ПочтаВсе о вольфрамовых тиглях: технические особенности и сферы применения
Вольфрамовые тигли — неотъемлемая часть высокотехнологичного оборудования для спекания, обжига, плавления и высушивания огнеупорных материалов. При нагреве емкость сохраняет форму и не вступает в химическую реакцию с расплавом. Вольфрамовые конструкции выдерживают температуру — до 3422°C.
Жаропрочные тигли используют в металлургии, электронике, металлообработке, химической промышленности. Оснастка востребована при производстве полупроводников и выполнении научных исследований.
Читатели статьи узнают о технических характеристиках, особенностях изготовления и сферах применения уникальных изделий.
Температура плавления вольфрама — как основной критерий выбора
Вольфрамовый тигель — емкость специальной формы, изготовленная методом порошковой металлургии из чистого вольфрама (W) или сплавов. Варианты конфигураций: цилиндрическая, коническая, плоская, с крышкой или фланцем. Примеры маркировки различных изделий: В-ППМ, ВА, ЦСВД.
Требования к стандартным конструкциям перечислены в ГОСТ 23949-80 и ТУ 14-22-122-98. Для выращивания монокристаллов — ТУ 14-22-122-98. Заводы-изготовители разрабатывают собственную нормативную документацию.
В нормальных условиях вольфрам — серебристо-серый металл повышенной плотности (19,35 г/см³). Ценность химического элемента заключается в исключительной термостойкости. Чистый металл начинает плавиться при температуре 3422°C и кипеть — 5680 °C. Жаропрочные тигли используют для плавки и обработки материалов при температурах, недоступных для других типов огнеупорной оснастки.
Критерии выбора емкости — назначение, марка, массовая доля вольфрама в состава материала, форма и толщина стенки конструкции, соотношения оснастки и заготовки. Размеры изделия должны соответствовать объему обрабатываемого материала: от малого количества до нескольких литров. Градация размеров типовых конструкций, мм: от Ø130х150 до Ø338х460.
Толщина стенок (S) и высота (H) определяется габаритами оснастки, требуемой прочностью и теплопроводностью: от S = 8–10 мм, H = 1300 мм до S = 25–35 мм.
Массовая доля химического элемента W в составе тигля из чистого вольфрама — не менее 99,95%. Приспособления широко применяется в электронной промышленности, оборонной и аэрокосмической отраслях, а также при выращивании монокристаллов, плавке стекла и керамики.
Кроме оснастки из чистого вольфрама, выпускают изделия марок: ВТ, ВНЖ. ВА, В-ППМ, В-ПМ, ЦСВД, ТВ-МП.
Жаропрочные тигли — технические характеристики
Параметры изделий зависят от свойств исходного материала и особенностей технологического процесса изготовления. При выборе оснастки учитывают условия эксплуатации и конкретные производственные задачи.
Вольфрам — 74 элемент таблицы Менделеева (из 118). Как у любого металла, физико-химические свойства вольфрама зависят от особенностей кристаллической решетки. Атомная масса элемента 183,85. Для вольфрама характерны максимальные значения параметров: количества протонов в ядре; энергии ионизации; близости и силы притяжения электронов к ядру.
Особенность обработки заготовок в вольфрамовой оснастке: механическая стабильность тигля при работе с тяжелыми расплавами, предотвращение всплывания оснастки в расплавленных металлах, чистота протекания процесса.
Физико-химические свойства вольфрама
Металл химически инертен. При работе в контролируемой атмосфере металл не образует карбидов, оксидов или других соединений с большинством расплавов. После спекания, отжига или плавления химический состав обрабатываемой заготовки не изменяется.
Если выстроить металлы в порядке возрастания плотности, элемент W (19,25 г/см³) занимает третье место после осмия (22,61 г/см³) и иридия (22,65 г/см³).
У вольфрама кубическая объемно центрированная кристаллическая решетка и высокая подвижность свободных электронов. Сильные металлические связи обеспечивают эффективность переноса электроэнергии, то есть, прочность конструкции. Тепло равномерно распределяется по всему объему рабочей емкости и предотвращает образование локальных перегревов заготовки.
Способность сохранять форму имеет решающее значение при циклическом нагреве и охлаждении. Вольфрамовый тигель геометрически стабилен при обычных условиях и резких перепадах температур. Коэффициент линейного расширения вольфрама значительно ниже, чем у большого количества металлов. При температуре 298 К значение параметра равно 4,1·10⁻⁶ К⁻¹.
Вольфрамовый тигель: механические свойства
Численные значения параметров зависят от массовой доли химического элемента W в составе и предшествующей обработки.
Вольфрам — рекордсмен по твердости. В испытаниях по методу Мооса показатель равен 7,5-5,0; Виккерса — 2600 HV. Емкости для обжига и спекания заготовок обладают повышенной стойкостью к истиранию и механическим повреждениям.
Модуль упругости химического элемента составляет 410 кН/мм² — один из самых высоких показателей среди металлов. При нагреве жаропрочный тигель не деформируется: конструкция не изменяется под действием собственного веса и давления расплава.
Температура плавления вольфрама влияет на пластичность материала. Если показатель ниже 200°C, проявляется эффект хрупкости, но при нагреве выше 400°C пластичность металла восстанавливается. Эту особенность учитывают при обработке и эксплуатации изделий из W.
