Файл: Копецкий, Ч. В. Структура и свойства тугоплавких металлов.pdf

влиять на температуру начала рекристаллизации воль­ фрама.

Так, по данным Е. В. Паничкиной и В. В. Скорохода, добавка 0,5% Ni резко увеличивает скорость рекристал­ лизации и снижает температуру ее начала [94].

При отжиге вольфрама технической чистоты выше 1800°С вследствие вторичной рекристаллизации возни­ кает резкая разнозернистость. М. А. Криштал и др. по­ лагают, что укрупнение зерен при вторичной рекристал­ лизации вольфрама происходит путем слияния соседних зерен с близкой ориентировкой в результате исчезнове­ ния границ зерен вследствие рассредоточения дислока­ ций в объеме зерна [143].

Ниобий

Диаграмма рекристаллизации ниобия технической чистоты представлена на рис. 68 [91]. Температура на-

Степень деформации, °/о

Рис. 68. Диаграмма рекристаллизации ниобия [91]

чала рекристаллизации для высоких степеней деформа­ ции составляет 1000°С. Резкое увеличение размера зер­ на наблюдается в результате отжигов при 1300°С и выше. Критическая степень деформации соответствует пример­

152

но 5%. Повышение чистоты ниобия по примесям внедре­ ния ведет к снижению температуры начала рекристал­ лизации. Для ниобия электроннолучевой плавки она сдвигается до температуры 900°С, а для иодидного нио­ бия— до 940°С [91]. Томпсон и Флевнтт предполагают, что у ниобия, свободного от примесей внедрения, темпе­ ратура рекристаллизации понизится до температуры 0,2 ГмКак отмечено в работе [144], температуру на­ чала рекристалли­

зации, кроме приме­ сей внедрения, по­ вышают также при­ меси металлов, ма­ ло растворимых в ниобии. Здесь же указывается, что ни­ обий, деформиро­ ванный с обжатием

50, 80 и 96%, раз-

упрочияется практи­ чески полностью до наступления рекри­ сталлизации. В ра­ боте [70] показано, что возврат механи­ ческих свойств начи­ нается при 600°С и заканчивается в ос­ новном до наступле­ ния рекристаллиза­ ции.

Степень деформации, °/а

Тантал

153

ляет 1090°С для образцов, деформированных на 80%, 1177°С — для 40%-ной и 1205°С —для 20%-ной дефор­ мации. Холоднодеформированный на 95% тантал элект­ роннолучевой плавки при отжиге в течение 1 ч при 900°С рекристаллизуется на 50% [70]. Есть сведения, что в спеченном тантале начало рекристаллизации наб­ людают в интервале 800—1000°С в зависимости от сте­ пени деформации. Пинк считает, что в зависимости от чистоты и степени деформации тантал рекристаллизует­ ся в интервале температур от 800 до 1500°С.

Среди примесей замещения наиболее эффективно повышают температуру начала рекристаллизации до­ бавки молибдена и вольфрама.

Разупрочнение холоднодеформированиого тантала наблюдается при сравнительно низких температурах. Твердость деформированного металлокерамического тан­ тала начинает падать уже в результате отжига при тем­ пературах около 400°С, в то время как полностью рекри­ сталлизация заканчивается лишь при 1400°С {70].

Гла в а V

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ

ПРОЧНОСТЬ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ И ИХ СПЛАВОВ

ВОЛЬФРАМ И ЕГО СПЛАВЫ

Нелегированный вольфрам

Значения механических свойств чистого вольфрама при высоких температурах в интервале от 0,3 до 0,6 ГПл, полученные разными авторами, сильно разнятся. Во многом они зависят от способа получения образцов и их обработки. На рис. 70 показано изменение прочности вольфрама в интервале температур от 1000 до ЗО00°С по данным ряда исследований. Наиболее прочными оказы­ ваются образцы, полученные методом порошковой ме­ таллургии и испытанные в дефор,мированном состоянии.

154

Образцы из вольфрама вакуумной дуговой плавки, ис­ пытанные в сходных условиях, имеют близкие значения прочности. Рекристаллизация в обоих случаях ©едет к снижению характеристик высокотемпературной проч­

ности вольфрама.

