Сплавы вольфрама ВР-5 и ВН: свойства, применение, формы поставки

Под одной буквой «В» в марках вольфрамовых сплавов скрываются два разных материала для двух разных задач. ВР-5 — это вольфрам-рениевый сплав (W плюс около 5% Re), который выбирают ради пластичности и термо-ЭДС: из него делают положительный электрод высокотемпературных термопар и эмиттеры. ВН — это семейство вольфрам-никелевых тяжёлых сплавов (ВНЖ, W-Ni-Fe) плотностью 17−18,5 г/см³, которые ставят туда, где нужна максимальная масса в минимальном габарите: противовесы, балансиры, радиационная защита, кинетические сердечники. Ниже разбираем оба класса по отдельности — состав, свойства, применение и формы поставки (пруток, проволока, штабик).

Что это — два класса вольфрамовых сплавов

Марки ВР и ВН относятся к вольфраму, но решают противоположные задачи, и путать их нельзя. Разница идёт от природы легирования: рений растворяется в вольфраме и меняет его собственные свойства, а никель с железом образуют вязкую связку вокруг зёрен вольфрама, превращая хрупкий металл в обрабатываемый композит.

ВР — вольфрам-рениевые сплавы. Рений вводят в вольфрам, чтобы снять его главный недостаток — хрупкость при комнатной температуре. Добавка 5−27% Re снижает температуру хрупко-вязкого перехода, повышает пластичность и одновременно даёт высокую и стабильную термо-ЭДС при нагреве. Отсюда основное применение — термоэлектродная проволока и эмиттеры. Марки различаются долей рения:

• ВР5 — вольфрам с содержанием рения около 5%; положительный термоэлектрод термопары, эмиттеры, тензодатчики.
• ВР20 — около 20% Re; отрицательный термоэлектрод в паре с ВР5.
• ВР27 — около 27% Re; отрицательный термоэлектрод в паре ВР5/ВР27 для повышенной термо-ЭДС.

ВН — вольфрам-никелевые тяжёлые сплавы. Здесь вольфрам спекают: порошок вольфрама (90−98% по массе) с добавкой никеля и железа проходит жидкофазное спекание при 1450−1550 °C. Никель с железом плавятся, смачивают зёрна вольфрама и после охлаждения дают плотный вязкий материал. Связка и делает тяжёлый сплав обрабатываемым резанием и пластичным, чего лишён чистый вольфрам. Основные марки семейства ВНЖ различают по доле вольфрама:

• ВНЖ-90 — около 90% W, остальное Ni и Fe; плотность около 17 г/см³.
• ВНЖ-95 — около 95% W; плотность около 18 г/см³.
• ВНЖ-98 — около 97−98% W; плотность до 18,5 г/см³.

Соотношение никеля к железу в связке обычно 7:3 или 5:3 (отсюда обозначения вида ВНЖ7−3, ВНЖ5−3). Для немагнитных изделий вместо железа берут медь — сплавы группы ВНМ (вольфрам-никель-медь). Точную марку и состав под задачу подтверждает технолог по действующим ТУ.

Формы поставки у обоих классов разные по назначению. ВР идёт тонкой проволокой (от 0,1 до 3 мм) под термопары и эмиттеры, реже прутком. ВН поставляют прутком и заготовкой-штабиком под дальнейшую механическую обработку, а также готовыми изделиями по чертежу — противовесами, вкладышами, экранами.

Свойства ВР-5 и ВН

Механика у двух классов отличается принципиально. ВР-5 наследует от вольфрама высокую прочность и жёсткость, но благодаря рению тянется в тонкую проволоку без обрывов. ВН за счёт вязкой связки ведёт себя как обычный конструкционный материал: его точат, сверлят и режут, у него заметное удлинение.

Физические свойства показывают, ради чего каждый класс выбирают. У ВР-5 это термо-ЭДС и тугоплавкость, у ВН — плотность.

