Ковка и штамповка молибдена

Молибден относится к группе тугоплавких, жаропрочных металлов. Кристаллическая решетка молибдена — объемно-центрированный куб. Плотность молибдена 10,3 г/см3 (10 300 кг/м3), температура плавления — 2627° С.

Для легирования молибдена используют титан, цирконий, ниобий, ванадий, кобальт, рений, вольфрам, хром, кремний, алюминий и др.

Температура рекристаллизации нелегированного молибдена около 1000° С, а полная рекристаллизация молибденовых сплавов происходит при температуре 1400—1500° С. Температура рекристаллизации повышается при легировании добавками, имеющими больший, чем у молибдена, атомный радиус '(цирконий, ниобий).

Высокие температуры плавления и рекристаллизации обусловливают применение молибдена и его сплавов в качестве конструкционных материалов для изготовления деталей машин, работающих при высоких температурах.

Молибден применяют в электротехнической, электронной, химической, керамической и стекольной промышленности. Высокая прочность при повышенных температурах позволяет использовать его в летательных аппаратах. Из молибдена и его сплавов изготовляют сопловые вставки реактивных двигателей, стабилизаторы пламени, обшивки самолетов, турбинные лопатки и др.

Высокая прочность молибдена на растяжение имеет важное значение для лопаток, а высокое сопротивление сжатию — для каркаса и обшивки самолета.

Вследствие малого сечения поглощения тепловых нейтронов (2,4 барн) молибден может быть использован в качестве конструкционного металла для высокотемпературных реакторов. Высокая износостойкость и теплопроводность молибдена при повышенных температурах дает возможность изготовлять из него формы для отливки металлов под давлением. Стойкость молибденовых форм при отливке латунных изделий почти в 4 раза выше по сравнению с лучшей сталью. При изготовлении цельнотянутых стальных труб оправки из легированной стали выдерживают 20 циклов, а из молибдена—до 650 циклов.

 

Одним из наиболее прочных при высоких температурах является сплав молибдена с 0,5% Тi Высокая прочность его объясняется процессами старения, влияющими на повышение длительной прочности (до 23,2 кГ/мм2 или 227 Мн/м2).

Исходным материалом для изготовления поковок служат спеченные заготовки, прессованные прутки, слитки. Спрессовыванием порошка и последующим спеканием изготовляют заготовки сечением 38 X 38 мм, длиной до 750 мм. Прессованные прутки применяют диаметром до 150 мм.

Слитки изготовляют дуговой вакуумной плавкой в медных водо-охлаждаемых кристаллизаторах, а также плавкой в индукционных печах. Диаметр слитков до 457 мм, длина до 1500 мм при весе до 1000 кГ. Качество слитка во многом зависит от величины газонасыщенности металла. Высокая способность молибдена к газонасыщению часто является причиной внутренней пористости металла, особенно для слитков, полученных дуговой плавкой.

Высокая активность молибдена к соединению с кислородом приводит к образованию в литом металле окисных пленок. Недостаточная степень раскисления может привести к разрушению слитка при ковке. Высокой чистоты металла добиваются электромагнитным перемешиванием расплава или 2—3-кратной переплавкой.

Вредной примесью является также азот, который при температуре выше 1600° С образует нитриды. Содержание кислорода не более 0,0001—0,002%, а азота 0,001— 0,002% допускает обработку вхолодную.

Макроструктура литого металла состоит преимущественно из столбчатых кристаллитов. Крупнозернистость структуры литого молибдена и расположение на границах зерен примесей и легкоплавких окислов резко снижают пластичность. Для деформирования литой структуры слитки, применяемые для последующей прокатки, подвергают ковке или прессованию.

Поковки из молибдена и сплавов на его основе изготовляют на молотах и прессах. Нагревают металл в защитной атмосфере в электрических печах сопротивления, газовых печах и в индуктивных нагревателях. Так как с водородом молибден не взаимодействует, то нагрев обычно ведут в атмосфере водорода. Применяется также нагрев в вакууме и нагрев в расплавленном стекле и солевых ваннах.

В целях обеспечения минимального упрочнения и снижения сопротивления деформированию ковку и штамповку молибдена и особенно его сплавов  было бы желательно выполнять при температурах 1600—1700° С и выше. Однако при таких высоких температурах нагрева и обработки встречаются трудности.

Пластические свойства молибдена позволяют обрабатывать его при температурах 1300—1400° С. Можно ковку молибдена выполнять и при более низких температурах. Результаты экспериментальной ковки  показали целесообразность ковки спеченных заготовок при температуре 1160—1200° С. При этом поковки из заготовок, полученных гидростатическим прессованием и низкотемпературным спеканием, имели высокие показатели пластических и прочностных свойств.

Для разупрочнения металла применяют промежуточный отжиг. Но иногда упрочнение в случае обработки при температурах ниже рекристаллизационных используют для повышения удельной прочности, поскольку молибден и сплавы на его основе нельзя упрочнять термической обработкой.

Литой молибден невысокой чистоты с содержанием кислорода более 0,0025% допускает за один удар степени деформации порядка 15—20%. Более высокие степени деформации (до 60%) возможны для металла повышенной чистоты.

Высокая пластичность молибденовых сплавов достигается всесторонней ковкой с двумя-тремя промежуточными подогревами. Такой металл можно осаживать на 90% при пониженных температурах (1100—1200° С). Резкого увеличения пластических свойств металла добиваются применением предварительного прессования, когда слиток находится в условиях всестороннего сжатия и получает более равномерное распределение напряжений, чем при ковке. Применение прессования дает возможность наряду с более равномерной деформацией литой малопластичной структуры иметь более равномерное распределение локальных включений окислов, что особенно важно для молибдена.

Высокую пластичность имеет сплав молибдена с титаном и цирконием, показавший большую степень осадки. При степени деформации 50% понижение температуры с 1600 до 900° С приводит к росту удельного усилия почти в два раза. Упрочнение металла снимают отжигом. Полное разупрочнение происходит при температуре отжига порядка 1100° С.

С увеличением скорости деформации в 10 раз у металла порошковой заготовки предел прочности при растяжении увеличивается на 11 %, а предел текучести — на 12,1% [1].

Одним из затруднений, возникающих при ковке молибдена, является образование трехокиси Мо03 начиная с температуры 800° С и выше.

Маслянистые капли трехокиси действуют как смазка, вследствие чего заготовка может выскользнуть из бойков, что создает опасность для рабочих, особенно при ковке на плоских бойках. Выскальзывание заготовки можно предупредить, посыпая бойки песком. Менее опасно вести ковку в фасонных бойках.

Чтобы испарения окислов, отличающиеся небольшой токсичностью, не загрязняли атмосферу цеха, вблизи ковочного агрегата необходима отсасывающая вентиляция.

По пластичности молибден близок к титану. На поковках несложных форм можно получать ребра толщиной 9,5—12,7 мм.