Тантал и стержни из танталовых сплавов

Процесс производства прутков из тантала и танталовых сплавов очень сложен и включает в себя множество точных процедур. Также требуется строгий контроль за чистотой сырья, точностью оборудования и технологическими параметрами. Основная причина кроется в физических и химических свойствах самого тантала (таких как высокая температура плавления, высокая химическая активность и легкое окисление), а также в требованиях «высокой чистоты, высокой точности и высоких характеристик» к стержням в последующих областях (таких как электроника, медицина, аэрокосмическая промышленность). Сложность процесса далее разбивается на четыре основных этапа: подготовка сырья, обработка пластика, финишная обработка и проверка качества.

 

1. Этап подготовки сырья: контроль высокой чистоты является основной трудностью.
Сырье для изготовления прутков из тантала и танталовых сплавов должно быть очищено от «танталового концентрата» до «танталового порошка высокой-чистоты», а затем обработано методом порошковой металлургии для получения «танталовых заготовок». Этот этап является основой для последующих процессов, а трудности заключаются в контроле чистоты и уплотнении заготовок.
Очистка танталового концентрата: удаление примесей до уровня ppm.
Природный танталовый концентрат (например, танталит) содержит такие примеси, как титан, ниобий, вольфрам и кремний. Его необходимо очистить с помощью процесса «кислотного растворения - экстракции - обратной экстракции»:
Танталовый концентрат растворяют смесью плавиковой и серной кислот с получением фтортанталовой кислоты (H2TaF₇);
Используйте экстрагенты, такие как метилизобутилкетон (МИБК), для разделения тантала и ниобия (их химические свойства очень похожи, а эффективность экстракции должна быть выше 99,99%);
В результате обратной экстракции получается раствор фтортанталовой кислоты высокой-чистоты, который затем подвергается обработке аммиаком, кальцинированию и восстановлению водородом, в результате чего получается танталовый порошок с чистотой более 99,95 % (класс 4N); (для электронного класса он должен быть класса 5N, т. е. 99,999%).
Проблемы: содержание примесей необходимо контролировать на уровне ниже 10 ppm (например, содержание ниобия менее или равно 5 ppm), в противном случае это серьезно повлияет на проводимость и коррозионную стойкость последующих стержней.

Заготовка порошковой металлургии: предотвращение пор и неровностей состава
Из порошка тантала высокой-чистоты необходимо превратить плотную танталовую заготовку (широко известную как «танталовый слиток») путем «прессования - спекания», что обеспечивает основу для последующей обработки пластмасс:
Холодное изостатическое прессование: порошок тантала засыпают в эластичную форму и прессуют под давлением 150-200 МПа с образованием «сырой заготовки» (плотностью 60-70% от теоретической плотности);
Вакуумное спекание: спекайте танталовый порошок в условиях высокого вакуума (степень вакуума меньше или равна 1×10⁻³ Па) в течение 10-20 часов, позволяя частицам танталового порошка диффундировать и объединяться, и, наконец, формировать танталовую заготовку с относительной плотностью больше или равной 98% (при использовании для легированных стержней необходимо смешать порошки никеля, вольфрама, ниобия и других легирующих элементов). в пропорции перед прессованием, чтобы обеспечить однородный состав).
Проблемы: Необходимо точно контролировать температуру спекания (слишком низкая температура приведет к рыхлости заготовки, а слишком высокая температура приведет к образованию крупных зерен); Вакуумная среда должна быть строго изолирована от кислорода (тантал склонен соединяться с кислородом при высоких температурах с образованием окисленного тантала, в результате чего заготовка становится хрупкой).
II. Этап обработки пластика: преодоление высокой твердости и наклепа, обеспечение точности размеров.
Температура плавления тантала достигает 2996 градусов. При комнатной температуре он обладает высокой твердостью и склонен к «наклепу» (после пластической деформации твердость быстро возрастает, что требует частой размягчающей обработки). Следовательно, пластическую обработку стержня необходимо проводить в сочетании «несколько проходов горячей обработки + холодной обработки», постепенно раскатывая танталовую заготовку до стержня заданного диаметра. Основная трудность заключается в контроле температуры и равномерной деформации.
Термическая обработка: преодоление ограничения высокой температуры плавления, достижение первоначальной формы.
Целью термической обработки является раскатывание танталовых заготовок большого-размера в "отходные стержни" малого-диаметра. Обычный процесс — «горячая ковка + горячая прокатка»:
Горячая ковка: нагрейте танталовую заготовку до 1200-1400 градусов (температура рекристаллизации тантала составляет примерно 1000 градусов, и она должна быть выше этой температуры, чтобы исключить наклеп). Затем на гидравлическом прессе проковывают цилиндрическую заготовку (величину деформации при ковке необходимо контролировать в пределах 30-50% во избежание растрескивания заготовки);
Горячая прокатка: нагрейте кованую заготовку до 1100-1300 градусов, а затем раскатайте ее в «горячекатаный стержень» диаметром 20–50 мм (степень обжатия за проход должна быть меньше или равна 15 %, и необходимо оборудовать онлайн-систему измерения температуры, чтобы предотвратить отклонения размеров, вызванные колебаниями температуры).
Проблемы: Термическую обработку необходимо проводить в среде инертных газов (например, аргона) (тантал склонен к окислению при высоких температурах); Оборудование должно выдерживать высокие температуры и высокое давление (материал роликов должен быть жаропрочный-сплав, например сталь H13).

