Изобретение относится к металлургии тугоплавких металлов и сплавов и может быть использовано при выращивании однородных монокристаллов сплава вольфрам - тантал методом бестигельной зонной плавки с электронно-лучевым нагревом (ЭБЗП). Исходные компоненты - порошки вольфрама и тантала смешивают и изготовливают штабики путем гидростатического прессования смеси при давлении 140÷160 МПа в течение 3÷5 минут. Далее проводят термическую обработку штабиков в вакууме с остаточным давлением Р 8·10-3 Па при температуре до 800°С. Затем продолжают обработку штабиков в восстановительной среде при избыточном давлении не менее 0,2 ати и температуре 800÷1000°С в течение не менее двух часов. После чего осуществляют процесс спекания штабиков в вакууме с остаточным давлением Р 8·10-3 Па при температуре Т 1500°С в течение не менее 2 часов с последующим охлаждением. Нагрев и охлаждение в условиях вакуума и восстановительной среды осуществляют со скоростью 300÷400°С/час. Монокристаллический слиток выращивают посредством бестигельной плавки с электронно-лученвым нагревом и заканчивают четной плавкой с затравлением на конец слитка нечетной плавки. Обеспечивается получение монокристаллов сплава вольфрам - тантал с повышенной степенью однородности распределения тантала по длине слитка. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к металлургии тугоплавких металлов и сплавов и может быть использовано при выращивании однородных монокристаллов сплава вольфрам-тантал методом бестигельной зонной плавки с электронно-лучевым нагревом (ЭБЗП).

Известен способ получения сплавов монокристаллов молибдена и вольфрама с помощью легирования проволокой или прутком, используемых в качестве лигатуры и закрепляемых на боковой поверхности исходной поликристаллической заготовки (Ястребков А.А., Афанасьев Н.Г., Репий В.А., Смирнов В.П. «Разработка жаропрочных монокристаллических сплавов на основе молибдена и вольфрама», Цветные металлы, 2007, № 11, с.10-18).

Недостаток известного способа заключается в получении значительной неоднородности распределения легирующей примеси по длине монокристаллического слитка. Это в полной мере относится к монокристаллам сплава вольфрам-тантал, т.к. проволока или пруток плавятся раньше, чем вольфрам и лигатура попадают в расплав неравномерными порциями.

Наиболее близким к изобретению является принятый в качестве прототипа способ получения монокристаллов тугоплавких металлов с использованием штабиков, полученных методом порошковой металлургии. В известном способе штабики получают путем гидростатического прессования предварительно смешанных исходных порошков, термическую обработку штабиков в восстановительной среде, спекание их с последующим переплавом в поликристаллическую заготовку и выращивание из нее монокристаллического слитка посредством бестигельной зонной плавки с электронно-лучевым нагревом. Качество получаемых монокристаллов во многом определяется составом и количеством примесей, присутствующих в исходном штабике. Основной примесью в порошках тугоплавких металлов (соответственно и в штабиках) является кислород, присутствующий в виде различных оксидов металлов. Для их удаления штабики подвергают термической обработке в осушенном водороде или водородосодержащей среде. Это приводит к снижению содержания кислорода примерно на два порядка. Затем штабики переплавляют для получения поликристаллических заготовок, из которых на установке ЭБЗП выращивают монокристаллы тугоплавких металлов, в том числе и сплавов вольфрам-тантал (Савицкий Е.М., Бурханов Г.С., Поварова Е.Б. и др. «Тугоплавкие металлы и сплавы», М.: Металлургия, 1986, с.32-85).

Однако известный способ не позволяет получить монокристаллы сплава вольфрам-тантал с однородным распределением легирующего компонента (тантала) по длине монокристалла из-за невозможности получения штабиков вольфрама, легированного танталом, соответствующего качества. Вольфрам практически не взаимодействует с водородом, в то время как тантал интенсивно его поглощает с образованием широкой области твердых растворов и гидридных фаз. При термообработке это приводит к растрескиванию и частичному разрушению штабиков.

Технической задачей изобретения является получение монокристаллов сплава вольфрам-тантал с однородным распределением тантала по длине слитка.

Технический результат изобретения заключается в получении бездефектных штабиков сплава вольфрам-тантал и в повышении степени однородности распределения тантала по длине слитка.