Более низкую прочность в рассматриваемом ин­ тервале температур показывают образцы вольфрама электроннолучевой вакуумной плавки. Такое различие в свойствах может быть связано с чистотой вольфрама,

Рис. 70. Температурная зависимость предела прочности вольфрама, .полученного различными методами:

особенно по .примесям внедрения, с количеством и рас­ пределением дисперсных неметаллических включений, в первую очередь карбидов, и, наконец, с размерами зерна вольфрама в испытанных образцах. Детально пока это не изучено. Обычно вольфрам дуговой плавки содержит несколько большее количество примесей, чем металл,

155

полученный электроннолучевой плавкой. Возможно так­ же, что разница .в свойствах в основном объясняется не­ одинаковым размером зерна. Проволока вольфрама со специальными кремниево-щелочными добавками, испы­ танная при повышенной температуре, обладает сущест­ венно более высокой прочностью по сравнению с прочно­ стью вольфрама, полученного методами I — IV (см. рис. 70). Здесь, по-видимому, сказывается влияние специаль­ ных добавок, а также масштабного фактора в случае тонкой проволоки [79].

С повышением температуры испытания влияние от­ меченных выше факторов — в первую очередь способа по­ лучения и размера зерна — менее эффективно. При тем­ пературах испытания 2000°С и выше прочность вольфра­ ма практически не зависит от способа получения образ­ цов и их термической обработки, предшествующей ис­ пытанию. При этом значения прочности сохраняются достаточно высокими — они составляют при 2000 и 2500°С соответственно 86 (8,6) и 30 МН/м2 (3 кгс/мм2) [98].

Способ получения также сильно сказывается и на высокотемпературной пластичности вольфрама. Так, на­ чиная с температуры 1370°С, пластичность вольфрама, полученного методом порошковой металлургии, суще­ ственно ниже, чем у вольфрама дуговой вакуумной пла­ вки [96, с. 193—221]. Последний сохраняет высокую пластичность, оцениваемую по относительному сужению поперечного сечения ф, вплоть до 2200°С (>90% )- Спе­ ченный вольфрам при этом имеет ф около 20%. Это па­ дение пластичности может быть связано с более высоким общим содержанием примесей в вольфраме, полученном методом порошковой металлургии.

О высокой жаропрочности нелегированного вольфра­ ма свидетельствуют данные, приведенные на. рис. 71 [70]. Испытания проводили в вакууме или в гелии. От­ метим, что, по данным В. Клоппаидр. [145], испытания на ползучесть не показывают разницы для вольфрама дуговой и .электроннолучевой плавки при одинаковом размере зерна.' По-видимому, дисперсные' выделения, связанные с примесями внедрения, в большем количест­ ве‘присутствующими в вольфраме дуговой плавки, ‘ не оказывают существенного ' влияния на характеристики высокотемпературной ползучести.

156

В последнее время появились работы, свидетельст­ вующие ,66 интересе исследователей к высокотемпера­ турной ползучести монокристаллов вольфрама высокой чистоты. Л. И. Ивановым с сотрудниками была иссле­ дована установившаяся ползучесть монокристаллов вольфрама при кручении в температурном интервале

Рис. 71. Длительная прочность рекристаллнзованного воль­ фрама при разных температурах испытания і[70]

1400—2200°С. Энергия активации ползучести при темпе­ ратуре выше 1800°С близка к энергии активации самодиффузии й. равна ~588 кДж/моль (140 ккал/мол.). При средних'темпёратурах эта' энергия равна ~378 кДж/моль (90'ккал/моль), что авторы объясняют боль­ шим вкладом диффузии по'ядрам дислокаций!

: - Твердость вольфрама, при повышении температур, ис­ пытания до 2000°С и выше падает до значений 170 МН/м2 (І / кго/мм2) при " 2ÖQ0°C и до 50—70 МН/м2 (5—7

кгс/мм^) в .интервале 2700—3000°С.. В целом характер изменения твердости с повышением.температуры сходен

157

с изменением прочности, правда, способ получения ме­ талла при этом не сказывается так сильно [101].

