Молибденовые тигли

Молибденовые тигли — высокотемпературная ёмкостная оснастка из тугоплавкого металла с температурой плавления 2620 °C. Благодаря термической стабильности, химической инертности в бескислородных средах и низкому коэффициенту теплового расширения молибденовые тигли применяются при выращивании монокристаллов, спекании порошковых материалов, испарении металлов и других процессах, протекающих в вакууме или защитной атмосфере.

Свойства молибдена, определяющие работу тиглей

Физические характеристики молибдена

Молибден — тугоплавкий металл VI группы периодической системы (атомный номер 42). Ключевые параметры, важные для тигельной оснастки:

Высокая теплопроводность молибдена (в несколько раз больше, чем у типичных жаропрочных сплавов) обеспечивает равномерный нагрев содержимого тигля и снижает риск возникновения термических напряжений при резких перепадах температуры. Низкий коэффициент теплового линейного расширения (ТКЛР) — вдвое меньше, чем у железа — обеспечивает геометрическую стабильность изделия в условиях многократных термоциклов.

Рабочая атмосфера и ограничения по окислению

Молибден при комнатной температуре на воздухе устойчив. Однако при нагреве выше 400 °C начинается его окисление (появляются цвета побежалости). При температурах свыше 600 °C молибден быстро окисляется с образованием летучего триоксида MoO₃, что приводит к потере массы и разрушению изделия.

Это главное эксплуатационное ограничение: молибденовые тигли работают только в бескислородных средах — в вакууме (не ниже 10⁻² Па для ответственных процессов), в атмосфере инертных газов (аргон, гелий) или в восстановительной атмосфере (водород, диссоциированный аммиак). Использование на открытом воздухе при высоких температурах недопустимо.

При этом в защитной атмосфере молибден демонстрирует высокую стойкость в контакте со многими расплавленными металлами, стёклами и оксидами. Он устойчив к воздействию расплавов стёкол, редкоземельных металлов, ряда оксидов. В водных средах при комнатной температуре молибден устойчив к растворам соляной, серной, плавиковой и уксусной кислот.

Области применения молибденовых тиглей

Выращивание монокристаллов

Одна из главных областей применения — выращивание монокристаллов из расплава. Молибденовые тигли используются в установках, работающих по методам Чохральского, Киропулоса и Стокбаргера-Бриджмена для получения:

• монокристаллов лейкосапфира (Al₂O₃) — температура плавления оксида алюминия около 2050 °C, что существенно ниже предела работы молибдена;
• кристаллов кремния, германия и других полупроводниковых материалов;
• монокристаллов оксидных соединений (молибдатов, вольфраматов, гранатов).

Молибден выбирают в качестве тигельного материала, потому что он не загрязняет расплав при соблюдении условий по атмосфере, а его теплопроводность обеспечивает равномерное распределение температуры — критически важный фактор для роста бездефектных кристаллов.

Спекание и отжиг в порошковой металлургии

В порошковой металлургии молибденовые тигли применяются как ёмкости для высокотемпературного спекания (синтеринга) прессовок из металлических и керамических порошков. Процесс протекает в восстановительной (водородной) или вакуумной среде при температурах от 1000 до 2200 °C. Тигель обеспечивает равномерный нагрев заготовки и сохраняет чистоту спекаемого материала.

Также молибденовые тигли используются для отжига спечённых изделий и для зонной очистки тугоплавких металлов.

Плавка и испарение металлов

В вакуумной металлургии молибденовые тигли служат для плавки и рафинирования металлов и сплавов с температурой плавления ниже 2000 °C. Они используются при электронно-лучевой плавке, в установках термического испарения для нанесения тонких металлических плёнок в электронике и оптике. Чистота материала тигля (99,95 % Mo и выше) гарантирует минимальное загрязнение продукта.

Формы и типоразмеры тиглей из молибдена

В зависимости от назначения тигли из молибдена различаются по форме, размерам и конструктивным особенностям:

Типовой диапазон размеров: диаметр от 10 до 500 мм и более, высота от 25 до 900 мм, толщина стенки от 3 до 30 мм. Конкретные габариты определяются конструкцией ростовой установки или технологической печи. Тигли нестандартных размеров и конфигурации изготавливаются по индивидуальному чертежу заказчика.