Решение поставленной задачи и получение технического результата достигается тем, что в способе получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал, включающем изготовление штабиков путем гидростатического прессования предварительно смешанных исходных порошков, термическую обработку штабиков в восстановительной среде, спекание их с последующим переплавом в поликристаллическую заготовку и выращивание из нее монокристаллического слитка посредством бестигельной зонной плавки с электронно-лучевым нагревом, согласно изобретению гидростатическое прессование осуществляют при давлении 140÷160 МПа в течение 3÷5 минут, термическую обработку штабиков сначала проводят в вакууме с остаточным давлением Р 8·10 -3 Па при температуре до 800°С, а затем продолжают обработку в восстановительной среде при избыточном давлении не менее 0,2 ати и температуре 800-1000°С в течение не менее двух часов, после чего осуществляют процесс спекания штабиков в вакууме с остаточным давлением Р 8·10 -3 Па при температуре Т 1500°С в течение не менее 2 часов с последующим охлаждением, причем нагрев и охлаждение в условиях вакуума и восстановительной среды осуществляют со скоростью 300÷400°С/ч, а процесс выращивания монокристаллического слитка заканчивают четной плавкой с затравлением на конец слитка нечетной плавки.

В способе получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал в качестве восстановительной среды может быть использована аргоно-водородная смесь с содержанием водорода 5÷7% об.

В качестве исходных компонентов может использоваться порошок вольфрама со средним размером зерна (по Фишеру) 1-5 мкм и порошок тантала со средним размером зерна 10-15 мкм. При использовании порошков с разными размерами частиц плотность упаковки и распределение исходных компонентов будут более равномерными, поскольку мелкие частицы заполняют пустоты между крупными.

Известно, что реакция водорода с танталом происходит при относительно низких (Т 600°С) температурах. Осуществив нагрев заготовки до Т=800°С в условиях вакуума, дальнейшую термообработку при более высокой температуре можно проводить в водородосодержащей среде без каких-либо негативных последствий. В результате многочисленных экспериментов было установлено, что применение этого метода решило проблему целостности штабиков при проведении восстановительного отжига.

Формование длинномерных штабиков (отношение длины к диаметру 10) обычно проводится методом гидростатического прессования. Величина давления прессования ограничивается, с одной стороны, сохранением межчастичных контактов после снятия нагрузки, т.е. целостностью самого сформированного штабика, а с другой стороны, образованием сколов и трещин при больших удельных нагрузках. Кроме того, для эффективности восстановительных реакций в процессе спекания поверхность металлического «скелета» должна быть полностью доступна для газовой атмосферы, иначе говоря, не должно быть объемов с закрытой пористостью и, следовательно, полученная прессовка не должна иметь плотность более 60% от теоретической.

С учетом этих ограничений экспериментально было установлено, что давления прессования для порошков с размером зерна от 1 до 5 мкм составляет от 140 до 160 МПа. При этом плотность полученных штабиков варьировалась от 50 до 55% от теоретической.

Для предотвращения взрывоопасных ситуаций и снижения затрат на обеспечение безопасных условий труда спекание штабиков проводили в аргоно-водородной смеси с малыми добавками (от 5 до 7%) водорода.

При высоких температурах спекания (выше 1500°С) в штабиках происходит значительная усадка, при этом пористость уменьшается до значений от 20 до 25%, что сопровождается переходом от открытой пористости до закрытой. Закрытые (изолированные) поры непроницаемы для газовой среды и это приводит к неполному восстановлению пор и окружающих частиц. В процессе выращивания монокристаллов эти участки выделяют летучие окислы, что приводит к возникновению электрических разрядов и «отравлению» катода нагревательного узла электронно-лучевой пушки установки бестигельной зонной плавки. Поэтому восстановительный отжиг необходимо проводить в области температур, не приводящих к образованию закрытых пор. Экспериментально установлено, что выдержка штабиков при температуре от 800 до 1000°С в аргонно-водородной среде в течение 2 часов приводит к полному устранению большинства окисных примесей, практически не изменяя исходной пористости.

Реализацию предлагаемого способа получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал рассмотрим на примере сплава вольфрам-тантал, содержащего 3 мас.% тантала.