Сплавы вольфрама

Нелегированный .вольфрам обладает недостаточной технологической пластичностью и имеет высокую темпе­ ратуру перехода из пластичного состояния в хрупкое. Это затрудняет его использование, в частности, в .маши­ ностроительных конструкциях, работающих при высоких температурах. Разработка жаропрочных сплавов воль­ фрама преследует в основном две цели—повышение технологической и низкотемпературной пластичности вольфрама, а также его жаропрочности. Иногда при этом учитывается необходимость повышения коррозион­ ной стойкости.

Из-за значительных технологических трудностей — высокие температуры плавления, спекания и обработки, низкая пластичность и т. п. — количество исследованных и применяемых сплавов вольфрама значительно уступа­ ет числу сплавов других тугоплавких металлов. Упроч­ нение вольфрамовой матрицы достигается как путем легирования ее с образованием твердого раствора, так и за счет дисперсных частиц карбидов, окислов, нит­ ридов и т. п. Пластичность матрицы повышают легиро­ ванием ее некоторыми элементами — в первую очередь рением.

Соответственно жаропрочные сплавы вольфрама могут быть разделены на твердые растворы и на дисперсноупрочненные сплавы. Интенсивно исследуют также сплавы, представляющие собой твердые растворы замещения, дополнительно упрочняемые дисперсными частицами.

Наиболее полно исследованы сплавы системы W— Мо, образующие непрерывный ряд твердых растворов во .всем интервале концентраций. В США освоено про­ мышленное производство двух вольфрамовых сплавов, содержащих 15 и 50% (по массе) Мо [102]. В этой системе структура и свойства сплавов исследованы во всем интервале концентраций в широком диапазоне температур. Молибден резко измельчает зерно вольфра­

158

сплавах повышают низкотемпературную прочность и пластичность их, а также жаропрочность при 1500— 1700° С в рекристаллизованном состоянии. Как отмеча­ ет М. Г. Гаврилюк, при температурах, близких к 2000°С и выше, влияние молибдена на жаропрочные свойства вольфрама становится весьма незначительным [103].

Оптимальными жаропрочными характеристиками в интервале 1500—2000°С обладает сплав с 15% Мо. Дли­ тельная прочность этого сплава при 1650°С характери­ зуется при напряжении 140 МН/м2 (14 кгс/мм2) време­ нем до разрушения 3,8 ч, а при напряжении 84 МН/м2 (8,4 кгс/мм2) 12 ч '[97]. На рис. 72 сведены результаты исследования высокотемпературной прочности при рас­ тяжении сплавов вольфрама с молибденом н другими добавками.

Достаточно подробно изучены также сплавы систе­ мы W—Wb и W—Та. Небольшие добавки ниобия и тан­ тала мало сказываются на низкотемпературной твердо­ сти вольфрама [96, с. 130—146]. Однако при содержа­ нии до 2—3% они намного больше, чем молибден, повы­ шают жаропрочные характеристики вольфрама.

Высокопрочный деформируемый сплав ВВ-2 системы W—-Nb рекомендован для работы при температурах вы­ ше 1700°С [97]. При 1500°С длительная прочность это­ го сплава обо составляет 70 МН/м2 (7 кгс/мм2), сгюо 60— 65 МН/м2 (6—6,5 кгс/мм2) и о5оо 50 МН/м2 (5 кгс/мм2).

Тантал, как и ниобий, также весьма эффективно повы­ шает высокотемпературную прочность вольфрама. Как отмечается Фойлем [96, с. 130—146], наиболее высо­ кие значения предела прочности и предела текучести имеет сплав, содержащий 3,6% Та (сплав был получен дуговой плавкой и горячей экструзией). При 1650°С предел прочности его при кратковременных испытаниях

сплавов вольфрама, упрочняемых за счет образования твердых растворов, представляют сплавы системы W — Re. Добавки рения наряду с повышением высокотемпе­ ратурной прочности вольфрама ведут к повышению его технологической пластичности и резкому снижению тем­ пературы перехода из хрупкого состояния в пластичное. Последние два эффекта определяют основные преиму-

159

МН/м2(нгс/мм‘)

Рис. 72. Зависимость предела прочности некоторых спла­ вов вольфрама от температуры [70; 96, с. 193—221, 147]: