Танталові прутки: корозійна стійкість, властивості та промислове застосування

Що таке танталовий стрижень

Тантал — тугоплавкий метал з атомним номером 73, щільністю близько 16,6 г/см³ і температурою плавлення близько 3017 градусів. Танталовий стрижень — це суцільний круглий пруток, виготовлений методом-електронно-променевого або-вакуумно-дугового плавлення з подальшим куванням, прокаткою, відпалом і безцентровим шліфуванням. Метал залишається пластичним за кімнатної температури, а машини дуже схожі на м’яку сталь, тому стрижні служать і як напів{7}}фабрикат для подальшого формування, і як готові електроди, кріпильні елементи та -стійкі до корозії компоненти. Діаметр прутка зазвичай коливається від приблизно 3 мм до 100 мм, а довжина – приблизно до 3000 мм, і обидва вони фіксуються на етапі запиту, оскільки шлях плавлення, проміжний вміст і обробка поверхні змінюються залежно від розміру та навантаження.

Типові фізико-механічні властивості

Наведені нижче значення зазвичай підтверджуються в сертифікаті перевірки нелегованого кованого танталу.

Власність	Типове значення
Щільність	16,6–16,9 г/см³
Температура плавлення	приблизно 3017 градусів
Температура кипіння	близько 5458 градусів
Теплопровідність	57,5 Вт/(м·К) при 20 градусах
Коефіцієнт теплового розширення	6,3 мкм/(м·K), 20–100 градусів
Питомий електричний опір	0,131 мкОм·м при 20 градусах
Модуль Юнга	близько 186 ГПа
Міцність на розрив, відпалений	близько 240–350 МПа
Подовження, відпалений	25–30 %
Твердість, відпалений	приблизно 60–120 HV
Температура рекристалізації	приблизно 1000-1300 градусів

Оцінки та специфікації

Кований танталовий стрижень і дріт замовляються відповідно до ASTM B365, тоді як пластини, листи та смуги відповідають ASTM B708, а нелегований тантал імплант-класу відповідає ASTM F560. Вольфрам є основною легуючою добавкою, яку додають для підвищення міцності та підвищення температури рекристалізації для роботи при підвищеній-температурі.

матеріал	Композиція	Типове використання
UNS R05200	нелегований тантал 99,9 % і вище	хімічне технологічне обладнання, електроди, вкладиші
UNS R05400	нелегований тантал, контрольований інтерстиціальний рівень	конденсаторний дріт, мішені для розпилення
UNS R05252	Ta-2,5 Вт	структурні частини для роботи при вищих{0}}температурах
UNS R05255	Та-10Вт	високо{0}}температурні пружини, ракетне обладнання, футеровки

Інтерстиціальні елементи мають таке ж значення, як і вміст танталу. Кисень, азот, вуглець і водень обмежені специфікацією замовлення, оскільки вони контролюють пластичність, зварюваність і перехід від-до-крихкості готової деталі. Для критичних послуг у сертифікаті мають бути вказані проаналізовані показники кисню та азоту, розмір зерна та результат ультразвукового чи-проникального дослідження, а не лише танталового аналізу.

Корозійна поведінка

Своїм становищем у хімічній промисловості тантал завдячує тонкій, когерентній оксидній плівці, що само{0}}відновлюється. За звичайних умов метал не піддається впливу соляної кислоти, азотної кислоти або царської горілки, і він нечутливий до газоподібного хлору, бромної води, розбавленої сірчаної кислоти та більшості лужних розчинів. Агресивний вплив по суті обмежується фтористоводневою кислотою, середовищами, що містять-фторид, і гарячою концентрованою сірчаною кислотою, яка є характерною для кількох інших металів. У широко цитованому випробуванні зануренням зразок танталу, який витримувався в сірчаній кислоті при 200 градусах протягом цілого року, втратив лише близько 0,006 мм від своєї поверхні, що пояснює, чому танталові вкладиші та байонетні нагрівачі на порядок перевищують нержавіючу сталь за такого ж навантаження.