В качестве исходных компонентов использовали порошки вольфрама и тантала. Вольфрамовый порошок имел средний размер зерна (по Фишеру) от 1 до 3 мкм, порошок тантала состоял из более крупных частиц - от 10 до 15 мкм. Для увеличения текучести исходные порошки сушили в вакуумном сушильном шкафу ШСВ-65 при 300°С в течение 2 часов, после чего в расчетных количествах засыпали в емкость смесителя С 2,0 «Турбула» и перемешивали смесь в течение от 4 до 6 час. Подготовленную таким образом смесь засыпали в эластичную оболочку и прессовали в гидростате 4,2/5,3 МН при давлении жидкости от 140 до 160 МПа в течение от 3 до 5 минут. Прессованные штабики представляли собой цилиндры диаметром от 18 до 30 мм и длиной от 140 до 240 мм, которые затем помещали в электропечь типа СШВЛ 1,25/25 или СНВЭ 1.31/20. Печь вакуумировали до давления Р=8·10 -3 Па и поднимали температуру до Т=800°С со скоростью от 300 до 400°С/час, выдерживали при этой температуре 30 мин и заполняли камеру печи аргонно-водородной смесью до избыточного давления Р=0,2 ати. Затем температуру поднимали до Т=1000°С и выдерживали в течение 2 час. После выдержки печь снова вакуумировали до остаточного давления Р=8·10 -3 Па и поднимали температуру со скоростью от 300 до 400°С/ч до необходимых от 1500-1800°С и выдерживали при конечной температуре 2 ч. Охлаждение печи проводили с той же скоростью, что и нагрев. Полученные штабики переплавляли в поликристаллическую заготовку методом бестигельной зонной плавки. Диаметр заготовки задавали равным диаметру монокристалла или на 10-20% меньше. Выполнение данного требования отвечает, в числе прочих, условиям стабильного роста монокристалла. В процессе роста монокристалла сплава вольфрам-тантал формируется определенная картина распределения тантала по длине слитка. Равновесный коэффициент распределения тантала в вольфраме равен 0,8. Это означает, что в процессе роста монокристалла концентрация тантала будет от начало слитка к концу возрастать. Для уменьшения эффекта неоднородного распределения примеси по длине слитка необходимо провести второй или любой четный процесс роста, затравляясь каждый раз на конец слитка нечетного процесса. В этом случае будет наблюдаться процесс выравнивания концентрации примеси (тантала) по длине слитка.

В обоснование достижения технического результата были выращены по два слитка монокристаллов сплава W+3 мас.% Та по следующим технологическим схемам:

1 - по известной из литературы технологии легирования монокристалла проволокой или прутком;

2 - по предлагаемой технологии с использованием штабиков, полученных методом порошковой металлургии;

3 - по предлагаемой технологии с использованием штабиков, полученных методом порошковой металлургии, когда выращивание монокристаллического слитка заканчивают четной плавкой с затравлением на конец слитка нечетной плавки. В этом случае будет наблюдаться дальнейший процесс выравнивания концентрации примеси (тантала) по длине слитка.

Концентрацию тантала измеряли спектральным методом (Вольфрам. Методы спектрального анализа. ГОСТ 14339.5-9) на шайбах толщиной 5 мм, отрезанных через каждые 50 мм, начиная с нижнего торца слитка. Результаты измерений по каждому из трех способов представлены в таблице.

Как видно из данных таблицы, разброс концентрации тантала между максимальными и минимальными значениями в монокристалле сплава вольфрам-тантал для известного способа составляет более 25%, а для предложенного способа - 10%.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал, включающий изготовление штабиков путем гидростатического прессования предварительно смешанных исходных компонентов, термическую обработку штабиков в восстановительной среде, спекание их с последующим переплавом в поликристаллическую заготовку и выращивание из нее монокристаллического слитка посредством бестигельной зонной плавки с электроннолучевым нагревом, отличающийся тем, что гидростатическое прессование осуществляют при давлении 140÷160 МПа в течение 3÷5 мин, термическую обработку штабиков сначала проводят в вакууме с остаточным давлением Р 8·10 -3 Па при температуре до 800°С, а затем продолжают обработку в восстановительной среде при избыточном давлении не менее 0,2 ати и температуре 800÷1000°С в течение не менее 2 ч, после чего осуществляют процесс спекания штабиков в вакууме с остаточным давлением Р 8·10 -3 Па при температуре Т 1500°С в течение не менее 2 ч с последующим охлаждением, причем нагрев и охлаждение в условиях вакуума и восстановительной среды осуществляют со скоростью 300÷400°С/ч, а процесс выращивания монокристаллического слитка заканчивают четной плавкой с затравлением на конец слитка нечетной плавки.

2. Способ получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал по п.1, отличающийся тем, что в качестве восстановительной среды используют аргоно-водородную смесь с содержанием водорода 5÷7 об.%.

