Тугоплавкие металлы

К тугоплавким относят металлы с температурой плавления бо­лее 1700°С. Эти металлы, как правило, химически устойчивы при низких температурах, но при повышенных температурах активно взаимодействуют с атмосферой. Поэтому изделия из них эксплуа­тируют в вакууме или среде инертных газов (аргон Аr, азот N₂ и др.). Механическая обработка тугоплавких металлов затруднена из-за их повышенной твердости и хрупкости.

Тугоплавкие металлы (вольфрам W, рений Re, молибден Мо, тантал Та, титан Ti, ниобий Nb, цирконий Zr) применяют в электровакуумной технике, полупроводниковом производстве и микроэлектронике, для подвижных контактов и в качестве материала для сверхпроводников. Основные свойства некоторых тугоплавких металлов приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 – Основные свойства тугоплавких металлов

Вольфрам W. Вольфрам – светло-серый металл, который обла­дает следующими свойствами:

- наиболее высокая температура плавления;

- очень большая плотность;

- наименьшее значение температурного коэффициента линейно­го расширения ТКl изо всех чистых металлов, применяемых в ваку­умной технике;

- сравнительно дорог, с трудом обрабатывается и поэто­му применяется только там, где его нельзя заменить.

Сравнительно толстые вольфрамовые изделия с мелкокристал­лической структурой очень хрупкие вследствие высокой прочнос­ти отдельно взятых кристаллов при очень слабом их сцеплении меж­ду собой.

Волокнистая структура металла, создаваемая ковкой и волоче­нием, обеспечивает высокую механическую прочность и гибкость тонких вольфрамовых нитей, диаметр которых может быть менее 10 мкм. Применение вольфрама для изготовления нитей ламп на­каливания было впервые предложено русским изобретателем А.Н.Лодыгиным в 1890 г.

Это свойство используют при изготовле­нии термически согласованных спаев вольфрама с тугоплавкими стеклами. Основная область применения вольфрама - изготовле­ние нитей накала осветительных ламп, катодов прямого и косвен­ного накала мощных генераторных ламп, рентгеновских трубок, размыкающих контактов реле, испарителей для нанесения в вакуу­ме тонких пленок различных материалов. Для контактов с больши­ми значениями разрываемой мощности используют металлокерамические материалы на основе порошка вольфрама.

Рений Re. Рений – серовато-белый редкоземельный металл. В при­роде рений встречается в виде примеси в сульфидных минералах. Он обладает следующими свойствами:

- коррозионная стойкость (до температуры 1000°С не окисля­ется);

- малая испаряемость при высоких температурах в среде техни­ческого вакуума.

Рений применяется для покрытия вольфрамовых нитей с целью повышения срока службы. Покрытие наносят разложением лету­чих соединений рения в атмосфере водорода над вольфрамовой нитью, нагретой до температуры 2000°С.

Молибден Мо. Молибден – близкий по своим свойствам к воль­фраму металл, но почти в 2 раза легче последнего. Он обладает сле­дующими свойствами:

- самое низкое удельное электрическое сопротивление ρ из всех тугоплавких металлов;

- допустимая рабочая температура ниже, чем у вольфрама;

- окисление начинается с температуры 500°С.

Структура кованого и тянутого молибдена сходна со структу­рой образца вольфрама. Однако отожженный мелкозернистый мо­либден обладает хорошей пластичностью и его механическая обра­ботка не вызывает особых затруднений.

Молибден применяют для изготовления анодов и сеток генера­торных ламп, крючков для поддерживания вольфрамовых нитей, теплоотводов в корпусах мощных ВЧ и СВЧ полупроводниковых приборов, в качестве разрывных электрических контактов, в паре с вольфрамом для изготовления термопар, рассчитанных на измере­ния температур до 2000°С в инертных средах и вакууме.

Тантал Та. Тантал – серовато-белый ме­талл, который обладает следующими свойствами:

- ковкость;

- вязкость;

- высокая пластичность даже при комнатной температуре;

- в отличие от вольфрама и молибдена допускает холодную меха­ническую обработку и сварку;

- в качестве электровакуумного конструкционного материала выдерживает температуру до 1200°С;

- способен поглощать газы в электровакуумном приборе.

Прокатываниием получают танталовую фольгу для электролитических конденса­торов толщиной в несколько микрон.

Применяют также в качестве различных нагревателей и испари­телей, используемых в технологии вакуумного нанесения тонких пленок. Ввиду высокой стоимости тантал используют для изготовления ответственных изделий сложной формы, работающих в вакууме в напряженном тепловом режиме.

Титан Ti. Титан обладает следующими свойствами:

- пластичность;

- сравнительно высокая механическая прочность;

- высокая газопоглощающая способность, особенно при нагрева­нии до температуры 500°С.

Он получается термической диссоциацией йодистых соединений.

Титан применяется для порошкообразных покрытий молибде­новых и вольфрамовых электродов электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.

Титановые сплавы образуются в результате легирования титана алюминием, железом, хромом, марганцем, оловом и другими и обладают следующими свойствами: низкая плотность, высокая коррозионная стойкость, прочность, жароупорность, низкие литейные свойства, удовлетворительно обрабатываются резанием твердо-сплавным инструментом, свариваются аргонодуговой и контактной сваркой. Некоторые титановые сплавы упрочняют термичес­кой обработкой.

Ниобий Nb. Ниобий - металл серовато-белого цвета, который обладает следующими свойствами:

- пластичность;

- хорошо поддается механической обработке;

- в слитках при комнатной температуре не корродирует, но его порошок заметно окисляется на воздухе.

Ниобий применяется для изготовления катодов генераторных ламп, анодов, управляющих сеток.

Цирконий Zr. Цирконий – металл, который в слитках похож на сталь, хорошо куется. Высокая концентрация циркониевой пыли в воздухе пожароопасна, так как порошкообразный цирконий при температуре свыше 75°С легко воспламеняется.

Тугоплавкие соединения циркония (карбиды, нитриды), обладающие сравнительно высокой электропроводностью, применяют для изготовления анодов и сеток электронных приборов, пленок для печатного монтажа.

Ртуть Hg

Ртуть – единственный чистый металл, который при нормальной температуре находится в жидком состоянии. Он обладает следую­щими свойствами:

- легко испаряется даже при комнатной температуре, и пары ее очень вредны;

- применение паров ртути в газоразрядных приборах обусловле­но более низким потенциалом ионизации по сравнению с обычны­ми и инертными газами;

- чистая ртуть и ее соединения относятся к ядовитым веществам;

- в ртути хорошо растворяются щелочные и редкоземельные ме­таллы (магний, алюминий, цинк, олово, свинец, кадмий, платина, серебро, золото);

- слабо растворяются в ртути медь и никель;

- не растворяются в ртути железо и титан.

Получают ртуть металлургическим способом, подвергая ее мно­гократной очистке. Завершающей операцией является вакуумная перегонка при температуре примерно 200 °С.

Применяют ртуть в лампах дневного света, для ртутных контак­тов в реле, в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях, в ртутных лампах.

Основные свойства ртути приведены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 – Основные свойства металлов различного применения