Необхідно спроектувати дві межі. По-перше, це водень: тантал починає поглинати водень вище приблизно 250 градусів і стає крихким, тому катодний захист, травлення та будь-яку побічну реакцію-утворення водню потрібно переглядати разом із робочою температурою. По-друге, це окислення на повітрі вище приблизно 400 градусів, тому деталі з танталу захищені вакуумом або інертною атмосферою під час гарячого формування, відпалу або з’єднання.

Застосування в хімічній, електронній та енергетичній промисловості

Хімічне технологічне обладнання:теплообмінники, вкладиші колони та реактора, термогільзи, байонетні нагрівачі, діафрагми та обрізки клапанів, що замінюють нержавіючу сталь там, де кислотне навантаження є агресивним.

електроніка:анодний дріт конденсатора та спечені аноди, виготовлені з порошку танталу, а також плівки з танталу й-нітриду танталу, які використовуються як дифузійні бар’єри у виробництві напівпровідників.

Мішені для розпилення:планарні та обертові мішені для плоских{0}}панелей, оптичних і твердих{1}}покриттів.

Суперсплави та сталі:тантал додають до суперсплавів на основі нікелю- та кобальту- для компонентів реактивних двигунів і ракет, а також до корозійностійких-і жаростійких-сталей.

Цементований карбід:Карбід танталу використовується з карбідом вольфраму для підвищення твердості в гарячому стані та протидії кратерному зносу ріжучих інструментів.

Медичні імпланти:Нелегований танталовий стрижень відповідно до ASTM F560 обробляється на пористі та тверді компоненти імплантату, де оцінюється його біосумісність і рентгеноконтрастність.

Не-магнітні вузли:тантал-вольфрамові сплави використовуються в електричному обладнанні, де слід уникати магнітної реакції.

Пункти замовлення, перевірки та обробки

Перед початком виробництва покупці повинні встановити марку матеріалу, керівний стандарт, діаметр і довжину з допусками, прямолінійність, стан поверхні та стан відпалу або-витяжки. Типове приймальне випробування охоплює хімічний аналіз, випробування на розтяг, твердість і, для великих діаметрів, ультразвуковий контроль на наявність внутрішніх дефектів. Танталовий стрижень зазвичай поставляється в герметичній висушеній упаковці, оскільки забруднення поверхні під час транспортування може вплинути на подальше зварювання. Обрізки повністю придатні для вторинної переробки, а задокументований шлях-повернення брухту тримає під контролем витрати на матеріали для-проектів високої вартості.

Часті запитання

Питання: Чому для виробництва кислоти обрано тантал замість нержавіючої сталі?
Оскільки він інертний до соляної, азотної та розбавленої сірчаної кислоти та до царської горілки за температури навколишнього середовища та помірних температур, у той час як нержавіюча сталь може розтріскуватися-під напругою, тому той самий компонент може служити в рази довше.

З: Яка температура плавлення і щільність танталу?
Приблизно 3017 градусів для точки плавлення та від 16,6 до 16,9 г/см³ для густини, що ставить тантал серед важких тугоплавких металів поряд з вольфрамом і молібденом.

З: Які хімічні речовини справді атакують тантал?
Плавикова кислота та розчини,-що містять фторид, гаряча концентрована сірчана кислота та сильнолужні середовища за високої температури; це випадки, коли необхідно вибрати альтернативний матеріал.

З: Що охоплює стандарт для танталового стрижня?
ASTM B365 поширюється на катанку та дріт із нелегованих марок і тантал-вольфраму, вказуючи хімічний склад, механічні властивості, допуски, обробку поверхні та випробування, про які необхідно повідомляти в сертифікаті.

З: Як танталовий стрижень повинен бути оброблений і зварений?
Він працює як м’яка сталь із гострими інструментами з позитивним-нахилом і великою кількістю охолоджуючої рідини; зварювання виконується TIG або електронним променем в інертній або вакуумній атмосфері, щоб зберегти низький вміст кисню та азоту.

Питання: Чи доступний тантал у вигляді сплавів?
так Ta-2,5W і Ta-10W — це два сплави танталу з вольфрамом, які мають вищу міцність і вищу температуру рекристалізації для структурних частин, що працюють при високій температурі.