3. Способ получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал по п.1, отличающийся тем, что в качестве исходных компонентов используют порошок вольфрама со средним размером зерна 1-5 мкм и порошок тантала со средним размером зерна 10-15 мкм.

Тантал-Tantalum (Та). Вольфрам-Wolfram (W)

Тантал в греческой мифологии - любимый сын Зевса. Будучи на правах любимца Зевса допущенным к трапезам богов. Тантал возгордился этим и, пригласив богов к себе на пир, подал им в виде угощения мясо собственного сына Пелопа, желая проверить их всеведение. За это преступление Тантал был наказан голодом и жаждой. Он был "заточен" в пруд, где стоял по горло в воде, под деревом, ветви которого свисали и гнулись под тяжестью спелых плодов. Всякий раз, когда Тантал, томимый жаждой, открывал рот, чтобы напиться, вода утекала от него; когда, мучимый голодом, он поднимал руку, чтобы сорвать плод, ветка с плодами уклонялась в сторону. Так древний миф описывал "танталовы муки".

Такие же муки перенесли химики, изучавшие свойства тантала, и особенно те ученые, которые пытались выделить тантал в чистом виде.

150 лет в коллекции Британского музея в Лондоне лежал ничем не примечательный минерал темного, почти черного цвета. От куска угля он отличался только очень тяжелым весом да прожилками золотистой слюды. Своей тяжестью минерал и привлек внимание химика К. Гэтчета, который исследовал неописанные минералы коллекции. Анализ показал наличие в минерале железа, кислорода и еще одного неизвестного элемента. По имени минерала, названного в честь Америки, где он был найден,- колумбита - открытый элемент назвали колумбием, а минерал... положили в коллекцию. Это было в 1801 г. Год спустя химик Экеберг в минералах Скандинавского полуострова нашел новый элемент, который из-за мучительной трудности выделения был назван танталом. Изучая свойства колумбита, некоторые исследователи все более и более склонялись к мысли, что колумбий и тантал тесно смешаны в минерале колумбите.

В 1844 г. известный немецкий химик Г; Розе доказал, что в колумбите находятся два трудно разделимых элемента - ниобий и тантал. Они же вместе присутствуют и в минерале танталите, в манганотанталите, в ферротанталите и в некоторых других редких минералах. Наконец, было установлено, что колумбий и тантал почти всегда находятся вместе и что разделить их очень трудно.

В чистом виде тантал представляет собой серо-стальной, тяжелый (плотность 16,6), тугоплавкий (плавится при 3000°С) металл. Твердый и вместе с тем пластичный, он совмещает в себе химическую стойкость платины и ковкость золота, которое можно прокатать в тончайшие листочки. Тантал не растворим в кислотах и их смесях. Не растворяет его и "царская водка", пожирающая все металлы. Только смесь плавиковой кислоты с азотной действует на тантал.

Тантал явился конкурентом платины, он оказался незаменимым для изготовления химической аппаратуры. На одном из предприятий, использующих газообразный хлористый водород, детали аппарата из нержавеющей стали полностью разрушались за 2 месяца. Достаточно было заменить нержавеющую сталь танталом, и срок службы самых тонких частей (0,3-0,5 мм) увеличился до 20 лет. В прошлом тантал применялся для изготовления нитей в электрических лампочках, которые так и назывались танталовыми. Ныне он заменен более дешевыми металлами.

Одна из областей человеческого знания считает тантал совершенно незаменимым. Это - хирургия. В противоположность другим металлам тантал обладает замечательным свойством: вшитый в живые ткани (мышцы, кости), он совершенно не раздражает их. И это ценное свойство тантала используется в восстановительной хирургии. В виде тонких пластинок, проволоки, шурупов, гвоздей он находит себе применение в костной и пластической хирургии для скрепления обломов костей, закрывания отверстий в костях черепа и т. д. В экспериментальной хирургии.

Важным сырьем для получения тантала и ниобия служат колумбитоносные граниты, залежи которых особенно велики в районе Плато Джое (Северная Нигерия). Соединенные Штаты Америки вывозят из Нигерии обогащенную руду и накапливают концентраты, ибо считают тантал важнейшим стратегическим металлом.

Вольфрам-Wolfram (W)

Температура нити электрической лампочки превышает 2500°С. Большинство металлов при такой температуре плавится, некоторые же кипят и быстро испаряются. В данном случае выручает вольфрам - самый тугоплавкий из всех металлов. Температура плавления вольфрама достигает 3410°С. Трудно переоценить значение вольфрама в производстве электрических ламп, особенно если учесть, что в мире ежегодно изготавливают несколько миллиардов электрических лампочек. Несколько миллиардов! Чтобы составить себе представление о грандиозности этих цифр, достаточно сказать, что, например, миллиард минут составляет более 19 столетий.

