книги из ГПНТБ / Рытвин Е.И. Платиновые металлы и сплавы в производстве стеклянного волокна [учеб. пособие]

Диусы железа (1,26А ) и никеля (1,24Â) отличаются от атомных радиусов платиновых металлов (см. табл. 3) менее, чем на 11%, что указывает на возможность обра­ зования непрерывного ряда твердых растворов.

Диаграмма состояния железо — платина характери­ зуется наличием непрерывных твердых растворов в ши­ рокой области концентрации компонентов, распадом твердого раствора и образованием химических соедине­ нии. При взаимодействии железа с палладием также об­ разуется широкая область твердых растворов; в твердом состоянии происходят различные превращения и возни­ кают химические соединения. Характерной особенностью диаграммы состояния железа с палладием является на­ личие минимума на кривых солидуса и ликвидуса. Диа­ граммы состояния железа с родием, рутением и ириди­ ем полностью не построены. Исследования этих систем показали вероятность существования твердых растворов в широкой области составов и сложных превращений в твердом состоянии. В системе железо—золото также имеется область твердого раствора.

Диаграммы состояния никель—платина и никельпалладий указывают на существование в этих системах непрерывного ряда твердых растворов. В системе ни­ кель—палладий линии ликвидуса и солидуса имеют ми­ нимум, а система никель—платина характеризуется рас­ падом твердого раствора и образованием химических соединений. Взаимодействие никеля с рутением дает до­ статочно большие области существования твердых рас­ творов. При сплавлении золота с никелем образуется не­ прерывный ряд твердых растворов, причем, при темпе­ ратурах ниже 850 °С происходит распад твердого раство­ ра в системе Au—Ni в интервале концентрации от ~ 6 до

•~98% никеля.

На основании приведенных сведений о взаимодейст­ вии платиновых металлов с примесными элементами можно сделать важные практические выводы. Из при­ месных элементов необходимо выделить особо вредные элементы, присутствие которых в платиновых металлах и сплавах крайне нежелательно. К вредным примесям в благородных металлах следует отнести прежде всего элементы, способные образовывать между собой и с пла­ тиновыми металлами хрупкие и легкоплавкие состав­ ляющие, которые вызывают разрушение металла в усло-

92

Р А З Д Е Л Т Р Е Т И Й

СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАТИНОВЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ СТЕКЛОПЛАВИЛЬНЫХ СОСУДОВ

Возможность применения платиновых металлов и сплавов в конструкции стеклоплавильных сосудов обу­ словлена важнейшими свойствами этих металлов: вы­ сокой жаропрочностью, термостойкостью, жаростой­ костью и стеклостойкостью. Сочетание этих свойств с требуемыми электротехническими характеристиками и технологичностью делает платиновые металлы и спла­ вы непревзойденными материалами для стеклоплавиль­ ных сосудов. Жаропрочность и термостойкость сплава — важнейшие критерии при оценке возможной долговечно­ сти стеклоплавильного сосуда. Жаростойкость и стекло­ стойкость— характеристики, определяющие потери бла­ городных металлов за счет их возгонки и растворимости в расплаве стекла при эксплуатации стеклоплавильно­ го сосуда. Следовательно, жаропрочность, жаростой­ кость и стеклостойкость платиновых сплавов оказывают решающее влияние на технико-экономические показате­ ли работы стеклоплавильных сосудов.

Глава VI

ЖАРОПРОЧНОСТЬ СПЛАВОВ ПЛАТИНОВЫХ МЕТАЛЛОВ

Жаропрочность платиновых металлов п сплавов мож­ но оценивать по ряду характеристик, получаемых в ре­ зультате кратковременных или длительных испытаний образцов при определенной температуре. Наиболее рас­ пространенными характеристиками металлов и сплавов, испытываемых кратковременно на растяжение, являются

94

предел прочности, предел текучести, относительное уд­ линение и относительное сужение. Предел прочности — это напряжение, создаваемое наибольшей нагрузкой, предшествующей разрушению образца при испытании на растяжение. Предел текучести (физический)—это на­ пряжение, при котором образец деформируется без уве­

при котором образец получает остаточную деформацию, равную 0,2% первоначальной расчетной длины.

где <Тв, ст0 і 2 — предел прочности н условный предел текучести, кгс/мм2; Рв, Рог2 — наибольшая нагрузка перед разрушением об­

разца н нагрузка, при которой образец получает остаточную дефор­ мацию, равную 0,2% от исходной расчетной длины, кг; Р0 — началь­ ная площадь поперечного сечения образца, мм2.

Под относительным удлинением понимают отношение абсолютного остаточного удлинения к первоначальной расчетной длине образца. Относительное сужение — это отношение величины уменьшения площади поперечного сечения к первоначальной площади сечения образца:

Указанные характеристики, полученные при нагреве образца, дают представление о жаропрочности металла при кратковременных испытаниях на растяжение. Рас­ пространенной характеристикой свойств металлов явля­ ется модуль нормальной упругости — это отношение на­ пряжения к соответствующему удлинению образца в об­ ласти его начальной (упругой) деформации.

Другим практически важным методом испытания яв­ ляется определение твердости. Твердость — это способ­ ность металла сопротивляться вдавливанию в него дру­ гого тела, практически не получающего остаточной де­ формации при нагружении. Твердость, так же как

95

и другие характеристики металла, можно определять при нагреве. Однако чаще всего твердость определяют при комнатной температуре и по величине твердости су­ дят о том, в деформированном (твердом) или отожжен­ ным (мягком) состоянии находится металл.

Жаропрочность платиновых сплавов, определяемая при кратковременных испытаниях, достаточно полно ха­ рактеризует возможность применения этих сплавов при нагреве в изделиях с малым (краткосрочным) ресурсом работы. Однако в таких аппаратах, как стеклоплавиль­ ные сосуды, с необходимым ресурсом в несколько тысяч часов, использование платиновых сплавов можно прогно­ зировать преимущественно на основании длительных, многочасовых испытаний. Кратковременные испытания могут быть применены только для предварительной оценки жаропрочности сплавов.

Для определения жаропрочности платиновых сплавов при длительных испытаниях существует несколько кри­ териев. Длительная прочность характеризует напряже­ ние, вызывающее разрушение образца на базе опреде­ ленного периода нагружения при определенной темпе­ ратуре. Другим критерием может быть время до разрушения на базе задаваемого напряжения при опре­ деленной температуре.

Важнейшим видом испытания платиновых сплавов, расчитанных на длительную службу, является испыта­ ние на ползучесть. Ползучесть — это пластическое те­ чение (деформация) металла под действием постоянного напряжения или постоянной нагрузки при заданной тем­ пературе. За критерий ползучести иногда принимают так называемый условный предел ползучести, характеризую­ щий напряжение, при котором металл за определенный период времени получает заданное удлинение (напри­ мер, 2% за 100 или 1000 ч и т. д.) или заданную скорость ползучести [в % или в мм/с (мин) и т. д.ф. Очень часто критерием является скорость ползучести на установив­ шейся стадии, когда деформация металла в единицу времени является постоянной величиной. Чтобы лучше оценить пригодность платинового сплава для использо­ вания в стеклоплавильном сосуде (при заданных нагруз­ ках и температурах), желательно пользоваться двумя критериями жаропрочности: временем до разрушения при ползучести и скоростью ползучести на установив-

96

шенся стадии. Но, как будет видно из последующего изложения, в разных работах жаропрочность платино­ вых металлов и сплавовЧщенивается по различным кри­ териям.

Термоусталость платиновых сплавов можно опреде­ лять по количеству теплосмен в определенном интерва­ ле температур до появления первой трещины или до раз­ рушения образца. Принципиально важно, что механи­ ческие свойства платиновых металлов и сплавов сильно зависят от температуры испытания, действующих нагру­ зок (и соответственно напряжений), рабочей среды, формы и размеров образцов, состояния и структуры ис­ пытываемых материалов.

Для испытаний сплавов платиновых металлов при­ меняют плоские и круглые образцы с головками длиной до 100—150 мм и площадью поперечного сечения, как правило, не более 10—15 мм2. Чаще всего применяют плоские образцы с длиной рабочей части 40—70 мм, ши­ риной 5 мм и толщиной 0,5—1,0 мм. Иногда в качестве образцов используют проволоку диаметром 0,5—2,0 мм. Для испытания платиновых металлов и сплавов при вы­ соких температурах используют специальные разрывные машины и установки, состоящие из печи сопротивления, в которой помещается образец в захватах, системы ре­ гулирования температуры, системы нагружения и систе­ мы измерения нагрузок и деформаций. Свойства плати­ новых сплавов при высоких температурах в значительной мере определяются их структурой, формируемой предва­ рительной деформацией и термической обработкой.

Кратковременная прочность и модуль упругости платиновых металлов и сплавов при нагреве

Нагрев металлов и сплавов, вызывающий усиление колебаний атомов в кристаллической решетке, приводит к снижению прочности и модуля упругости. Уменьшение прочности металлических материалов при нагреве, как правило, сопровождается повышением относительного удлинения и относительного сужения. Общую оценку ха­ рактеристик жаропрочности металлов, в том числе и пла­ тиновой группы, необходимо вести в сопоставимых усло­ виях.

