Тугоплавкие металлы

Самым тугоплавким металлом является вольфрам (температура плавления 3430±50 °С). Самый тугоплав­кий неметаллический элемент - углерод. Его температу­ра плавления (3747±50 °С) была определена (Томас Ход) экспериментально в 1959 г. Углерод был расплавлен электрическим током при давлении около 10 МПа, при этом образовались шарики графита диаметром 1...3 мм. 6 табл. 11.1 представлены основные свойства наиболее часто используемых в технике металлов, температура плавления которых превышает 1600 °С.

Резкое расширение применения тугоплавких метал­лов вызвано необходимостью эксплуатации деталей при повышенных температурах. Это детали ракет, сверхзву­ковых самолетов, некоторых устройств атомной промышленности и т.д. Для их изготовления использу­ются тугоплавкие металлы с высокой стойкостью к агрессивным средам как при повышенных, так и при нормальных температурах.

Высокая температура плавления применяемых в настоящее время в технике тугоплавких металлов объясняет специфические методы получения из них изделий. Большинство тугоплавких металлов получают путем восстановления из их солей или оксидов другими металлами или водородом, а также электролизом. При этом металлы обычно имеют вид губки или порошка. Для получения компактных заготовок их переплавляют в вакууме.

Применяют три способа получения изделий из тугоплавких металлов:

- получение слитков путем переплавки и их обработ­ки давлением при высоких температурах;

- получение порошка чистых металлов и изготовле­ние из него деталей путем спекания в специальных условиях;

- получение отливок.

Обработка давлением применима не ко всем туго­плавким металлам ввиду их хрупкости. В процессе нагрева и обработки давлением при высоких температу­рах происходит интенсивное взаимодействие металла с атмосферой. Для предотвращения этого указанные операции приходится проводить в защитных контейне­рах или в защитных атмосферах. При получении деталей сложной формы обработка давлением ведет к значитель­ным потерям очень дорогих материалов. Кроме того, обработка большинства тугоплавких металлов резанием вызывает большие затруднения.

Производство металлокерамических изделий требует сложного оборудования и не позволяет их получать достаточно компактными. Их механические свойства, как правило, ниже, чем у литых изделий.

Литье позволяет получать отливки с формой,максимально приближенной к готовым изделиям. Защиту металла при получении отливок осуществить легче, чем при их обработке давлением.

Литье тугоплавких металлов является перспектив­ным, а иногда и единственным способом получения некоторых изделий. Освоение литейной технологии всех восьми тугоплавких металлов, приведенных в табл. 11.1, связано со следующими специфическими трудностями:

- высокая температура плавления, требующая применения электрического нагрева при помощи токов высокой частоты, дуги, электронного луча или лазера;

- очень интенсивное взаимодействие с водородом, кислородом и азотом, требующее применения плавки, а часто и заливки, в вакууме или в атмосфере защитных или инертных газов;

- весьма значительная химическая активность при высоких температурах, требующая применения особо устойчивых огнеупорных и формовочных материалов, соприкасающихся с расплавленным металлом.

Одним из таких материалов является материал на основе углерода.

11.2. УГЛЕРОДНЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В последние годы стали использовать графитовые формы многократного использования (кокили), изготовленные механической обработкой графитовых электродов или блоков для литья цветных и черных сплавов. Особый интерес представляют углеродные формы для литья тугоплавких металлов, в том числе титана, для которых в ряде случаев графит является единственным приемлемым материалом. При получении изделий для атомной, авиакосмической и высокотемпе­ратурной техники применяют новые углеродистые материалы, такие как волокна и ткани, пирографит и углеситал, высокоплотный и рекристаллизованный графиты, обладающие широким диапазоном теплофизических свойств (табл. 11.2).

Углеродные материалы, используемые для изготовле­ния литейных форм, подразделяются на три группы:

- искусственные графиты в виде блоков, которые обрабатывают механическими способами. Из них изготавливают кокили и кристаллизаторы;

- зернистые и волокнистые материалы. К ним относятся коксовые и графитовые порошки, синтетиче­ские волокна и ткани. Из этих материалов изготавливают формы уплотнением, а также в виде суспензии для выплавляемых моделей;

- пироуглерод (пирографит). Этот материал образу­ется при термическом разложении газообразного углеводородного вещества, который осаждается в порах и на поверхности литейной формы.

Природный графит. В природе графит встречается в виде пластов или слоистых масс. Имеются различные гипотезы его происхождения. По одной из гипотез он, как и алмазы, образовался из расплавленной магмы, по другой - при разложении органических соединений.

Большинство графитов - высокозольные, мелко­дисперсные материалы. Их обрабатывают соляной и плавиковой кислотами и прокаливают при 2200— 2700 °С. Содержание примесей при этом снижается до 0,5%.

