Вольфрамові сплави

Вольфра́мові спла́ви (англ. tungsten alloys) — сплави на основі вольфраму. Для легування вольфрамових сплавів застосовують метали (Mo, Re, Ta, Cu, Ni, Ag та ін.), оксиди (ThO₂), карбіди (TaC) та інші сполуки, які вводять у вольфрам для підвищення його жароміцності, пластичності (при температурах до 500 °С), здатності до оброблення, а також забезпечення потрібного комплексу фізичних властивостей (наприклад, електричного опору). Вольфрамові сплави отримують методами порошкової металургії або сплавленням компонентів в дугових та електронно-променевих печах. У промисловості застосовуються переважно металокерамічні вольфрамові сплави.

Види вольфрамових сплавів

За структурою розрізняють дві групи вольфрамових сплавів:

• сплави — тверді розчини з однофазною структурою,
• гетерофазні псевдосплави вольфраму (або його сполук) із легувальними елементами.

Сплави з однофазною структурою

До однофазних належать сплави вольфраму, леговані Мо, Та, Re, Nb, Zr, Ti. Перші три вводяться у кількостях декількох відсотків і навіть десятків відсотків, а решта — у десятих частках процента. Основними вольфрамовими сплавами з однофазною структурою твердого розчину є сплави вольфраму з молібденом (до 50 %) і ренієм (до 30 %).

При додаванні молібдену підвищується жароміцність та питомий електричний опір сплаву; крім цього, у сплавів системи W-Mo коефіцієнт теплового розширення приблизно такий же, як у різних сортів тугоплавкого скла. Ці сплави легше обробляються порівняно з чистим вольфрамом. Максимальний рівень міцності сплавів W-Mo відповідає легуванню 15 % Mo. Міцність зберігається до температури 2200 °С, подальше зростання температури призводить до прискорення дифузії у присутності молібдену, показники міцності зменшуються.

Вольфрамові сплави з 20—50 % Mo застосовують в електровакуумних приладах для виготовлення нагрівників, екранів тощо.

Реній у твердому розчині на основі W суттєво підвищує низькотемпературну пластичність й відповідно оброблюваність. Максимальну пластичність мають вольфрамові сплави з 20…28 % Re. При подальшому збільшенні вмісту Re пластичність знову починає спадати через виділення надлишкової σ-фази. Крім підвищеної пластичності, сплави W-Re відрізняються високою жароміцністю і великою термо-ерс у парі з W і між собою. Легування ренієм підвищує модуль пружності, питомий електричний опір, сплави характеризуються доброю зварюваністю.

Незважаючи на дефіцитність і високу вартість ренію, ці сплави у 1950-х роках стали використовуватись в електровакуумних приладах (сплави з 5…30 % Re) і як термопарні матеріали, що призначені для роботи аж до 2500°С.

При температурі 1600...2000 °С найбільший рівень міцності відповідає легуванню цирконієм, гафнієм, ніобієм, танталом (до 3 % атомних). Присутність в сплавах вуглецю підвищує міцність за рахунок утворення твердого розчину втілення та дисперсійного твердіння при виділенні карбідів. У випадку вольфраму, розчинне зміцнення супроводжується зменшенням технологічності, підвищенням крихкості. Винятком є легування ренієм, осмієм, рутенієм (пластичність зростає, температура плавлення знижується).

Використовують також сплави, що одночасно містять молібден (15-34 %) та реній (25-40 %). Для таких композицій є характерними висока пластичність матеріалу при кімнатній температурі (після рекристалізації) та висока міцність до температури 1800°С.

Гетерофазні сплави

Штучні дисперсні системи з оксидами

Високими міцністю і формостійкістю при високих температурах відрізняються гетерофазні вольфрамові сплави з додаванням оксидів: SiO₂ (0,02…0,05 % за масою), K₂O (0,001 %), А1₂О₃ (0,001-0,003 %). Так, для дроту діаметром 100 мкм з цього сплаву σ_розт становить при 1500 і 1800 °С відповідно 890 та 389 МПа.

Штучні дисперсні системи на основі вольфраму з 0,5…5 % ThO₂ і 0,3…0,5 % TaC відрізняються рекордно високими температурами рекристалізації (до 2000 °С) й показниками жароміцності (при 2200°С — у 2…3 рази більшими, ніж у нелегованого W). Крім того, ThO₂ покращує емісійні характеристики сплаву. Для прутків діаметром 2 мм, виготовлених зі сплаву із вмістом 1,5 % ThO₂, σ_розт при 1500, 1800 і 2000 °С становить відповідно 200, 100 і 80 МПа.

Ці сплави застосовують в електровакуумних приладах, а також для виготовлення деяких деталей двигунів ракет і літаків.