В изломе куска чугуна или стали можно различить отдельные кристаллы. Иногда они крупные и видимы простым глазом, чаще - мелкие, различимые с помощью лупы или только под микроскопом.

Но всегда таких кристаллов множество и, как говорят в таких случаях, кусок металла имеет поликристаллическую структуру. Совсем иначе выглядит волосок электролампы: прежде всего - это один кристалл, или, как говорят в технике, монокристалл (от греческого "монос"-один). Много усилий потратили исследователи, пока нашли условия, при которых из вольфрамового порошка можно получить монокристалл в виде проволочки большой длины. Если учесть, что температура плавления вольфрама равна 3410°С, можно представить, как трудно его получить в чистом виде. В этом состоит, главным образом, объяснение тому, что вольфрам, открытый еще в 1781 г. и выделенный с. примесями в 1783 г. Дон-Фаусто-Дель-Гюаром, был получен в чистом виде лишь через 67 лет.

Вольфрам растворяется лишь в смеси двух кислот: плавиковой и азотной. В "царской водке" происходит лишь медленное окисление; вольфрама с поверхности.

Так, волосок электролампы - это монокристалл вольфрама толщиной всего в несколько сотых долей миллиметра. Из вольфрама же делают и антикатода мощных рентгеновских трубок.

При случае осмотрите контакты прерывателя на магнето, установленном в моторе трактора. В тех местах, где сотни раз в секунду вспыхивает и гаснет электрическая искра,- на контактах прерывателей - укреплена тоненькая табличка из вольфрама. При использовании любого другого материала двигатель не мог бы долго работать: контакты будут "пригорать", окисляться, и продукты окисления надо убирать, счищать. Хорошо, если зачистку контактов можно осуществить на земле, а как быть, например, в воздухе, если откажет мотор самолета? Вольфрам и здесь оказывается незаменимым.

Так называемые сверхтвердые сплавы представляют собой смесь порошков карбидов, сцементированных кобальтом. К тому же получают эти "сплавы" не сплавлением, а, как уже упоминалось, спеканием. Обязательной составной частью сверхтвердых материалов являются карбиды вольфрама. Такие сплавы содержат 78-88 % вольфрама, 6-15 % кобальта и 5-6 % углерода. Допуская огромные скорости обработки металла, они не теряют твердости даже при нагревании до 1000°С. Аналогичный "сверхтвердый сплав" называется "видиа" - от сокращенного слова; "ви диамант" - "как алмаз". В известной мере такое сравнение законно: пластинки для резцов успешно заменяют роль алмаза в коронках для бурения нефтяных и газовых скважин. По твердости "победит" приближается к алмазу, но выгодно отличается от него меньшей хрупкостью и большей дешевизной. Много вольфрама используется для получения высокопроцентного сплава вольфрама (50-80%) с железом-ферровольфрама, расходуемого для разнообразных нужд металлургической промышленности.

Умный металл. Этот термин появился в деловом мире в середине XX века. Умные металлы использовались в качестве материалов для высоких технологий, применяемых в электронике и робототехнике. Одним из таких высокотехнологичных металлов и стал тантал. Сегодня он неразрывно связан с такими понятиями, как спутниковая связь, бортовые системы, телекоммуникационное оборудование.

Что такое тантал? Исторические факты

Впервые тантал был обнаружен в 1802 году шведским ученым А.Г. Экебергом в составе двух минералов, найденных в Швеции и Финляндии. Оксид этого элемента был очень устойчив, и даже большое количество кислоты не могло разрушить его структуры. У ученого сформировалось впечатление, что металл не может напитаться кислотой. Экеберг вспомнил легенду о царе Тантале, который являлся сыном Зевса и в результате наказания не мог утолить голод и жажду. Его страдания назвали танталовы муки.

Так и ученый, как не старался, не мог выделить чистый металл из окисла, поэтому свою работу сравнивал с танталовыми муками. Химическому элементу он дал название тантал, а минерал, который содержал этот металл, назвал танталитом. Лишь в 1903 году немецкий Болтон В. получил в чистом виде пластичный металл тантал. Промышленный выпуск его начался только в 1922 году. Первый образец промышленного изготовления тантала был всего со спичечную головку. США первыми стали производить его, и в 1942 году был запущен завод по выпуску этого металла.