Способы получения молибденовых тиглей

Метод прессования и спекания порошка

Это основной способ промышленного производства молибденовых тиглей. Исходным материалом служит молибденовый порошок чистотой 99,95 % и выше. Процесс включает следующие этапы:

1. Прессование — порошок засыпается в стальную пресс-форму и уплотняется под давлением. Формируется заготовка (компакт) нужной конфигурации.
2. Предварительное спекание — компакт спекается в водородной атмосфере при температуре 1000–1200 °C. На этой стадии удаляются остатки связующего и часть летучих примесей.
3. Высокотемпературное спекание — при 2200–2400 °C в вакууме или водороде. Происходит усадка и уплотнение, формируется мелкозернистая структура металла.

Достоинства метода: возможность получения тиглей сложной конфигурации и больших размеров (диаметр до 500 мм и более), экономичный расход сырья. Ограничение: плотность спечённого изделия несколько ниже теоретической плотности молибдена (10,2 г/см³), что может влиять на ресурс при работе с особо агрессивными расплавами.

Механическая обработка из деформированного прутка

Второй способ — точение, фрезерование и растачивание тигля из молибденового прутка (кованого или прокатанного). Деформированный молибден обладает более высокой плотностью и механической прочностью по сравнению со спечённым — твёрдость кованого прутка составляет 200–230 HB против 150–160 HB у спечённого штабика.

Ограничения метода: из прутка можно получить тигли сравнительно небольшого диаметра (обычно до 200–250 мм). Расход материала при механической обработке выше, чем при прессовании. Стоимость тиглей из прутка, как правило, выше.

Выбор между двумя методами определяется требованиями к плотности, размерам тигля и экономическими соображениями.

Чистота молибдена в тиглях

Для производства тиглей используется молибден высокой чистоты — содержание основного металла составляет не менее 99,95 % Mo. Вредное влияние оказывают примеси кислорода (при содержании свыше 0,004 % резко возрастает хрупкость), а также углерода, азота и серы. Чем выше чистота исходного сырья, тем лучше пластические характеристики готового изделия и тем дольше его ресурс.

Основные промышленные марки молибдена, применяемые для тигельной продукции: МЧ (чистый молибден), МЧВП (чистый молибден вакуумной плавки), М-МП (порошковый молибден с чистотой 99,95–99,98 %).

Условия эксплуатации молибденовых тиглей

Для обеспечения длительного ресурса работы тиглей необходимо соблюдать ряд требований:

• Атмосфера — только вакуум, инертный газ (Ar, He) или водород. Контакт с воздухом при температуре выше 300–400 °C категорически недопустим.
• Нагрев и охлаждение — несмотря на хорошую термостойкость молибдена, рекомендуется плавный выход на рабочую температуру. Это снижает риск образования микротрещин, особенно в спечённых тиглях.
• Максимальная рабочая температура — определяется не только температурой плавления молибдена (2620 °C), но и ползучестью металла при длительной выдержке. Для продолжительных процессов рабочая температура обычно ограничена 1800–2000 °C.
• Контакт с расплавом — следует учитывать совместимость молибдена с конкретным расплавом. Молибден стоек во многих расплавленных стёклах и оксидах, но может реагировать с углеродсодержащими средами при температуре выше 1100 °C (образование карбида Mo₂C).

Хранение и транспортировка

Молибденовые тигли хранят в сухих закрытых помещениях, защищённых от механических повреждений. Для транспортировки тигли упаковывают в деревянные (фанерные) ящики с применением амортизирующих прокладочных материалов, исключающих удары и деформацию. При длительном хранении рекомендуется защита от влаги и агрессивных паров.

Формы поставки

Молибденовые тигли поставляются в следующих исполнениях:

• спечённые тигли стандартных типоразмеров (цилиндрические, конусообразные, с закруглённой кромкой);
• тигли из деформированного (кованого/точёного) молибдена;
• бездонные тигли (обечайки);
• микротигли лабораторного назначения;
• тигли нестандартных размеров и конфигурации — по чертежу заказчика.

Чистота молибдена — 99,95 % и выше. Конкретные параметры (диаметр, высота, толщина стенки, форма) согласуются при размещении заказа. Также в ассортименте представлены другие виды тиглей из различных тугоплавких и керамических материалов.