Огнеупорные металлы: вольфрамовые и вольфрамовые сплавы

Огнеупорные металлы удобно описаны как те, которые, прежде всего, расплавляют при температуре намного выше точек плавления общего легирующих оснований, железа, кобальта и никеля. Во-вторых, представляется целесообразным рассмотреть огнеупорные металлы в качестве те, которые имеют более высокие точки плавления, чем титана (температура плавления 1660 ° C) и цирконий (1850 ° C), которые используются главным образом при промежуточных температурах. Следовательно, хромиум (температура плавления 1875 ° С) обычно классифицируется как огнеупорный металл.

Когда огнеупорные металлы считаются эти металлы, тающие при температуре выше 1850 ° C, двенадцать металлов в этой группе:W(точка плавления 3410 ° C),Решающее значение,Операционные системы,Та,МО,Ир,Принцип,RU,HF.,Рода,V,CrОтказ Металлоиды являются элементами малого атомного размера, которые образуют интерстициальные твердые растворы или интерстициальные соединения с металлами. Они включают водород, кислород, азот и углерод. В некоторых случаях небольшие металлические атомы, такие как бор и бериллий, могут входить в ограниченные интерстициальные твердые растворы. Однако атомные размеры этих металлов такие, как исключить обширное интерстициальное решение, и они не будут рассмотрены.

Легированиевольфрам(W) был относительно менее изучен, чем некоторые из других огнеупорных металлов. Большая часть вольфрама используется до сих пор в аэрокосмических приложениях, было в нелегированной форме, которая намного проще и дешевле для производства и изготовления. Кроме того, было обнаружено, что, в частности, при температуре выше 2200 ° C (4000 ° F), усиление влияния многих легирующих агентов уменьшается непропорционально.

Вольфрам потребляется в четырех формах:
Карбид вольфрама
Легирующие добавления
Чистый вольфрам
Химические вещества на основе вольфрама

Карбид вольфрама составляет около 65% потребления вольфрама. Он сочетается с Cobalt в качестве связующего, чтобы сформировать так называемые цементированные карбиды, которые используются в приложениях для резки и износа. Характерно, что большинство из этих карбидов имеют высокую твердость, хорошую электрическую и теплопроводность и высокую стабильность. Эти свойства составляют основные приложения: структуры, устойчивые к химической реакции, использование, в которой износостойкость имеет большое значение, а также высокотемпературные источники сияющих энергий. Хрезкость карбидов, однако, предотвратила их использование в качестве однофазных материалов в высокосвязных структурных применениях и привело к разработке металлокомнатных композитов (цементированных карбидов или Cermets).
Металлические изделия из вольфрамовых и вольфрамовых средств сплавов составляют около 16% потребления. Вольфрамовые и вольфрамовые сплавы доминируют на рынке в приложениях, для которых требуется материал высокой плотности (19,3 г / см3), таких как пенетраторы кинетической энергии, противовесы, маховики и губернаторы. Другие приложения включают радиационные экраны и рентгеновские цели. В форме провода вольфрам широко используется для освещения, электронных устройств и термопар.

Химические вещества вольфрама составляют примерно 3% от общего потребления и используются для органических красителей, пигментных фосфоров, катализаторов, катодных пробирок и рентгеновских экранов.

Высокая температура плавления вольфрама делает очевидным выбором для структурных применений, подверженных очень высоким температурам. Вольфрам используется при более низких температурах для приложений, которые могут использовать его высокий модуль упругости, плотность или экранированные характеристики для преимущества.

Вольфрамовые и вольфрамовые сплавы могут быть нажаты и спечены в бары и впоследствии изготовлены в кованой батончике, листе или проволоке. Многие продукты вольфрама замытываются и требуют обработки или формования и спекания до чистой чистой и не могут быть изготовлены из стандартных мельничных изделий.

Товары вольфрама Mill могут быть разделены на три различных группа на основе поведения рекристаллизации.

Первая группа состоит из расплавленной еб, рафинированной зоной или растопленной дугой нелегированного вольфрама; другие очень чистые формы нелегированного вольфрама; или вольфрам легировали с ренем или молибденом. Эти материалы демонстрируют эквиаксированные зерновые структуры при первичной перекристаллизации. Температура перекристаллизации и размер зерна нас уменьшается с увеличением деформации.

