Экраны из молибдена

Тепловые экраны из молибдена — конструктивные элементы высокотемпературных печей, предназначенные для теплоизоляции рабочей камеры и стабилизации температурного поля. Их применяют в установках спекания металлокерамических изделий, выращивания монокристаллов, плавки технических сапфиров и кварцевого стекла — там, где рабочая температура достигает 1200–1450 °С.

Обязательное условие эксплуатации: вакуум или водород

Молибден — тугоплавкий металл с температурой плавления 2623 °С, однако к воздушной атмосфере при повышенных температурах он совершенно нестоек. При нагреве выше 400–500 °С молибден реагирует с кислородом воздуха с образованием летучего триоксида MoO₃. При температурах свыше ~800 °С MoO₃ начинает активно сублимировать — изделие разрушается в течение нескольких часов работы. Поэтому молибденовые тепловые экраны эксплуатируются исключительно в вакуумных печах или в печах с атмосферой чистого водорода. Применение в воздушной атмосфере при рабочих температурах недопустимо.

Выбор между молибденом и вольфрамом

Выбор материала экрана определяется рабочей температурой печи. Молибденовые экраны рассчитаны на температуры до 1350–1450 °С: в этом диапазоне молибден имеет более высокую удельную прочность, чем вольфрам, а его плотность (10,2 г/см³) примерно вдвое ниже, что снижает массу конструкции и нагрузку на элементы подвески. При рабочих температурах свыше 1450 °С применяют вольфрамовые экраны.

Марки молибдена для тепловых экранов

МЧ и МЧВП — чистый молибден

Наиболее распространённые марки для экранных конструкций — МЧ и МЧВП. Молибден МЧ производится методом порошковой металлургии; суммарное содержание металлических примесей — не более 0,040 % по массе (ГОСТ 25442-82). Марка МЧВП (вакуумно-дуговой переплав) отличается более глубокой очисткой от примесей внедрения — прежде всего кислорода, азота и углерода — и содержит 99,95–99,99 % Mo. МЧВП применяется в наиболее ответственных узлах с жёсткими требованиями к чистоте атмосферы и геометрической стабильности экрана.

Ключевая примесь, определяющая пластичность молибдена, — кислород. При содержании более 0,015 % кислорода обработка давлением практически невозможна из-за охрупчивания. Совместное присутствие кислорода с углеродом и азотом усиливает этот эффект даже при меньших концентрациях.

Сплавы серии ЦМ — с цирконием и/или титаном

Молибденовые сплавы серии ЦМ легированы цирконием и/или титаном. Добавление ~0,1 % Zr и ~0,5 % Ti повышает температуру рекристаллизации и увеличивает длительную прочность при 1200–1600 °С по сравнению с нелегированным молибденом. Из листового проката марок ЦМ5, ЦМ6, ЦМ2А изготавливают обечайки экранов для установок с повышенными механическими нагрузками или частыми термоциклами.

Сплав ВМ3 — карбидное упрочнение

ВМ3 — молибденовый сплав с карбидным упрочнением: суммарное содержание карбидообразующих элементов составляет 3,0–3,5 % по массе при содержании углерода ~0,2 %. При 1400 °С сплав обеспечивает длительную прочность 160 МПа (база 100 ч) — существенно выше, чем у чистого молибдена. Применяется в нагруженных элементах высокотемпературных конструкций; для стандартных теплозащитных экранов используется значительно реже, чем МЧ и МЧВП.

Конструкция и производство экранов

Типовая конструкция молибденового теплового экрана — две цилиндрические обечайки разного диаметра, вложенные одна в другую. Каждую обечайку формируют из молибденового листа, свёрнутого в цилиндр и скреплённого заклёпками. В зазор между обечайками засыпают молибденовый порошок или металлическую стружку. Этот слой выполняет роль теплоизолятора: при минимальных контактах между частицами теплопроводность сыпучего слоя многократно ниже, чем у монолитного металла. После сборки конструкция проходит спекание при высокой температуре — засыпка фиксируется, механическая целостность изделия повышается.

Полуфабрикат для обечаек — молибденовый лист марок МЧ, МЧВП, ЦМ5, ЦМ6 и других. Горячекатаные листы по ГОСТ 17431-72 поставляются толщиной 1–30 мм, холоднокатаные по ТУ — 0,1–0,9 мм. Для обечаек экранов характерна толщина 0,2–2,0 мм.

Основные физические свойства молибдена

Области применения

Молибденовые тепловые экраны применяются в высокотемпературных вакуумных и водородных установках:

• спекание порошковых металлокерамических изделий и твёрдых сплавов;
• выращивание монокристаллов полупроводников и оксидов;
• плавка технических сапфиров (в том числе крупногабаритных буль);
• плавка кварцевого стекла и специальных оптических материалов;
• отжиг и термообработка специальных сплавов в защитной атмосфере;
• высоковакуумные нагревательные устройства электровакуумной промышленности.

Формы поставки

Экраны поставляются в виде готовых цилиндрических конструкций со спечённым наполнителем. Конфигурации и габариты согласовываются под параметры конкретного оборудования. Для изготовления экранов непосредственно на предприятии заказчика доступны молибденовый прокат марок МЧ, МЧВП и сплавов серии ЦМ в широком диапазоне типоразмеров. Поставка по заявке с указанием марки, толщины и ширины листа.