Публикации Продукти от молибден и волфрам за производство на монокристали от левкосапфир

Боголюбов Н.В., Михин И.В., Родионов В.В., Корен Е.А.

(АО "ПОЛЕМА", Тула, България)

АО "ПОЛЕМА" е водещ световен производител на изделия от хром, молибден, волфрам, метални прахове и композитни материали. Предприятието разполага с мощна производствено-аналитична база, изостатично пресоване, високотемпературно синтероване, екструдиране, валцови мелници, модерен машинен парк, позволяващ да произвежда едрогабаритни валцови изделия и изделия от огнеупорни метали, които нямат аналози в България.

През 1998 г. стартираха доставките на топлинни щитове и тигли от огнеупорни метали за нагреватели на растежни инсталации за производители на сапфирни монокристали в България и чужбина. С нарастването на търсенето на пазара компанията разшири асортимента си и увеличи обемите на производство на тигли, едрогабаритни молибденови валцувани продукти и изделия от сплав Mo70W30 и волфрам. В момента ПОЛЕМА въведе допълнителни мощности за производство на големи волфрамови тигли, които позволяват да се увеличи тяхната производителност повече от 3 пъти. Разширява се и производството на едрогабаритни молибденови листове и термоблокове по чертежи на клиента.

Молибденови продукти:

Листове, плочи се предлагат в следните степени:

листове от сплав марка M-MP GOST 17431-72;
валцуван молибденов лист с висока точност TU14-22-149-2001.

Валцуваните продукти се произвеждат с дебелина от 0,3 до 45 mm, характеризират се с висока чистота по отношение на интерстициални примеси и метални примеси (таблица 1), висока пластичност и еднородност на структурата.

Молибденовите листове се доставят закалениза облекчаване на състояние на вътрешно напрежение, освен ако не са посочени други условия от клиента. Таблица 2 показва типичните стойности на якостните характеристики на металния лист при стайна температура.

Примери за стойностите на механичните свойства на молибденови валцувани продукти M-MP

Таблица 2

Дебелина, mm	Якост σv, kgf/mm 2	Удължение δ, %	Твърдост, HB
1,0-1,3	78-85	13-16	217-240
1,9-2,5	79-88	18-21	229-240
3,0-5,4	75-82	18-25	210-229

Като се има предвид развитието на оборудването за отглеждане на монокристали, в близко бъдеще ще има нужда от широки валцувани листове до 700 mm. За осигуряване на производството на този вид продукция, АД „ПОЛЕМА” планира в периода 2011-2012 г. да закупи нов 12- или 20-ролков стенд за валцоване на тънки листове с ширина до 700 mm с минимално изкривяване. В същото време се разглежда въпросът за придобиване на оборудване за прецизно рязане на листове чрез водно (хидроабразивно) или лазерно рязане. Всяка опция има своите предимства и недостатъци и бихме искали да получим препоръки от потребителите на молибденови листове за това кой метод на рязане е най-добър по отношение на живота на инструмента.

Въвеждането на такова оборудване в производството ще разшири гамата от валцувани продукти, ще подобри качеството му и значително ще намали разходите.

Съобразявайки се с най-новите тенденции за подмяна на екранната облицовка на растителни растения с топлоизолация от баделеитова керамика. АО "ПОЛЕМА" работи върху усвояването на производството на фасонни изделия от стабилизиран с итрий циркониев оксид. По този начин, вСкоро цялото пълнене на отоплителния блок на блоковете ще бъде достъпно в едно предприятие, което ще има положителен ефект върху логистиката на производството на агрегати.

Молибденови пръти, електроди.

Химичен състав. Съвременните методи на праховата металургия осигуряват висока степен на чистота на молибден по отношение на метални и интерстициални примеси (C, N, O, H), микроструктурата, необходима за използване като топлоустойчив конструктивен материал в електротехниката и други устройства, работещи при високи температури.

Поради ниското съдържание на интерстициални примеси, метални примеси, както и фино-зърнестата структура на материала, готовите продукти се отличават с отлични пластични характеристики.

Пръчките се произвеждат термично обработени, закалени, за да се облекчат вътрешните напрежения, освен ако не е посочено друго от клиента.

В микроструктурата на пръти с диаметър до 40 mm не се допуска пълна рекристализираща структура, освен ако не са посочени и съгласувани с клиента специални изисквания за рекристализиращо отгряване или структурни параметри.

Пръчките се произвеждат в полирана, стругована и обезмаслена (без механична обработка) форма с диаметър от 3,18 до 80 mm и повече.

От 2005 г. АД "ПОЛЕМА" произвежда листове и пръти от лантаниран молибден ML-MP, дисперсно усилен с лантанов оксид, т.нар. ODS - Mo. Лантановият оксид, въведен в системата и обгръщащ молибденовите зърна, служи като бариера за движението на дислокации по време на деформация, поради което структурата на сплавта се стабилизира, осигурява се якост и устойчивост на пълзене при високи температури. Този материал има нисък праг на студена чупливост, висока пластичност в рекристализирансъстояние, високо, повече от 1,6 пъти по-висока якост при 1600 o C и порядък по-висока устойчивост на деформация (пълзене) при изпитване за дългосрочна якост при 1800 o C в сравнение с нелегирания молибден. Материалът се заварява добре.