Вторая группа, состоящая из коммерческого сорта или нелегированного P / M вольфрама, демонстрирует чувствительность вольфрама до чистоты. Как и первая группа, эти материалы демонстрируют эквиаксированные зерновые структуры, но их температура рекристаллизации выше, чем в материалах первой группы. Кроме того, эти материалы не обязательно проявляют снижение температуры рекристаллизации и размера зерна с увеличением деформации. В EB-расплавленном проводе вольфрамовой температуре температура рекристаллизации может составлять 900 ° C (1650 ° F) или ниже, тогда как в коммерчески чистое (нелегированном) вольфрам он может составлять от 1205 до 1400 ° C (от 2200 до 2550 ° F).

Третья группа материалов состоит из легированного вольфрама AKS (то есть вольфрама, легированного алюминиевым калием-кремниевым кремнием), легированного вольфрамами, легированными рениями, и нелегированного вольфрама легировали более чем на 1% Tho2. Эти материалы характеризуются более высокими температурами рекристаллизации (> 1800 ° C, или 3270 ° F) и уникальными перекристаллизованными зерновыми структурами. Структура сильно нарисованного проволока или проката состоит из очень длинных блокирующих зерен.

Эта структура наиболее легко обнаруживается в AKS-легированном вольфраменте или в легированном вольфраме с от 1 до 5%Решающее значениеОтказ Допант калия распространяется в направлении прокатки или рисунка; При нагревании он волатилизуется в линейный массив пузырьков размеров субмикрона. Эти пузырьки бунты границ зерна в способе дисперсии второгофазных частиц. Поскольку ряды пузырьков становятся более тонкой и дольше с увеличением деформации, температура рекристайзации поднимается, и структура блокировки становится более выраженной.

Вольфрамовые сплавы.Три вольфрамовых сплава производится коммерчески: Tungsten-Tho2, вольфрам-молибден и вольфрам-реницами. W-Tho2, сплав содержит диспергированную вторую фазу от 1 до 2% тория. Дисперсия тории усиливает термоизонную электронную эмиссию, что, в свою очередь, улучшает начальные характеристики газовых вольфрамовых дуговых сварочных электродов. Он также повышает эффективность электронных разрядных трубок и придает прочность ползучести до провода при температуре выше половины абсолютной температуры плавления вольфрама.

Товары, лист, лист, бар и проволоки вольфрама и проволоки производятся путем порошковой металлургии. Эти продукты доступны в коммерчески чистое (нелегированном) вольфрамоте или коммерчески легированном (AKS-легированном) вольфраме. Эти добавки улучшают перекристаллизацию и ползучести свойства вольфрама, которые особенно важны, когда вольфрам используется для лампы накаливания нитей. Кованые акции P / M могут быть зоны, изысканными на целование EB, чтобы изготовить монокристаллы, которые выше, чем в чистоте, чем коммерчески чистый продукт. Электронно-лучевые зоны, расплавленные вольфрамовые монокристаллы вольфрама представляют коммерческие интересы для применения, требующих монокристаллов с очень высоким отношением электрического сопротивления.

Вольфрамовые тяжелые металлические сплавы(Whas). Это категория вольфрамовых базовых материалов, которые обычно содержат от 90 до 98 мас.%WОтказ Большинство коммерческих Whas являются двухфазными структурами, основная фаза, являющаяся почти чистой вольфрамой в ассоциации с помощью связующей фазы, содержащей переходные металлы, плюс растворенный вольфрам. Как следствие, тем, что выводят свои фундаментальные свойства от принципиальной фазы вольфрама, которая обеспечивает как высокую плотность, так и высокую упругую жесткость. Именно эти два свойства вызывают необходимость приложения для этой семьи материалов.

Текущее использование WHAS связывает широкий спектр потребительских, промышленных и государственных приложений, которые включают в себя:

Дюхфирующие весы для головки дисковода компьютера
Балансировка весов для айлеронов в коммерческих самолетах, вертолетных роторах и для управляемых ракет
Кинетические энергетические пенураторы для победы над тяжелой броней
Фрагментационные боеголовы
Радиационные экранирование, радио изотопные контейнеры и апертуры коллавой силы для приборов терапии рака
Высокопроизводительный выстрел на свинец для охоты на водоплавающих птиц
Компоненты гироскопа
Регулировка распределения веса в парусниках и гоночных автомобилях.