Физические свойства тантала

Что такое тантал? серебристо-белого цвета. Прочная оксидная пленка на нем придает схожесть по внешнему виду со свинцом. Металл обладает высокой прочностью и твердостью и в то же время пластичностью. По пластичности его сравнивают с золотом.

В чистом виде он прекрасно подчиняется механической обработке. Его легко штамповать, раскатывается в очень тонкий слой до 0,04 мм. Из него получают качественную проволоку. Тантал, что такое? Это тугоплавкий металл, температура плавления которого составляет примерно 3000 градусов. Только вольфрам и рений превосходят его по этому свойству. Одно из специфических его качеств - это высокая теплопроводность. Даже оксидная пленка, которая на нем образуется, не уменьшает этого свойства.

Химические свойства

Многие органические и неорганические кислоты - хлорная, серная, соляная, азотная и другие агрессивные среды - не вызывают у тантала коррозии. Металл окисляется при нагревании от 200 до 300 градусов, и на нем образуется под оксидной пленкой газонасыщенный слой. Слабые химические свойства тантала не дают ему возможности раствориться даже в царской водке, которая расплавляет платину и золото.

На практике доказано, что нержавеющие стали менее стойкие при эксплуатации, и детали из них служат значительно меньший срок, чем изделия из тантала. Из всех существующих кислот только плавиковая может растворить этот металл.

Сплавы

Стойкая устойчивость тантала к воздействию кислот позволяет использовать его для добавок к различным сплавам, которые применяются при производстве металлических конструкций. Для изготовления проката - проволоки, полос, листов, трубок - используют сплав тантала с гафнием. вольфрама и тантала используется для изготовления режущих пластин разного назначения. Такие сплавы характеризуются:

• высокой прочностью;
• повышенной твердостью;
• не окисляются;
• имеют высокую абразивную стойкость;
• являются износостойкими;
• имеют значительную вязкость;
• снабжают отличной прочностью режущую кромку инструмента.

Тантало-вольфрамовый сплав, в состав которого входит 7% вольфрама, способен выдерживать температуру до 1900 градусов. Он вызывает значительный интерес у специалистов. А из сплава тантала с 10% вольфрама изготовляют сопла для ракетных двигателей. В космической технике применяются материалы, которые обладают хорошей теплоемкостью или тугоплавкостью, поэтому сплавы с танталом находят широкое применение для ее изготовления.

Роль лома

Танталовый лом составляет существенную долю, до 30% поставок на рынок, от общего объема. Большая часть металла выделяется из лома конденсаторов. Поэтому его поставки находятся в прямой зависимости от активности работы в электронной промышленности.

А это, в свою очередь, определяется глобальными экономическими условиями. Другими источниками лома являются отработавшие карбиды. В ломе сплавов, основным элементом которого является никель, также содержится тантал. В будущем отходы потребителей будут являться важным источником этого металла.

Использование тантала

Сам металл и его сплавы находят широкое применение в промышленности. Его используют для изготовления:

• сухих электролитических конденсаторов;
• нагревателей для вакуумных печей;
• катодов косвенного нагрева;
• антикоррозийной аппаратуры;
• ядерных реакторов;
• сверхпроводников;
• боеприпасов с повышенной пробивной способностью;
• эталонов массы, которые имеют высокую точность;
• режущих инструментов высокой стойкости.

Высокая стойкость металла к коррозии способствует удлинению срока службы конденсаторов из тантала в электронных системах до 12 лет.

Ювелирная промышленность использует этот металл для изготовления корпусов часов и браслетов вместо платины. Изделия из тантала находят применение и в медицинской промышленности. Он не отторгается организмом человека, поэтому из него производят:

• пластины для черепных коробок и брюшной полости;
• скрепки, которые используют для соединения сосудов;
• толстые нити, которыми заменяют сухожилия;
• тонкие нити для сшивания нервных волокон.

ГОСТ металла

Существует несколько методов установления ГОСТа тантала и его окиси, например, фотометрический и спектральный.

Спектральный метод (ГОСТ 18904.8) устанавливает содержание примесей кальция, вольфрама, меди, кобальта, натрия, молибдена в тантале и его окиси. Результатом анализа служит среднее арифметическое, полученное от 2 определений различных навесок.