Искусственный графит. Исходным материалом служат природный графит, нефтяной, пековый и каменноугольный коксы, а также антрацит и сажа. Связующими являются каменноугольная смола и каменноугольный пек. Сухая часть графита измельчает­ся, рассеивается и смешивается с жидкой частью в обогреваемых смесителях до получения однородной тестообразной массы. Заготовки получают продавливанием массы через мундштук или штампуют в глухих матрицах. Сырые заготовки обжигаются в течение нескольких суток под слоем углеродистой засыпки при 1200°С. Затем заготовки графитизируют путем нагрева при 2300...2700 °С длительное (несколько суток) время.

Рекристаллизованный графит. Искусственный гра­фит подвергают термомеханической обработке, для чего углеродная шихта при давлении 100 МПа нагревается до 2600 °С. Плотность графита повышается до 2200 кг/м³ и практически устраняется газопроницае­мость; графит имеет высокую стойкость к тепловому удару, что позволяет использовать его под нагрузкой при температурах выше 2700 °С.

Пиролитический углерод. Получают термическим разложением метана, бензола и других углеводородов на нагретых до 1000... 1900 °С поверхностях (подлож­ках). Имеет слоистое строение и поэтому ему свойствен­на высокая анизотропия свойств. Коэффициент теплово­го расширения перпендикулярно к слою в десятки раз больше, чем параллельно слою, поэтому при резком нагреве пироуглерод расслаивается. Нанесенный на поверхность графита пироуглерод является теплоизоли­рующим покрытием, так как его теплопроводность на два порядка ниже теплопроводности прессованных графитов.

Графитированные волокна и ткани. Эти материалы, состоящие из нитей углерода, получают путем карбони­зации с последующей графитизацией при 2700 °С тканей на основе волокон из искусственных полимеров. Графитированные волокна имеют высокую прочность, низкий коэффициент теплового расширения и хорошую теплопроводность вдоль волокон, что обеспечивает их высокую термостойкость.

Углеродистое стекло. Этот материал назван стеклом потому, что он имеет общие качества с обычным стеклом - скрытокристаллическую структуру и полную газонепроницаемость. Пористость углеродистого стекла 0,2...0,4 %, в то время как плотные графиты имеют пористость 8...10 %, а обычные графиты - 25...30 %. Углеродистое стекло непроницаемо для газов, жидкос­тей и жидкого металла и устойчиво при температурах горения обычного углерода: поверхность образца сгорает за 6 ч на глубину 1 мм.

Изделия из углеродистого стекла получают прессова­нием особо приготавливаемых смесей с последующей их карбонизацией (обжигом) в вакууме со скоростью нагрева 3...5 град/ч при температурах до 3000 °С.

Коксы. В зависимости от технологии производства углеродистых материалов используют нефтяной, каменноугольный и пековый коксы. Эти коксы содер­жат: влаги до 4

%, золы до 4 %, летучих до 7 %. Мелкие, предварительно нагретые куски кокса непрерывным потоком засыпают в реакционный аппарат с одновре­менным распылением через форсунки нефтяных гудро- нов, которые коксуются на поверхности твердых коксовых частиц. Получаемая величина гранул - 10...15 мм. Гранулированный кокс - основной продукт для электродной промышленности.

Антрацит. Содержит до 97 % углерода. При нагрева­нии антрацит растрескивается. Для повышения термо­стойкости его нагревают в атмосфере пара при 600... 1300 °С, после чего медленно охлаждают. Такие антрациты называют термоантрацитами.

Сажа. Продукт неполного сгорания или термическо­го разложения углеродных веществ в газообразном состоянии. Содержание летучих в саже 3...6 % для ламповой и 0,4...0,5 % для термической и печной сажи. Наиболее важное свойство сажи - высокая дисперсность частиц. Средний диаметр частиц в зависимости от сорта сажи - (360... 1450)*10^{-10 м, удельная поверхность 21000...83000 м /кг. Сажа является одним из компонентов углеродистых красок и наполнителей суспензии при литье по выплавляемым моделям.}

Углеродные материалы имеют обратную зависи­мость от температуры нагрева, что отличает их практи­чески от всех огнеупорных материалов. В диапазоне 1500...1700 °С, когда прочность обычных огнеупорных материалов падает до нуля, прочность графитовых материалов возрастает до температуры 2500 ^оC, а пирографитовых материалов - до 3000 °С. Соотношение прочности на сжатие, изгиб и разрыв приблизительно соответствует соотношению 4:2:1.

Термостойкость углеродных материалов более чем в 100 раз выше термостойкости оксидов циркония, магния и карбидов титана и циркония.

Отличительной особенностью графитовых материа­лов является их агрегативная стабильность в вакууме при высоких температурах в контакте с тугоплавкими металлами. Испарение графита в вакууме при 2000 ^оС не превышает миллионных долей грамма с 1 см² за 1 мин и практически не зависит от контакта с металла­ми, в то время как обычные огнеупоры на основе Si, А1 и Zr в таких условиях диссоциируют с образованием летучих оксидов. Выделяющийся при этом кислород взаимодействует с заливаемым тугоплавким металлом, образуя легкоплавкие оксиды W, Мо и др. металлов.

Дата добавления: 2014-01-05