Характеристики и свойства современных металлических сплавов и их применение в металлургии

Мы уже знаем, что тугоплавкость зависит от энергии межатомной связи. У переходных металлов IV—VII групп таблицы Менделеева взаимодействуют не только внешние электроны, но и электроны внутренних незаполненных оболочек. Особенно сильно взаимодействие, когда оболочки эти заполнены наполовину. Поэтому-то самыми тугоплавкими в каждом периоде являются элементы VI группы: хром (около 1900°С), молибден (2620°С) и вольфрам (3380°С). Последний — чемпион по тугоплавкости среди всех металлов, кроме того эти металлы довольно дорогостоящи, например их в больших объемах продает биржа металлов ЛМЕ.

Чистый вольфрам, правда, не обладает жаростойкостью, так как уже при температуре свыше 700°С его окисел быстро улетучивается. (А ведь главной защитой неблагородных металлов от окисления в атмосфере является именно прочная пленка окисла.) В вакууме или атмосфере инертного газа вольфраму окисление не угрожает, и он отлично работает, например, в качестве нити электрической лампочки. Для работы в атмосфере приходится создавать сложные сплавы или защищать поверхность вольфрама коррозионностойкими покрытиями. Получить сплавы на основе вольфрама, как и других тугоплавких металлов, не так просто: многие металлы испаряются прежде, чем вольфрам расплавится. Сплавы получают поэтому дуговой, электроннолучевой, вакуумной, плазменной плавкой, а так же методом порошковой металлургии

Вторым по тугоплавкости являетcя рений (3160°С). Он не боится коррозии и, кроме того, очень прочен и износоустойчив. Но это очень редкий элемент и пока что стоит почти так же дорого, как платина. Мечта инженеров конструкторов - чтобы конструкционная сталь обладала такими свойствами, но современные сплавы имеют такие свойства только частично.

Из сплавов молибдена изготовляют детали самолетов, ракет и космических аппаратов, способных работать в условиях высоких температур и одновременно больших напряжений. В частности, из них делают сопла ракетных двигателей на твердом топливе, носовые конусы ракет, передние кромки сверхскоростных самолетов, панели тепловой защиты и т. п.

Сплав тантала с вольфрамом (8%) и гафнием (2%) сохраняет высокую прочность при температурах до 2000°С и не становится хрупким при охлаждении даже до абсолютного нуля. В то же время он хорошо обрабатывается и сваривается. Это рекордные характеристики. За рубежом из этого и аналогичных сплавов делают, например, камеры сгорания и обшивку ракет. А вот сополимер карбидов тантала и гафния остается твердым вплоть до температуры в 4215!

Температуры плавления карбидов, как видим, значительно превосходят рекорд вольфрама: у карбида ниобия она равна 3770, у карбида циркония — 3800, у карбида тантала — 4150 и, наконец, у карбида гафния — 4200!

Твердость некоторых карбидов приближается к твердости алмаза, но они очень хрупки. И все же человек заставил их работать. Методом порошковой металлургии или пропитыванием пористой карбидной керамики расплавленным металлом получают материалы, в которых мелкие зерна карбидов равномерно распределены в пластичной металлической основе. Такие материалы называются керметами. Из них изготовляют, например, сопла высокотемпературных реактивных двигателей.

Не исключено, что в будущем будут найдены более тугоплавкие, чем вольфрам, металлы среди стабильных изотопов элементов второй сотни периодической системы.