Фотометрический метод (ГОСТ 18904.1) определяет содержание массовой доли вольфрама и молибдена в тантале и окиси. В этом случае результат анализа подсчитывают как среднее арифметическое 3 определений, которые выполняют из отдельных навесок.

Месторождения и добыча тантала

Что такое тантал? Это очень редкий металл. В чистом виде он практически не наблюдается. Встретить его можно в составе минералов и в виде собственных соединений. В минералах он всегда встречается вместе с ниобием, который по свойствам очень схож с танталом. Месторождения с танталовыми соединениями и минералами находятся во многих странах мира.

Самое большое расположено во Франции. Высоки запасы этого металла в Китае и Таиланде. В странах СНГ месторождения значительно меньшего размера. Около 420 тонн тантала составляет годовая добыча в мире. Основные комбинаты, которые занимаются переработкой металла, расположены в Германии и США. В связи с бурным развитием электроники, в которой применение тантала занимает не последнее место, наблюдается нехватка этого редкого металла, что приводит к поиску новых месторождений.

Цены на тантал

Большую часть тантала, а это до 60%, потребляет Использование его на составляет около 20%. Цены на этот редкий металл могут быстро изменяться. Спрос на него то восстанавливается, то снова падает. Аналитики предсказывают, что в ближайшие годы спрос и предложение будут колебаться, это, в основном, зависит от экономических факторов.

Ориентировочная цена тантала за 1 кг в рублях на российском рынке составляет:

• листового - 65 660;
• в прутках - 73 030;
• проволоке - 73 700.

Перспективы

Все больше начинают использовать этот умный металл в медицинской промышленности для нужд восстановительной хирургии. Его применяют для изготовления имплантатов. Танталовой пряжей возмещают мускульную ткань, проволока идет для скрепления костей, а нити используют для наложения швов. В связи с крупным перевооружением мировых авиалиний применение тантала для нужд авиастроения продолжит свой рост. Сплавы в авиапромышленности используются для двигателей самолетов. Кроме этого, тантал продолжает активно использоваться для производства вычислительной техники: процессоров, принтеров.

Не уменьшается спрос на этот металл и в химической промышленности. Его широко применяют для производства хлора, пероксида водорода, многих кислот. Химическое машиностроение широко использует его при изготовлении оборудования, контактирующего с агрессивными средами. Самым серьезным потребителем танталовых сплавов остается металлургическая промышленность. Растет спрос на него и в ядерной энергетике, где в основном используют теплопроводность в сочетании с пластичностью и твердостью тантала.

На основе тантала. У тантала сплавов высокая т-ра плавления (~ 3000° С), низкий коэфф. термического расширения, малая упругость паров, значительная кисло тостойкость. С вольфрамом, молибденом и рением образует типа твердого раствора. Прочность и жаропрочность таких сплавов возрастают с увеличением содержания легирующих элементов. Добавки гафния и циркония способствуют созданию дисперсноупрочненного состояния. Пром. применение нашли тантала с вольфрамом, и гафнием. и способствуют увеличению модуля упругости сплавов, повышают т-ру рекристаллизации и плавления, а также прочностные характеристики. Наиболее широко применяемый сплав тантала с вольфрамом (10%) в деформированном состоянии отличается до т-ры 8000 С самой высокой прочностью и технологической пластичностью. Добавки молибдена и циркония с последующим деформированием при т-ре 1980° С повышают предел прочности такого сплава более чем в два раза.

Сплавы с большим содержанием вольфрама (12,5%) плохо поддаются обработке давлением. Сплав тантала с вольфрамом и гафнием (2%) характеризуется высокой жаропрочностью и достаточной технологической пластичностью. Насыщение тантала сплава примесями внедрения (кислородом, азотом, углеродом) повышает прочность, но снижает пластичность. Значительной пластичностью (до 27%) в рекристаллизо-ванном состоянии и высоким сопротивлением ползучести отличается сплав тантала с вольфрамом (8%), рением (1%), гафнием (1%) и углеродом (0,025%). Предел прочности его на растяжение 73,8 кгс/мм2, предел текучести 59,8 кгс/мм2, т-ра его перехода из хрупкого состояния в вязкое ниже - 196 9 С. Тантала сплавы получают методами порошковой металлургии (прессованием с последующим спеканием), а также плавлением.

