или покрытия. Из данных иностранной литературы следует, что более жаростойкими являются молибденовые сплавы, содержащие более 15% никеля, или более 20% хрома, или более 10% кремния.
Из покрытий наиболее перспективно силицирование, в результате которого образуется поверхностный слой толщиной 0,03—0,04 мм; этот слой при температуре 1000—1200° полностью защищает молибден от окисления, а при 1700° — гарантирует работу детали в течение 30 час. Положительные результаты дает также плакирование молибдена никелем или никелевым жаропрочным сплавом. Улучшить жаростойкость молибденовых деталей можно также путем напыления на их поверхность сплава на основе кремния или никеля и бора.
Рассмотренные молибденовые сплавы могут применяться для изготовления деталей, работающих кратковременно (0,5—1,0 часа) при температурах 1800—1900°. При длительной же эксплуатации (до 30 час) существующие методы защиты обеспечивают работу деталей до температуры 1700°.
ВОЛЬФРАМ И ЕГО СПЛАВЫ
Вольфрам один из самых тугоплавких металлов (более тугоплавкими являются углерод и карбиды циркония, гафния, ниобия и тантала).
Получают вольфрам методом порошковой металлургии: сначала трехокись WO3 восстанавливают водородом, затем порошкообразный вольфрам прессуют и спекают. Спекание проводится в атмосфере водорода в два этапа: при 1150—1300° и при 3000°. Полученные таким путем заготовки в дальнейшем проковывают, прокатывают и протягивают. Наиболее ценным качеством вольфрама, так же как и молибдена,
является его способность сохранять механические свойства при высоких температурах (рис. 264).
Большое влияние на механические свойства вольфрама оказывают примеси, которые вызывают хрупкость и повышают электросопротивление. Если же вольфрам выплавлять в вакуумных дуговых печах, то пластичность вольфрама повышается настолько, что трехмиллиметровую проволоку можно легко изогнуть в петлю диаметром 25—30 мм.
Проволока и прутки из чистого вольфрама нашли широкое применение для изготовления нагревателей высокотемпературных вакуумных печей с рабочей температурой до 2500°. Чистый вольфрам также применяется для изготовления нитей накаливания осветительных электрических лампочек, катодов и антикатодов рентгеновских трубок, деталей высокотемпературных усилителей, выпрямителей высокого напряжения и электродов горелок для атомноводородной сварки. Вольфрамовая проволока в паре с молибденовой используется также для изготовления термопар, позволяющих измерять температуру в диапазоне 1200—2000°.
В коррозионном отношении вольфрам является малостойким металлом. Заметное окисление вольфрама на воздухе начинается при температуре 400—500°. При нормальной температуре вольфрам устойчив против действия соляной, серной, азотной и плавиковой кислот, а также царской водки. В смеси азотной и плавиковой кислот вольфрам быстро растворяется.
В растворах щелочей при нормальной температуре вольфрам устойчив, при нагревании щелочей происходит некоторое разъедание.
При сплавлении вольфрама с неметаллами образуются карбиды, нитриды, бориды и силициды. Известны карбиды вольфрама W2Cи WC, обладающие высокой температурой плавления (2600 и 2750°), большой твердостью и хорошими режущими свойствами; нитриды WNи WN2, образующиеся при нагревании вольфрама в атмосфере азота при температуре 2500°; бориды W2B, WBи W2B5, обладающие высокой температурой плавления (2770, 2400 и 2300°) и большой твердостью, и силициды— W3Si2 и WSi2 с температурой плавления 2320 и 2165°, устойчивые против окисления.
С молибденом и танталом вольфрам образует твердые растворы неограниченной растворимости, с железом, никелем, кобальтом, платиной, рением и гафнием — твердые растворы ограниченной растворимости.
Основным преимуществом вольфрамовых сплавов является их высокая жаропрочность, износостойкость и тугоплавкость.
Одним из самых распространенных инструментальных металлокерамических твердых сплавов является карбид вольфрама (85—95% WC) с цементирующей присадкой кобальта или никеля (15—5%). В некоторые твердые сплавы добавляют карбид титана и ниобия. Твердые вольфрамовые сплавы не теряют своей высокой твердости и износостойкости до температуры 1100° и находят применение для изготовления рабочих частей режущих и буровых инструментов, протяжек проволоки и прокатных валков.