За цифрами стоит логика применения. Плотность ВН 17−18,5 г/см³ выше свинца (11,3 г/см³) в полтора раза и близка к чистому вольфраму, но материал при этом вязкий и обрабатывается — поэтому из него делают компактные грузы и защитные экраны сложной формы. У ВР-5 определяющей становится термо-ЭДС: пара ВР5/ВР20 даёт устойчивый сигнал при 2000 °C и выше, где платинородиевые термопары уже неработоспособны. Рений поднимает и температуру рекристаллизации, из-за чего термоэлектрод не охрупчивается при длительной работе в горячей зоне.

У обоих классов одно общее ограничение — стойкость к окислению. Выше 400−500 °C вольфрам и его сплавы окисляются на воздухе, поэтому ВР-5 работает только в вакууме, водороде или инертном газе, а нагруженные при высокой температуре детали из ВН защищают средой или покрытием. Тяжёлые сплавы ВН в своей типовой роли грузов и защиты работают при комнатной температуре, где это ограничение не проявляется.

Применение: термопары и эмиссия против плотности и защиты

Области применения двух классов не пересекаются, поэтому разбираем их по отдельности.

ВР-5 — измерение сверхвысоких температур и эмиссия. Основной потребитель — вольфрам-рениевые термопары. Пара ВР5/ВР20 (положительный электрод ВР5, отрицательный ВР20) измеряет температуру до 2200−2500 °C в вакуумных и водородных печах, в металлургии тугоплавких металлов, в ростовых установках для монокристаллов, в исследованиях плазмы и ядерной технике. Там, где платинородиевая термопара плавится, вольфрам-рениевая продолжает давать сигнал. Для повышенной чувствительности применяют пару ВР5/ВР27. Вторая область — эмиттеры и катоды: рениевая добавка стабилизирует эмиссию и продлевает ресурс. Проволоку ВР-5 используют и в прецизионных тензодатчиках, где ценят стабильность электросопротивления.

ВН — масса, инерция и радиационная защита. Здесь работает плотность 17−18,5 г/см³ при вязкости обычного металла. Основные группы изделий:

• Противовесы и балансиры в авиации, вертолётостроении и автоспорте — там, где нужен большой вес в малом объёме (балансировка рулей, лопастей, коленвалов).
• Роторы гироскопов и инерционные грузы — высокая плотность даёт больший момент инерции при тех же габаритах.
• Радиационная защита — коллиматоры, экраны и вкладыши в медицинской и промышленной рентгеновской технике, где ВН заменяет свинец при вдвое меньшей толщине и не требует оболочки.
• Кинетические сердечники и вкладыши — плотный вязкий материал сохраняет форму при высоких перегрузках.
• Виброгасящие вставки и держатели инструмента — масса вольфрамового сплава гасит колебания при точении и расточке глубоких отверстий.

По нашей практике, при подборе тяжёлого сплава сначала уточняют требование по магнитности: для приборных узлов рядом с датчиками берут немагнитный ВНМ (W-Ni-Cu), для грузов и защиты подходит более прочный ВНЖ (W-Ni-Fe). Технолог Специальные Материалы подбирает марку и плотность под нагрузку и габарит, а изделие изготавливают по чертежу заказчика.

Стандарты и сертификация

Единого ГОСТа на вольфрам-рениевую и тяжёлую вольфрам-никелевую продукцию нет: сортамент нормируют техническими условиями производителя, а смежные вопросы закрывают отраслевые стандарты. Термопарную проволоку ВР описывают ТУ на вольфрам-рениевый термоэлектродный сплав, а номинальные характеристики самих термопар типа, А (вольфрамрениевых) задаёт ГОСТ Р 8.585−2001 «Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования». Неплавящиеся вольфрамовые электроды и близкие эмиттерные марки нормирует ГОСТ 23949–80 «Электроды вольфрамовые сварочные неплавящиеся» — его привлекают контекстно, когда речь о чистоте и сортаменте вольфрамовой основы.

