什么是难熔金属?

什么是难熔金属?

[拼音]：nanrong jinshu

[外文]：refractory metals

一般指熔点高于1650℃并有一定储量的金属(钨、钽、钼、铌、铪、铬、钒、锆和钛)，也有将熔点高于锆熔点(1852℃)的金属称为难熔金属。以这些金属为基体，添加其他元素形成的合金称为难熔金属合金。制造耐1093℃(2000°F)以上高温的结构材料所使用的难熔金属主要是钨、钼、钽和铌。

20世纪40年代中期以前，主要是用粉末冶金法生产难熔金属的。40年代后期至60年代初，由于航天技术和原子能技术的发展，自耗电弧炉、电子轰击炉等冶金技术的应用，推动了包括难熔金属在内的、能在1093～2360℃或更高温度下使用的耐高温材料的研制工作。这是难熔金属及其合金生产发展较快的时期。60年代以后，难熔金属虽然有韧性、抗氧化性不良等缺陷，在航天工业中应用受到限制，但在冶金、化工、电子、光源、机械工业等部门，仍得到广泛应用。主要用途有：

（1）用作钢铁、有色金属合金的添加剂，钼和铌在这方面的用量约占其总用量的4/5；

（2）用作制造切削刀具、矿山工具、加工模具等硬质合金，钨在这方面的用量约占其总用量的 2/3，钽、铌和钼也是硬质合金的重要组分；

（3）用作电子、电光源和电气等部门的灯丝、阴极、电容器、触头材料等，其中钽在电容器中的用量占其总用量的2/3。此外，还用于制造化工部门耐蚀部件、高温高真空的发热体和隔热屏、穿甲d芯、防辐射材料、仪表部件、热加工工具和焊接电极等。中国在50年代已用粉末冶金工艺生产难熔金属制品。60年代起已能生产多种规格的难熔金属及其合金产品。

性质

难熔金属最重要的优点是有良好的高温强度，对熔融碱金属和蒸气有良好的耐蚀性能。最主要的缺点是高温抗氧化性能差。钨、钼的塑性－脆性转变温度较高，在室温下难以塑性加工；铌和钽的可加工性、焊接性、低温延展性和抗氧化性均优于钼和钨。

低温脆性

塑性－脆性转变温度（以下简称转变温度）是衡量难熔金属及其合金低温塑性的重要参数（特别是钨和钼）。在难熔金属中，钽具有最好的塑性和最低的转变温度（-196℃以下）。铌塑性较钽差，但优于钼和钨。钨的室温塑性最差，转变温度最高。钼的转变温度在室温上下。温度对钨、钽、钼、铌的塑性的影响见图。转变温度同材料受力状态和形变速度有关，也同材料的组织结构和表面状态有关。添加某些元素（特别是铼），以及进行较大量的塑性加工是改善钨和钼低温脆性的有效途径。间隙元素对难熔金属的转变温度有严重影响。

抗氧化性

钨和钼分别在 1000℃和725℃以上出现氧化物挥发和液相氧化物，人们常称之为“灾害性”氧化。铌和钽在空气中加热，仅当温度高于200℃和280℃时，才有明显的氧化；随着温度的升高，铌、钽氧化皮层开裂和粉化，使抗氧化性能变坏。为了解决这一关键难题，曾采取过两种措施：一是制备抗氧化合金，二是加抗氧化保护涂层，但都未能制得在约1050～1250℃下长期使用的材料，只制得加防护涂层后在约1400～1700℃高温下短期（几分钟到几小时）使用的材料。这种材料在一些航天器部件上得到实际应用。

难熔金属强化

难熔金属的强化，主要有四种途径：固溶强化、加工硬化、沉淀强化和弥散强化。对于钽和铌主要是通过固溶强化和沉淀强化，前者可得到良好的热稳定性，后者可得到良好的高温强度。对于钨和钼主要采用加工硬化和沉淀强化或弥散强化，前者可得低温塑性和高的强度性能，而后者可稳定加工硬化和提高高温形变抗力。形变热处理在难熔金属中也有明显的强化效果（见金属的强化）。

难熔金属合金

在难熔金属合金中钼合金是最早用作结构材料的合金，Mo-0.5Ti-0.1Zr-0.02C合金具有良好的高温强度和低温塑性，在工业上广泛应用。铌合金的出现迟于钼合金，但发展很快，已有30余种牌号。航天工业中使用的主要是中强合金和低强高塑性的铌合金。在钽合金中Ta-10W合金的应用最为广泛。它的强度高于纯钽，而又保持优异低温塑性和良好的加工性能。工业上广泛应用的钨合金材料有掺杂硅、铝和钾的氧化物的高温不下垂钨丝，钨钍丝，钨铼丝和高比重合金等。

坯锭

多孔、弥散、掺杂、高比重材料和许多直接成形的难熔金属及其合金零件是采用粉末冶金工艺制备的。要求提纯的钽和铌合金以及部分钼和钼合金是采用电子束或自耗电弧熔炼工艺。坯锭制备工艺的选择不仅取决于成本和设备条件，而且取决于其后制造工艺和最终性能的要求。采用化学气相沉积和等离子喷涂工艺也可生产某些钨制品。

塑性加工

钨和钼能够经受挤压、锻造、轧制、拉伸等塑性加工。钽和铌及其合金由于转变温度低，且在室温下有良好的塑性，可采用常规工艺加工。钨、钼及其合金片材、丝材、管材生产工艺有其共同的特点，一般是在加工过程中进行再结晶退火，其后采用消除应力退火以使成品具有低的转变温度；钨和钼对间隙元素溶解度极小、污染层很薄，可在保护气氛（如氢气）中加热后，直接在空气中进行高温塑性加工。钽和铌对氮和氧有较大的溶解度，氧、氮含量过高会损害其塑性和加工性能，应避免直接在空气中高温加工，一般需采用包套或涂层。

参考书目

N.E.Promisel ed.， The Science and Technology of Tungsten， Tantalum， Molybdenum， Niobium and Their Alloys，Pergamon， Oxford， 1964.I.Machlin et al.eds.， Refractory metal Alloys，metallurgy and Technology，Plenum，New York，1968.