Холодная обработка: повышает точность и качество поверхности, устраняет дефекты.
Точность размеров (±0,5 мм) и шероховатость поверхности (Ra больше или равна 6,3 мкм) горячекатаных -катаных прутков не могут соответствовать требованиям последующей переработки. Поэтому их необходимо дополнительно обрабатывать методом «холодной вытяжки/холодной прокатки»:
Промежуточная размягчающая обработка: Перед холодной обработкой горячекатаные-катаные прутки необходимо отжечь в вакуумной среде при температуре 1000-1200 градусов (с выдержкой 2-4 часа) для устранения упрочнения, вызванного предыдущей обработкой, и восстановления пластичности;
Холодное волочение: после отжига стержень пропускается через алмазную форму (диаметр отверстия в форме немного меньше диаметра стержня), и используется тянущая машина для приложения натяжения при комнатной температуре, чтобы пруток прошел через отверстие формы и постепенно уменьшал диаметр до целевого размера (например, диаметр стержней электронного-класса должен быть меньше или равен 5 мм с точностью ±0,02 мм);
Несколько проходов: из-за значительного упрочнения тантала при обработке степень деформации каждого прохода необходимо контролировать на уровне 10 %-20 %. Этот процесс необходимо повторить «отжиг-волочение» 3-5 раз, чтобы в конечном итоге достичь целевого размера и шероховатости поверхности (Ra менее или равно 0,8 мкм).
Проблемы: формы для холодной вытяжки требуют чрезвычайно высокой твердости (из алмаза или кубического нитрида бора), что является дорогостоящим; необходимо точно рассчитать величину деформации каждого прохода; в противном случае стержень может «перекоситься» или иметь трещины на поверхности.

В перерабатывающих отраслях (таких как здравоохранение, аэрокосмическая промышленность) существуют индивидуальные требования к механическим свойствам (прочность, ударная вязкость) и коррозионной стойкости стержней из танталовых сплавов. Необходима дальнейшая оптимизация за счет финишной и термообработки:
Финишная обработка: повышение точности размеров и чистоты поверхности.
Бесцентровое шлифование: выполните бесцентровое шлифование прутка после холодной волочения, чтобы контролировать точность диаметра в пределах ± 0,01 мм и уменьшить шероховатость поверхности до Ra меньше или равного 0,4 мкм;
Очистка и пассивация: Очистите поверхность стержня смесью азотной и плавиковой кислот для удаления остатков масла и оксидных слоев и образования плотной оксидной пленки (Ta₂O₅) для повышения коррозионной стойкости;
Резка и выпрямление: отрежьте длинный стержень до заданной длины (например, 1–3 м) в соответствии с требованиями заказчика и устраните изгиб с помощью правильной машины, чтобы обеспечить прямолинейность менее или равную 0,1 мм/м.
Индивидуальная термообработка: регулировка механических свойств
Обработка раствором: Для прутков из танталовых сплавов (таких как сплав Ta-Nb) нагрейте их в вакууме при температуре 1500–1800 градусов и быстро охладите, чтобы гомогенизировать элементы сплава и повысить прочность;
Обработка старением: некоторые сплавы (например, сплав Ta-W) необходимо выдерживать при температуре 800-1000 градусов в течение 10–15 часов для осаждения частиц второй фазы и дальнейшего повышения твердости (до HV 300 или выше);
Низко-отжиг: танталовый стержень электронного-класса необходимо отжигать при температуре 600–800 градусов, чтобы устранить внутреннее напряжение и снизить удельное сопротивление (обеспечивайте удельное сопротивление менее или равное 13 мкОм·см, что соответствует требованиям, предъявляемым к конденсаторам).
Проблемы: параметры термообработки должны быть точно согласованы с составом сплава и требованиями последующей обработки (например, танталовые стержни для медицинских имплантатов требуют низкой твердости и высокой ударной вязкости, поэтому необходимо снизить температуру отжига; стержни аэрокосмического-класса требуют высокой твердости, поэтому необходимо повысить температуру старения).