Механические свойства прутка и проволоки проверяют на растяжение по ГОСТ 1497–84, твёрдость тяжёлых сплавов — по Бринеллю по ГОСТ 9012–59, сплошность заготовки — ультразвуковым методом по ГОСТ 14782–86. Плотность тяжёлого сплава контролируют гидростатическим взвешиванием — для ВН это ключевой приёмочный параметр, поскольку недоспекание сразу снижает и плотность, и прочность.

Международных однозначных аналогов «1:1» у этих марок нет: тяжёлые сплавы за рубежом классифицируют по классам плотности (например, по стандарту ASTM B777 на вольфрамовые тяжёлые металлы — классы 1−4 по доле вольфрама 90−97%), а вольфрам-рениевые термопары — по типам ASTM (тип C — W5Re/W26Re и близкие). Прямое соответствие конкретной марке подтверждает технолог по составу и плотности, поэтому в таблицу «эквивалентов» такие пары без проверки не вносим.

В каталоге Специальные Материалы вольфрам и сплавы на его основе идут под собственной линейкой AERIS; конкретный номер, марку и класс технолог подтверждает под сортамент. Соответствие ТУ и ГОСТ закрывается сертификатом с фактическим химсоставом и замером плотности, а ультразвуковой контроль каждой партии отсеивает внутренние дефекты заготовки до отгрузки. При несоответствии — замена партии за счёт Специальные Материалы.

Как выбрать между ВР-5 и ВН

Выбор идёт от функции детали, и спутать классы трудно, если начать с вопроса «что деталь делает».

Нужно измерить температуру выше 1800−2000 °C или сделать эмиттер — это ВР-5 в паре с ВР-20 (или ВР-27). Здесь важны термо-ЭДС, тугоплавкость и способность тянуться в тонкую проволоку; плотность роли не играет. Работать такой термоэлектрод будет только в вакууме или инертной среде.

Нужна максимальная масса в малом объёме, инерционный груз, противовес или радиационная защита — это тяжёлый сплав ВН (ВНЖ или ВНМ) плотностью 17−18,5 г/см³. Здесь важны плотность, вязкость и обрабатываемость резанием, а термо-ЭДС и тугоплавкость не нужны. Внутри семейства ВН выбор идёт по двум признакам: доля вольфрама (чем выше, тем больше плотность и прочность) и магнитность (немагнитный ВНМ для приборных узлов, прочный ВНЖ для грузов и защиты).

Общий сортамент тоже разводит классы: ВР заказывают проволокой под конкретный диаметр термоэлектрода, ВН — прутком или штабиком под механическую обработку либо готовым изделием по чертежу. Наши технологи подбирают марку, плотность и форму поставки под задачу и согласуют метод контроля до запуска партии.

Заключение

ВР-5 и ВН — два разных вольфрамовых материала, которые объединяет только основа. ВР-5 (вольфрам плюс около 5% рения) выбирают ради пластичности и термо-ЭДС: в паре с ВР-20 он работает термопарой до 2200−2500 °C в вакууме и инертной среде, идёт на эмиттеры и тензодатчики. ВН (вольфрам-никелевые тяжёлые сплавы ВНЖ и ВНМ) плотностью 17−18,5 г/см³ выбирают ради массы в габарите: противовесы, балансиры, роторы гироскопов, радиационная защита и кинетические сердечники. Формы поставки — проволока для ВР, пруток и штабик для ВН, а также готовые изделия по чертежу.

Технологи Специальные Материалы подбирают класс, марку и форму поставки под конкретную задачу и подтверждают состав и плотность сертификатом с ультразвуковым контролем партии.

Статью подготовили

Автор: Сергей Ковриго

Эксперт в области: тугоплавкие металлы, вольфрамовые сплавы

Редактор: Роман Отроков

Эксперт в области: металлургия цветных сплавов

Технолог «Специальные Материалы»