Порошки металла и прессуют под давлением ~ 21-85 кгс/мм2, при к-ром плотность достигает 60-70% от теоретической, после чего материал подвергают отжигу в вакууме при т-ре 1980-2500° С в течение нескольких часов. Иногда для полунения более плотного материала, обладающего высокой пластичностью, отжиги чередуют с ковкой или прокаткой. В произ-ве тантала сплавов распространены плавка с расходуемым электродом, электроннолучевая и вакуумная дуговая плавки. Плавка в вакууме приводит к значительному уменьшению содержания примесей. Более полная очистка от кислорода достигается раскислением расплава угле-родом. Электроннолучевая плавка, отличающаяся сравнительно небольшой скоростью, способствует (в условиях высокого вакуума) лучшей очистке сплавов от примесей внедрения.

Холодное деформирование сплава - (10%) (начальное обжатие 20%) повышает предел прочности с 55 до 80 кгс/мм2, дальнейшее обжатие (до 60-80%) слабо влияет на изменение прочности (80 -г- 100 кгс/мм2)у а более высокая степень пластической деформации резко увеличивает прочностной предел до 147 кгс/мм2. Этот сплав при т-ре 1650° С и времени до разрушения 10 мин в четыре раза прочнее, чем нелегированный . К тому же сплав тантал - (10%) электроннолучевой плавки отличается большей длительной прочностью, чем тот же сплав дуговой плавки. Скорость окисления сплава тантал - вольфрам (10%) составляет примерно 2/3 скорости окисления нелегированного тантала при т-ре 1200° С и выдержке 1-2 ч.

Листы сплава тантал - вольфрам (10%), сохраняющие достаточно хорошую пластичность после холодной прокатки, создают высокопластичные соединения при сварке электронным лучом в вакууме или вольфрамовым электродом в среде инертного газа. Относительное удлинение всех сплавов тантала после обжатия на 20% уменьшается с 58 до 10-15%. При 90%-ном обжатии их относительное удлинение 2-5%. Для повышения коррозионной стойкости тантала сплавы легируют ом, алюминием, хромом и бериллием. Полуфабрикаты из Т. с. изготовляют в виде лент, листов, проволоки, прутков и др. Т. с. применяют для изготовления электр. конденсаторов, деталей электронных ламп и хим. аппаратуры. Из сплава тантал - вольфрам (10%) изготовляют, кроме того, детали ракетных сопел, пружины электронных приборов.

Лит.: Редкие и сплавы. М., 1960; Савицкий Е. М. Бурханов Г. С Металловедение сплавов тугоплавких и редких металлов.

Статья на тему Тантала сплавы

Кроме производства различных высококачественных наша компания также выпускает полуфабрикаты и детали из тугоплавких металлов . Материалы соответствуют российскому ГОСТ и обладают улучшенными механическими и физическими свойствами.

Тугоплавкие металлы: молибден, вольфрам, тантал, вольфрамовая медь, титан и сплавы на его основе, тяжелые металлы.

Вольфрам AERIS 1700 - самый тугоплавкий и технически чистый металл, имеющий самую высокую точку плавления и очень высокую плотность. Обладает высокой степенью твердостью, антикоррозийными свойствами. Производится в виде проволоки, прутков, лент, листов.

Вольфрам-медь AERIS 1705 - данный сплав сочетает в себе высокое сопротивление вольфрама износу и отличную электропроводность меди. Поставляется в виде прутков, плит.

Молибден AERIS 1710 - данный металл имеет схожие свойства с вольфрамом (Высокая температура плавления, высокий уровень усталости при повышенных температурах (в вакууме или в среде защитных газов до 2.000 К/1.727 С), низкое значение теплового расширения). Производится в виде проволоки, прутка, ленты, листа, трубы.

Тантал AERIS 1715 - данный сплав используется для химического оборудования из-за его выдающихся свойств: хорошая обрабатываемость материала и химическое сопротивление.

Титан AERIS 1725 - данный металл принадлежит группе легких металлов. Два самых используемых свойства этого металла - это коррозионная устойчивость к окислительным средам и самое высокое соотношение предела прочности к массе из всех металлических материалов. Свойства титана могут быть адаптированы к различным применениям посредством использования различных легирующих элементов. Титан и его сплавы обладают высоким растяжением, прочностью и сцеплением.

Титан-Цирконий-Молибден AERIS 1720 - данный сплав обладает таким свойствами как высокая точка плавления, высокий предел прочности, тепловое растяжение, хорошая термопроводность и химическое сопротивление. Поставляется в виде прутков, листов.

Поставка осуществляется как за российские рубли со склада, так и за Евро с заключением прямого контракта с заводом-изготовителем. При долгосрочном сотрудничестве возможна отсрочка платежа 100%.