Многие приложения, которые требуют высокой гравиметрической плотности для весов баланса, инерционных масс или проникновения к кинетической энергии или высокой рентгенографической плотности для радиационного экранирования и коллимайона, требуют довольно больших объемных форм. Такое требование исключает всех, кроме нескольких кандидатов на основе запретной стоимости, как правило, снижает выбор очень плотных сплавов до вольфрамовых или урановых материалов.
Урановые сплавы, подобные свинцам, устраняются из растущего количества потенциальных приложений на основе соображений токсичности с урановыми базовыми материалами, требующими лицензии, за исключением очень небольших количеств. Хотя драгоценные металлы перечислены, обладают привлекательными плотностями и предлагаем по существу никакой токсичности, их стоимость запрещена для всех, кроме нескольких приложений плотности.

Whas обычно состоит из 90 до 98 мас.%WВ сочетании с каким-то смесью никеля, железа, меди и / или кобальта. Основная часть продукции WHA попадает в 90-95%Wспектр.
Выбор сочинения сплава приводится в движение несколькими соображениями. Первичный фактор - это плотность, требуемая данным применением. Дополнительные соображения включают коррозионную устойчивость, магнитный характер, механические свойства и варианты термообработки для термообразователя.

Первый WHA разработан был сплавом W-Ni-Cu. Сплавы этой тройной системы до сих пор иногда используются сегодня, прежде всего, для применения, в которых должны быть минимизированы ферромагнитный характер и электрические свойства. Сплавы W-Ni-Cu в противном случае предлагают устойчивость к коррозии и более низкие механические свойства, чем присутствующие отраслевые стандартные сплавы W-Ni-Fe.

Большинство современных применений для Whas лучше всего удовлетворены системой W-Ni-Fe. Сплавы, такие как 93W-4.9ni-2.LFE и 95W-4Ni-LFE, представляют собой общие композиции. Добавление кобальта к сплаву W-Ni-Fe является распространенным подходом для небольшого усиления как прочности, так и пластичности. Наличие кобальта внутри сплава обеспечивает укрепление твердого раствора связующего и слегка усиленного вольфрамометрической межфазной прочности. Дополнения кобальта от 5 до 15% от номинальной связующей тяжелой фракции дуги.

Для чрезвычайно требовательных приложений даже более высокие механические свойства можно получить из системы W-Ni-Co с соотношениями никель-кобальтов, начиная от 2 до 9. Такие сплавы требуют разрешения / гашения, однако, из-за обширного интерметаллического (CO3W и других) Формирование на охлаждении от спекания.

Ряд специального Whas известны также. Примером представляет собой четвертичный сплав W-MO-Ni-Fe, который использует молибден для ограничения растворения вольфрама и роста сфероида, что приводит к более высоким прочностям (но понижению пластичности) в спеченном шифере.
Существует также ряд систем сплавов на различных этапах развития для проникновений кинетической энергии, которые предназначены для обеспечения того, что будет проходить высокую недостаточную недостаточность деформации путем локализации сдвига в способе, аналогично закаленном и в возрасте U-0,75TI для более эффективных доспехов. поражение. Эти сплавы на сегодняшний день не проявили свойства, представляющий интерес для промышленных приложений для промышленных приложений.

Механические и физические свойства.Вольфрам имеет высокую прочность на растяжение и хорошее сопротивление ползучести. Однако его высокая плотность, плохая низкотемпературная пластичность и прочная реактивность в воздухе ограничивают ее полезность. Максимальная температура обслуживания для диапазона вольфрама от 1925 до 2500 ° C (от 3500 до 4500 ° F), но защита поверхности требуется для использования в воздухе при этих температурах.

Кованый вольфрам (как холодно работал) имеет высокую прочность, сильно направленные механические свойства и некоторую прочность на комнату. Однако рекристаллизация происходит быстро выше 1370 ° C (2500 ° F) и создает структуру зерна, которая чувствительна к трещину при всех температурах.