IV. Этап проверки качества: строго контролировать весь процесс для устранения дефектов.

Дальнейшее применение прутков из тантала и танталовых сплавов часто включает в себя «ключевые компоненты» (такие как лопатки авиационных двигателей, сердечные стенты), а некачественное качество может привести к серьезным несчастным случаям. Таким образом, этап проверки охватывает весь процесс и имеет чрезвычайно высокие стандарты:
Тестирование компонентов: используйте ICP-MS (масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой), чтобы обнаружить содержание примесей и убедиться, что чистота соответствует стандартам (например, общее содержание примесей в танталовых стержнях электронного-класса должно быть меньше или равно 10 ppm);
Испытание механических характеристик: образцы для испытаний на растяжение (для определения предела прочности, предела текучести, степени удлинения), испытаний на твердость (HV или HRC) для обеспечения соответствия требованиям заказчика (например, степень удлинения танталовых стержней медицинского-класса должна быть больше или равна 20%);
Не-неразрушающий контроль: используйте ультразвуковую дефектоскопию (для обнаружения внутренних трещин и пор), вихретоковую дефектоскопию (для обнаружения поверхностных дефектов), чтобы убедиться в отсутствии внутренних или поверхностных дефектов стержней;

Тестирование размеров и поверхности: используйте лазерный прибор для измерения диаметра, чтобы определить точность диаметра, используйте прибор для измерения шероховатости поверхности, чтобы определить значение Ra, и используйте металлографический микроскоп для наблюдения за размером зерна (чтобы обеспечить однородность зерен и отсутствие аномального роста).
Основная причина сложного процесса производства прутков из тантала и танталовых сплавов.
Процесс производства прутков из тантала и танталовых сплавов сложен и в основном определяется «характеристиками материала» и «требованиями применения»:
Ограничение характеристик материала: высокая температура плавления, высокая химическая активность и легкая закалка тантала приводят к необходимости использования специального оборудования (вакуумные печи, высокотемпературные прокатные станы, алмазные формы) и строгого контроля окружающей среды (защита инертного газа, высокий вакуум) для каждого процесса (например, спекание, горячая обработка, холодное волочение);
Чрезвычайно строгие требования к переработке: электронная промышленность требует высокой чистоты (класс 5N), низкого удельного сопротивления, медицинская промышленность требует высокой биосовместимости и отсутствия примесей, аэрокосмическая промышленность требует высокой твердости и устойчивости к высоким температурам. Эти требования вынуждают усовершенствовать процесс (например, несколько проходов отжига, индивидуальную термообработку, полный-не-технологический неразрушающий контроль).
Таким образом, производство прутков из тантала и танталовых сплавов требует чрезвычайно высокого технического накопления (например, оптимизации параметров процесса), инвестиций в оборудование (инвестиции в одну производственную линию превышают 100 миллионов юаней) и возможностей контроля качества. В мире мало предприятий со зрелыми производственными возможностями (например, Cabot в США, Dongfang Tantalum в Китае), что еще раз демонстрирует сложность процесса.

горячая этикетка : стержни из тантала и танталовых сплавов, Китай производители, поставщики из тантала и стержней из танталовых сплавов