На рис. 32 можно видеть сравнение кратковременной прочности платиновых металлов при равных гомологиче­ ских температурах, характеризуемых отношением

ТН С П / Г п л -

Из рис. 32 следует, что при равных гомологических температурах родий, иридии и рутении являются более

рис. 32 дают лишь ориентировочные представления о поведении платиновых металлов при нагреве. С повы­ шением температуры предел прочности всех металлов понижается, особенно он низок при температуре ~0,5 Гпл У платины и палладия. Эта тенденция про­ слеживается и при увеличении температур испытания более 0,5 Гпл, т. е. при нагреве выше 1000 °С. На рис. 33 показана температурная зависимость кратковременной прочности и относительного удлинения платины, палла­ дия и некоторых сплавов на их основе. Чтобы было лег­ че судить о возможной стойкости сплавов при истинных температурах эксплуатации сосудов, на рис. 33 по оси

98

прочности платинородиевых сплавов тем выше, чем больше содержание родия. Эта закономерность хорошо согласуется с рис. 32, свидетельствующем о большой сравнительной жаропрочности родия по отношению к платине. Также велико.упрочняющее значение родия при

Рис. 33. Температурная зависимость предела прочности (а) и отно­ сительного удлинения (б) металлов и сплавов:

У— платина; 2 — палладий; 3 — ПлПд-10; -У— ПлПд-15; 5 — ПдРд-15; ПлРд-7; 7 — ПлРд-Ю; 8 — ПлРд-15; 9 — ПлРд*20.

легировании им палладия. Это следует из анализа тем­ пературной зависимости кратковременной прочности чи­ стого палладия и сплава ПдРд-15. Из рис. 32 видно, что палладий не должен упрочнять платину также сильно, как упрочняет ее родий. Поэтому вполне логично, что сплавы ПлПд-10 и ПлПд-15 при 1300 и 1400 °С имеют предел прочности, мало отличающийся от кратковремен­ ной прочности чистой платины. В то же время, из дан­ ных рис. 32 можно сделать предположение, что иридий II рутений могут быть упрочнителями платины при нагре­ ве. Это подтверждено экспериментально; например, сплав ПлИ-5 при 1250 °С имеет предел прочности 2,4 кгс/мм2, сплав ПлИ-10—4,1 кгс/мм2, а чистая плати­ на— менее 2 кгс/мм2. По-сообщению Рейнахера, предел

прочности иридия при 1250 °С равен 15,7 кгс/мм2, а при 1500 °С — 11,5 кгс/мм2. Приведенные экспериментальные - данные хорошо согласуются с общими представлениями о жаропрочности металлов и сплавов. Известію, что жа­ ропрочность, так же как и температура плавления, в зна­ чительной мере зависит от межатомных сил связи. По­ этому во многих случаях при прочих близких условиях (одинаковый тип решетки, малое отличие атомных пара­ метров и т. д.) металл с большей температурой плавле­ ния может обладать большей жаропрочностью. Для предварительной оценки жаропрочности иногда поль­ зуются так называемой характеристической температу­ рой 0, также рассматриваемой в качестве косвенной меры межатомных сил связи:

Следовательно, при близких атомных объемах жаро­ прочность платиновых сплавов может быть тем выше, чем меньше атомный вес и больше температура плавле­ ния. С увеличением содержания родия в платиновом сплаве снижается его атомный вес, повышается темпе­ ратура плавления и закономерно возрастает кратковре­ менная прочность при нагреве. Исходя из рассмотрен­ ных закономерностей, можно объяснить и ряд других экспериментальных данных, показанных на рис. 33. Сле­ дует отметить, что о межатомных силах связи и соответ­ ственно о возможной жаропрочности судят не только по температуре плавления и характеристической тем­ пературе, но и по величине модуля упругости Е, который также связан с температурой плавления Тпл и атомным объемом V выражением

где К — коэффициент пропорциональности.

Естественно поэтому, что при близких значениях атом­ ных объемов модуль упругости платиновых металлов тем больше, чем выше температура плавления (см. табл. 2). Как видно из рис. 34, эта закономерность со­ храняется при повышенной температуре.

100

Хотя кратковременная прочность сплавов при нагре­ ве может быть лишь предварительным (наиболее опе­ ративным) способом оценки их действительной жаро­ прочности, но и на этом показателе можно почувство­ вать влияние структурного фактора, в частности размера зерна. Ниже показано влияние величины зерна на предел прочности платины, палладия и их сплавов при 1300°С:

У платины и ее сплавов наблюдается, хотя и в разной мере, тенденция к повышению прочности при нагреве с

Возможно, что наблюдаемое несоответствие в размере зерен и пределе прочности пла­

тины и палладия связано с большим загрязнением пал­ ладия примесями.

Роль примесей в металлах может быть двойственной. Это зависит от вида примеси, ее концентрации и тем­ пературы испытания. Например, платина высокой часто­ ты (более 99,9) может быть менее прочной, чем плати­ на технически чистая (99,5). Это объясняется тем, что присутствующие в платине в качестве микропримесей

101