Изготовление вольфрамовых тиглей: особенности производства и обработки
Сложный технический процесс связан с высокими требованиями к специализированному оборудованию и квалификации персонала. Изготовление вольфрамовых тиглей включает этапы: подготовки, формообразования и спекания. Для чистых производств используют состав с содержанием W — не менее 99,95%.
В отраслях промышленности применяют разные технологии подготовки порошка. Один из популярных методов — восстановления многокомпонентного порошка системы вольфрам — углерод в электрической трубчатой печи. В присутствии водорода сырье нагревают до температуры 850-1300°C. Таким образом получают карбид вольфрама.
Еще одна технология — водородное восстановление вольфрама из вольфрамового ангидрида. В зависимости от условий процесса, получают порошок W, который отличается степенью чистоты и фракцией. Размер частиц варьируется в пределах от 5 нм до 35–345 нм. Порошковый металл мелкой фракции хорошо спекается, после доводки получают емкости с прочным каркасом.
Формуют жаропрочные тигли методами: прядения, штамповки, ковки и спекания. Равномерную плотность заготовки по всему объему и минимальные остаточные напряжения обеспечивает технология гидростатического прессования. Вначале порошком наполняют эластичную емкость (из резины или композитов), которую размещают в печи. В рабочую камеру нагнетают жидкость под давлением 200–250 МПа. После обжатия получают заготовку с пористой структурой (30–35%).
На следующем технологическом этапе производят отжиг в водородной атмосфере. Цели операции: удаление связующих веществ, создание прочной структуры, снятие остаточных напряжений, подготовка заготовки к дальнейшей обработке. В зависимости от задачи, выставляют режим работы водородной печи: температуру, продолжительность нагрева и выдержки.
На этапе предварительного спекания будущий тигель нагревают до температуры в пределах 1 100–1 300 °С. Следующий шаг — финишное формообразование (2 900–3 000 °С), когда через упрочненное изделие пропускают электрический ток. Финишное спекание производят в один или два этапа, достигают плотности изделия 95-98%.
Последующая обработка включает механическую доводку размеров с точностью ±0,1 мм, химическую очистку поверхности от загрязнений и контроль качества методами неразрушающего контроля.
Вольфрамовые тигли: сферы применения
Оснастка для спекания, обжига, плавления и высушивания огнеупорных материалов применяется в отраслях, где обрабатывают металл при экстремально высоких температурах. Уникальные свойства специальных емкостей востребованы на чистых производствах.
В металлургии вольфрамовые тигли применяют при обработке тугоплавких материалов: молибдена, рения, тантала, а также специальных сплавов. Температурный диапазон работы приближается к 2 800-3 000°C. Важно, что этот показатель недостижим для традиционных огнеупорных материалов. Отсутствие химического взаимодействия с расплавом гарантирует получение чистых структур (без примесей).
Вольфрамовый тигель незаменим при изготовлении монокристаллических структур. Выращивание монокристаллов сапфира и кварца связано с высокими требованиями к чистоте производства и соблюдению указанной температуры. Преимущество емкостей из W — обеспечение равенство скоростей роста и вытягивания кристаллов.
Величина кристаллов зависит от технологии. Максимальный диаметр и длина, в зависимости от метода (соответственно):
Чохральского — 50 мм, 200 мм;
Киропулоса — 300 мм;
Степанова — трубки длиной 700 мм.
Жаропрочная оснастка применяется для высокотемпературной обработки в вакууме и инертной среде. Вольфрам не выделяет летучих соединений даже при температурах, близких к плавлению, поэтому вольфрамовые тигли соответствуют требованиям к чистоте рабочей атмосферы в вакуумных установках. Повышенная стабильность материала в экстремальных условиях обеспечивает надежность технологических процессов.
В электронной промышленности вольфрамовые тигли применяют для термообработки полупроводниковых материалов. Оснастка востребована на чистых производствах, где изготавливают микроэлектронику и специальные покрытия напылением. Специальные емкости обеспечивают высокое качество продукции.
Преимущества и недостатки
Основными преимуществами вольфрамовых тиглей связаны с исключительными эксплуатационными характеристиками в экстремальных условиях. В список входит термостойкость, химическая инертность, высокая теплопроводность, прочность и долговечность изделий.
К недостаткам относят высокую стоимость оснастки, которая может в 10-20 раз превышать цену аналогичных тиглей из других материалов. В условиях стратегического планирования покупка качественной конструкции у надежного производителя — выгодная инвестиция (с учетом увеличенного срока службы).
Организация производства и обработки оснастки связана с повышенными требованиями к оборудованию и квалификации персонала. Хрупкость при низких температурах накладывает ограничения на транспортировку и хранение изделий.
Вольфрамовые тигли — высокотехнологичное решение для самых требовательных производственных процессов.
Где купить вольфрамовый тигель?
Компания ООО «НПО «ГКМП» — в цифрах: опыт производства вольфрамовых тиглей — 15 лет, 1400 реализованных проектов по всей РФ, 750 сотрудников, парк современного оборудования (250 станков), расположенных на площади 73 000 м2.
Мы поможем подобрать оптимальное решение под ваши технологические процессы, предоставим детальные технические консультации и обеспечим своевременную поставку продукции. Звоните, чтобы купить вольфрамовый тигель!