За термични агрегати компанията доставя и продукти (тигели, опори, пети), изработени от молибден-волфрамова сплав MV30-MP. Втвърдена в резултат на образуването на твърд разтвор с волфрам, сплавта MV30 има, в сравнение с молибдена, повишена температура на рекристализация, якост и устойчивост на пълзене при повишени температури.

Волфрамова стомана и тигли.

Волфрамът се характеризира с максимална якост на междуатомната връзка, най-високата точка на топене сред огнеупорните метали от 3420 ° C, висока плътност от 19,3 g / cm 3, висока якост, топлопроводимост, твърдост (HV30 > 460), устойчивост на пълзене и дългосрочна якост. В сравнение с молибден, чистият волфрам има по -висока температура на прекристализация от 1350 O C, приблизително 2-4 порядъка с по -ниско налягане на парата и скорост на изпаряване при температури от 1800-2500 O C, по -нисък коефициент на термично разширение (4,2 10 -6 при 20 o C) и ниско електрическо съпротивление (0,05 10 -6 ома M) [1].

Както е отбелязано в [2], подобряването на технологията за отглеждане на монокристали от сапфир с оптично качество е свързано с използването на конструктивни решения за подготовка на оборудване (тигел, екрани), които осигуряват максимална чистота на процеса.

Съвременните методи на праховата металургия осигуряват висока степен на чистота на волфрама по отношение на метални и интерстициални примеси (C, N, O, H), финозърнеста структура, необходима за използване в термични агрегати и други устройства, работещи при изключително високи температури.

Формата и размерите на тигелите се съгласуват с желанията на клиентите. Грапавостта на обработените тигли Rz 6,3 микрона, не повече. Типични размери на тигели TV-MP, използвани от български и чуждестранни партньори на ПОЛЕМА, mm: Ø200x240, Ø240x300, Ø250x350-400, Ø330x350, Ø330x450, Ø338x460.

През последните години се наблюдава постоянно увеличаване на размера на тигелите.

Фиг.1 Промяна в максималния диаметър на тигелите, доставяни по поръчка на потребителите на ПОЛЕМА. 2012 е прогнозираният размер на тигела.

В близко бъдеще трябва да очакваме търсене на тигли с диаметър 400-420 mm с перспектива за по-нататъшен растеж до 500 mm. Преоразмеряването на тигелите в перспектива е тема за дискусия на конференцията.

За задоволяване на настоящите и бъдещи нужди от инсталации за отглеждане в тигели с голям диаметър, през 2012 г. се планира закупуването и пускането в експлоатация на нова хидростатична преса с подобрена производителност. Освен това се планира преоборудване на парка от пещи и металорежещи съоръжения, участващи в производството на тигли.

По време на работа на волфрамов тигел в съоръжение за отглеждане на левкосапфир се разкрива образуването на повърхностни дефекти по вътрешните и външните стени на тигела:

отлагане на молибден в отделни зони от външната страна, чийто източник може да бъде молибденовото оборудване на инсталацията;
локални зони на прекристализация на волфрам по вътрешните повърхности на тигела, имащи драскотини и микропукнатини.

Изследването на структурата и естеството на разпределението на зоните на прекристализация и микропукнатините показа, че причините за тяхното възникване могат да бъдат локалното прегряване на тигела, механичният ефект на кристала върху стените на тигела по време на неговото придвижване (в някои драскотини са открити включвания на Al2O3),топлинни напрежения, дължащи се на високия температурен градиент по височината на тигела.

Фигури 2-4 показват характерните дефекти, наблюдавани по стените на отработения W тигел. Изследванията са проведени в ПОЛЕМА с помощта на електронен микроскоп JSM-3690 с рентгенова приставка QUANTAX.

Фиг. 2 (горе вляво). Отложеният слой Mo от външната страна на тигела.

Фиг. 3 (горе вдясно). Включване на Al2O3 от вътрешната страна на тигела.

Фиг. 4 (отдолу). Крак.

В светлината на тези изследвания задачата за подобряване на процеса на растеж на сапфирените кристали, за да се намали увреждането на повърхността на тигелите по време на работа, е уместна. Броят на дефектите (повреди) на повърхността на тигелите, открити по време на продължителна работа, се различава значително в различните предприятия. В това отношение местните предприятия се характеризират от положителна страна.

Развитието на производството на изделия от огнеупорни метали за термични агрегати на агрегати за отглеждане на сапфирни монокристали е приоритетно направление в АД ПОЛЕМА. Предприятието разширява сътрудничеството в тази област с местни и чуждестранни компании по отношение на доставката на инструментални елементи и комплекти термични единици, подобряване на дизайна на инструменталната екипировка и провеждане на структурни проучвания.

Референции:

ЯЖТЕ. Савицки, Г.С. Бурханов. Металознание за огнеупорни метали и сплави. наука, М, 1967.
Есков Е. В., Игнатов А. Ю., Постолов В. С., Филимонов А. С. Оптичен сапфир, технически изисквания и технология за растеж на кристали. Северно-Кавказки държавен технически университет., Доклади на конференцията Химия на твърдото тяло, 2006 г.
DI. Блецкан, В.Я. братоА.Р. Лукянчук, В.Т. Маслюк, О.А. Парлаг. Ужгородски национален университет, Technocrystal CJSC, Институт по физика на полупроводниците към Националната академия на науките, Институт по електронна физика към Националната академия на науките, Украйна. Писма до ЖТФ, 2008, том 34, бр.14.