Гетерофазні сплави з металами

Сплави з Zr, Nb, Hf, Та

Гетерофазні вольфрамові сплави містять 0,15…0,60 атомних % карбону і 0,2…0,6 % Zr або Nb (Hf або Та). При температурах, вищих за 2300 °С ці сплави є пересиченими твердими розчинами легувальних елементів у вольфрамі. При температурах нижчих за 2300 °С з них виділяються високодисперсні частинки карбідів [Zr(Hf)W]C або [Ta(Nb)W]C (зміцнювальна фаза), що підвищує високотемпературну міцність сплавів. Тому такі сплави називаються дисперсно зміцненими. Оптимальний вміст карбідної фази 0,3…0,6 мольних %.

Високу міцність при температурах, що становлять 0,6…0,7 від температури плавлення сплаву, мають евтектичні сплави. Так, для сплаву із вмістом 12,7 % Nb, 0,14 % Zr, 0,29 % V та 0,19 % С, при 2000 °С σ_розт=420 МПа. Евтектичні сплави мають підвищену температуру рекристалізації (від 1800 до 2000 °С). Однак вони є малопластичними і використовуються лише у литому стані.

Сплави з Cu і Ag

Псевдосплави вольфраму з нерозчинними у ньому міддю і сріблом, що вводяться окремо або разом у кількостях від 5 до 40 %, мають гетерогенну структуру, що складається із зерен вольфраму, оточених прошарками міді чи срібла або їх сплаву. Ці матеріали поєднують високу твердість, жароміцність, зносостійкість, опір електричній ерозії, властиві W, з доброю електро- та теплопровідністю Cu та Ag. З цих вольфрамових сплавів виготовляють електричні контакти. Вольфрам, просочений Ag і Cu, застосовується й в інших галузях (наприклад, як матеріал для сопел неохолоджуваних ракетних двигунів).

Сплави систем W-Cu-Ni і W-Fe-Ni (важкі вольфрамові сплави)

Поєднанням високих міцності і пластичності з корозійною стійкістю і здатністю поглинати гамма-випромінювання відрізняються гетерофазні сплави високої густини систем W-Cu-Ni (3…10 % Ni та 2…5 % Cu) і W-Fe-Ni (вміст W до 90…95 %). Ці сплави є системами, у яких кристалічна фаза W є зцементованою зв'язкою зі сплаву Cu-Ni і Fe-Ni. Їхня густина після спікання спресованих заготовок досягає 18 г/см³. До сплавів високої густини можна віднести також псевдосплави, із вмістом 12…30 % за об'ємом Cu або Ag. Останні отримують просочуванням пористої вольфрамової заготовки розплавом міді або срібла. Сплави відрізняються підвищеною твердістю, високими електро- й теплопровідністю.

«Важкі сплави» використовують як матеріали захисту від гамма-випромінювання в радіотерапії й при виготовленні контейнерів для зберігання радіоактивних препаратів. Велика густина «важких сплавів» дозволяє застосовувати їх і в інших сферах — для виготовлення роторів гіроскопів, противаг для літаків тощо.

Тверді вольфрамові сплави на основі карбіду вольфраму

Основу так званих твердих вольфрамових сплавів становлять зерна карбіду вольфраму, зцементовані (при рідиннофазовому спіканні) кобальтом. Карбідна фаза може складатися лише з одного карбіду вольфраму (WC), двох карбідів (TiC і WC) або трьох (TiC, TaC та WC). Твердість сплавів на основі WC залежно від вмісту WC змінюється від 900 до 830 МПа (за Роквеллом), на основі WC і TiC 920…870 МПа, на основі WC, TiC та ТаС 890…870 МПа (також за Роквеллом).

Недоліки

Недоліком вольфрамових сплавів є недостатній опір корозійному руйнуванню при високих температурах, це зумовлює необхідність використовувати додатковий захист від окиснення.

Джерела

• Зеликман А. Н., Никитина Л. С. Вольфрам. — М.: Металлургия, 1978. — 272 с.
• Савицкий Е. М. Металловедение вольфрама / Е. М. Савицкий, К. Б. Поварова, П. В. Макаров. — М. : Металлургия, 1978. — 224 с.
• Копецкий Ч. В. Структура и свойства тугоплавких металлов / Ч. В. Копецкий. — М. : Металлургия, 1974. — 206 с.

Посилання

• Вольфрамовые сплавы // Большая советская энциклопедия : в 30 т. / главн. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : «Советская энциклопедия», 1969—1978. (рос.)
• Tungsten Alloy // Midwest Tungsten Service (англ.)
• Tungsten Heavy Alloys [Архівовано 3 червня 2019 у Wayback Machine.] // Kennametal (англ.)