» » Способы защиты тугоплавких металлов и сплавов на их основе от взаимодействия с активными газами
20.01.2015

Наиболее распространенным способом защиты тугоплавких металлов и сплавов на их основе от взаимодействия с газами, входящими в состав воздуха, является нагрев в нейтральных газах и в вакууме. В качестве защитной среды наиболее широко применяют аргон, поскольку он дешевле и менее дефицитен, чем гелий. При использовании технического аргона для защиты таких активных тугоплавких металлов, как ниобий, тантал и их сплавы, его необходимо очищать от имеющихся в нем примесей (кислорода, паров воды, двуокиси углерода). Содержание примесных газов в аргоне должно составлять: ≤0,002% кислорода, ≤0,001% паров воды [точка росы (-55)/(-60°C)] при промежуточной термической обработке и нагреве под горячую обработку давлением и менее 0,005% кислорода и менее 0,01 , паров воды (точка росы -40°) при окончательной термической обработке. При нагрева тугоплавких металлов и сплавов на их основе в аргоне такой чистоты образуются столь тонкие окисные пленки, что они не влияют на механические служебные и технологические свойства.
Вольфрам, молибден и сплавы на их основе можно нагревать не только в аргоне, но и в водороде. Водород растворяется в молибдене и в вольфраме в ничтожных количествах - менее 0,0001% (по массе) при температурах нагрева под обработку давлением и термическую обработку. Технический водород, как и технический аргон, следует очищать от газовых примесей. Полученный электролизом технический водород в баллонах содержит до 0,2—0,3% кислорода и пары води с точкой росы -34° С. Для применения водорода в качестве защитной среды необходимо снизить содержание кислорода (до концентраций ≤0,002%) и паров воды точки росы -50° С).
Водород значительно дешевле и менее дефицитен, чем аргон, но он взрывоопасен. Поэтому работа с водородом требует особых предосторожностей. Накопленный опыт эксплуатации печей с водородной атмосферой показывает, что при соблюдении необходимых мер предосторожности эти печи безопасны в эксплуатации.
При термообработке и нагреве вольфрама и молибдена защитной средой может служить также еще более дешевая и менее взрывоопасная, чем водород, атмосфера, состоящая из 75% H и 25% N с содержанием менее 0,004% О и менее 0,001% паров воды (точка росы -60 °С).
Натекание газа в вакуумную систему должно быть сведено к минимуму, особенно при термической обработке таких активных металлов, как ниобий и тантал. Проведенные исследования и накопленный опыт работы показывают, что при вакуумной термической обработке тугоплавких металлов натекание в системе не должно превышать 3—5 мкл/с.
Для повышения чистоты вакуумного пространства в вакуумные системы вводят различного рода ловушки.
Способы защиты тугоплавких металлов и сплавов на их основе от взаимодействия с активными газами

Отжиг тугоплавких металлов и их сплавов в условиях "чистого" вакуума позволяет существенно повысить пластичность тонких полуфабрикатов (тонких листов, жести, фольги, проволоки, тонкостенных трубок).
При выборе температуры и продолжительности вакуумной термической обработки исходят не из условии снижения содержания водорода в металле до заданного уровня, a из их влияния на механические и служебные свойства тугоплавких металлов и сплавов в результате происходящих при термической обработке фазовых и структурны превращений.
Технологический процесс вакуумной термической обработки включает следующие подготовительные операции: а) очистку поверхности от газонасыщенного слоя, образовавшегося при предшествующих технологических операциях; б) обезжиривание поверхности; в) подготовку садки к термической обработке.
Газонасыщенный слой следует удалять перед вакуумной термическом обработкой в связи с тем, что газы, составляющие этот слой, при высоких температурах диффундируют в металл, ухудшая его механические и технологические свойства. Наилучший способ удаления газонасыщенных слоев - травление. Обезжиривание необходимо для удаления с поверхности полуфабрикатов жирных смазок, масла и других жиров. Если их не удалить, то при нагреве происходит крекинг с образованием углеводородов, загрязняющих и вакуум, и металл. Обезжиривание проводят в горячем растворе 10%-мго двухромовокислого калия с последующей промывкой в горячей воде и сушкой в потоке теплого воздуха. Другой способ обезжиривания — протирка поверхности спиртом или бензином.
До последнего времени для термической обработка тугоплавких металлов применяли садочные вакуумные печи периодического действия. Основной их недостаток— большая продолжительность термического цикла. Так, например, по данным М. В. Мальцева, при отжиге тонкостенных трубок и фольги из ниобия в лабораторной печи затраты времени составляют:
а) вакуумирование печи до давления 2*10в-2 Па 1 ч 40 мин;
б) нагрев печи до 1000—1100°C 1 ч 40 мин;
в) выдержка при заданной температуре 10 мин;
г) охлаждение печи до 100—150° С 2 ч.
Таким образом, на собственно отжиг (10 мин) расходуется 3,3% всей продолжительности термического цикла (5 ч). Еще более длителен термический цикл при термической обработке в крупных промышленных вакуумных печах — он может достигать 5 сут. В последнее время начинают все более широко применять вакуумные печи с несколькими камерами, в которых вакуумирование, нагрев и охлаждение садки ведут в разных камерах, связанных между собой.
При выборе способа защиты металлов от взаимодействия с газами учитывают их индивидуальные особенности. Тонкие (листовые) полуфабрикаты из ниобия и тантала, а также сплавов на их основе предпочтительнее отжигать в глубоком вакууме при возможно меньшем натекании, так как эти металлы обладают высокими геттерными свойствами и активно поглощают остаточные газы, даже при их весьма малом парциальном давлении. Остальные тугоплавкие металлы и сплавы на их основе можно нагревать и в вакууме, и в среде нейтрального газа.
Для защиты слитков и заготовок из тугоплавких металлов от взаимодействия с газами при нагреве под горячую обработку используют защитные обмазки. Принципы выбора состава этих обмазок были рассмотрены ранее при описании защиты металлов от взаимодействия с газами.
Для защиты тугоплавких металлов от окисления в США разработана обмазка, состоящая из SiO2 (до 60%), TiO2 (до 40%) и небольших добавок (десятые доли процента) Na2NO, К2СО3 и B2O3. При нагреве ниобия, тантала и их сплавов до 1200-1300°C рекомендовано применять обмазку, приготовленную на 10%-ном жидком стекле, следующего состава, % (по массе). 40Аl2О3; 15CaO; 25 (Na2O+K2O); 5 B2O3; 10PbO и 5MgO. Эти обмазки при рабочих температурах смачивают металл и образуют на их поверхности плотные вязкие пленки, предохраняющие металл от взаимодействия с газами, составляющими атмосферу. Указанные обмазки наносят на металл перед горячен обработкой давлением. Их состав подобран таким образом, чтобы они не только защищали металл от окисления, но и облегчали условия деформации. Эти же обмазки пригодны для защиты тугоплавких металлов от взаимодействия с газами при термической обработке.
В нашей стране для защиты ниобия от окисления используют покрытия ЭВТ-37 и ЭВТ-51. Отработавшее покрытие удаляют травлением в щелочном расплаве при повышенных температурах. После травления получают металл практически без обогащенного кислородом поверхностного слоя.