По данным иностранной литературы, для повышения жаропрочности вольфрам легируют ниобием, титаном, цирконием, рением и другими элементами, а также спекают его с карбидом тантала и двуокисью тория.
Из сплавов, описанных в зарубежной литературе, наиболее жаропрочными являются вольфрамовые сплавы, содержащие 0,6—0,9% ниобия или 0,12% циркония или 30% рения, а также спеченные сплавы, содержащие 0,4%, ТаС или 2% Th02.
Существенным недостатком вольфрамовых сплавов является их низкая сопротивляемость окислению при высоких температурах. Поэтому эти сплавы для эксплуатации при высоких температурах надо защищать от окисления специальными покрытиями. Из покрытий наиболее перспективными являются силицирование, покрытие А120з и Zr02iа также тугоплавкими эмалями.
Вольфрамовые сплавы в настоящее время находят все большее применение в высоковакуумной технике, в газовых турбинах, в атомно-энергетических установках, а также в качестве высокожаропрочных конструкционных сплавов.
Из отечественных сплавов следует указать .на вольфрамовый сплав ВВ-2, который по своей жаропрочности превосходит все жаропрочные сплавы. Механические свойства сплава ВВ-2 при различных температурах приведены в табл. 31.
НИОБИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
Чистый ниобий (Колумбий)—малопрочный, но пластичный металл. Высокая пластичность ниобия позволяет проводить обработку его давлением: литой ниобий легко поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению. Из него можно изготовить листы малой толщины, тонкую проволоку и трубки малого размера.
Ниобий хорошо обрабатывается резанием, обладает высокой сопротивляемостью эрозии. Под действием потока жидкости или газа, протекающего с большой скоростью, разрушение ниобия является весьма незначительным.
В условиях нормальной температуры ниобий коррозионностоек при действии концентрированных кислот (азотной, серной и соляной), аммиака и насыщенного раствора хлористого натрия.
В горячих концентрированных щелочах и насыщенном растворе хромпика он быстро растворяется. На воздухе ниобий начинает заметно окисляться при температурах выше 300°. В расплавленном натрии он стоек до 600—700°.
При сплавлении ниобия с металлами образуются твердые растворы как неограниченной, так и ограниченной растворимости.
С молибденом, вольфрамом, ванадием, танталом, титаном и цирконием ниобий образует твердые растворы неограниченной растворимости, а с хромом, никелем и железом — твердые растворы ограниченной растворимости и химические соединения.
С торием ниобий дает механическую смесь эвтектического типа без заметной взаимной растворимости.
Ниобий с неметаллами образует карбиды, нитриды, бориды и силициды. Наиболее важными из них являются: карбид NbC, обладающий большой твердостью и высокой температурой плавления, равной 3900°; борид NbB большой твердости (Ну=2595 кГ/мм2)и высокожаростойкие силициды NbSi2 и Nb4Si
Основным преимуществом ниобиевых сплавов является их высокая жаропрочность.
Наиболее перспективными являются ниобиевые сплавы, легированные молибденом, вольфрамом, ванадием, титаном и танталом, образующими с ниобием неограниченные твердые растворы с добавлением алюминия, хрома, циркония, кремния и бора, которые как в чистом виде, так и в виде металлических соединений, играют роль упрочнителей.
Из сплавов, описанных в иностранной литературе, наибольшее промышленное применение получили сплав F-48, содержащий 15% вольфрама, 5% молибдена и 1% циркония, и сплав F-50, который, кроме элементов, входящих в сплав F-48, содержит дополнительно 5% титана. Титан вводится, чтобы повысить сопротивление окислению.
Зарубежные фирмы «Дженерал-Электрик» и «Пратт-Уитней» успешно применяют ниобиевые сплавы для деталей турбин, работающих при 1100—1400° С.
Из отечественных ниобиевых сплавов следует указать на сплав ВН-2, механические свойства которого при различных температурах приведены втабл. 29.