Применение вольфрама в промышленности и металлургии. Где применяется вольфрам высокой плотности

Имеющий светло-серый цвет. В периодической системе Менделеева ему принадлежит 74 порядковый номер. Химический элемент является тугоплавким. В своем составе он содержит 5 стабильных изотопов.

Химические свойства вольфрама

Химическая стойкость вольфрама на воздухе и в воде достаточно высока. При нагревании подвержен окислению. Чем больше температура, тем выше скорость окисления химического элемента. При температуре, превышающей 1000°С, вольфрам начинает испаряться. При комнатной температуре , соляная, серная, плавиковая и азотная кислоты не могут оказывать на вольфрам никакого действия. Смесь азотной и плавиковой кислот растворяют вольфрам. Ни в жидком, ни в твердом состоянии вольфрам не смешивается с золотом, серебром, натрием, литием. Также не происходит взаимодействия с , магнием, кальцием, ртутью. Вольфрам в тантале и ниобии, а с хромом и может образовывать растворы как в твердом, так и в жидком состоянии.

Применение вольфрама

Применяют вольфрам в современной промышленности как в чистом виде, так и в . Вольфрам относится к износоустойчивым металлам. Часто сплавы, имеющих в составе вольфрам, применяют для изготовления лопастей турбин и клапанов авиадвигателей. Также этот химический элемент нашел свое применение для изготовления различных деталей в рентгенотехнике и радиоэлектронике. Вольфрам используют для нитей электроламп.

Химические соединения вольфрама в последнее время нашли свое практическое применение. Гетерополикислота фосфорно-вольфрамовая используется при производстве ярких красок и лаков, устойчивых на свету. Для изготовления светящихся красок и изготовлении лазеров применяются вольфраматы редкоземельных элементов, щелочноземельных металлов и кадмия.

Сегодня традиционные обручальные кольца из золота стали заменять изделиями из других металлов. Популярность приобрели кольца обручальные из карбида вольфрама. Такие изделия отличаются высокой прочностью. Зеркальная полировка кольца со временем не тускнеет. Изделие сохранит свое первоначальное состояние на весь срок использования.

Вольфрам используют в виде легирующей добавки для стали. Это придает стали прочность и твердость при высокой температуре. Таким образом, инструменты, изготовленные из вольфрамовой стали, обладают способностью выдерживать весьма интенсивные процессы металлообработки.

Вольфрам долгое время не находил практического применения. И только в конце XIX века замечательные свойства этого металла стали использоваться в промышленности. В настоящее время около 80 процентов добываемого вольфрама применяется в вольфрамовых сталях, около 15 процентов вольфрама используют для производства твердых сплавов. Важной областью применения чистого вольфрама и чистых сплавов из него является электротехническая промышленность, где он используется при изготовлении нитей накаливания электрических ламп, для деталей радиоламп и рентгеновских трубок, автомобильного и тракторного электрооборудования, электродов для контактной, атомно-водородной и аргоно-дуговой сварки, нагревателей для электропечей и др. Соединения вольфрама нашли применение в производстве огнестойких, водоустойчивых и утяжеленных тканей, как катализаторы в химической промышленности.
Ценность вольфрама особенно повышает его способность образовывать сплавы с различными металлами железом, никелем, хромом, кобальтом, молибденом, которые в различных количествах входят в состав стали. Вольфрам, добавленный в небольших количествах к стали, вступает в реакции с содержащимися в ней вредными примесями серы, фосфора, мышьяка и нейтрализует их отрицательное влияние. В результате сталь с добавкой вольфрама получает высокую твердость, тугоплавкость, упругость и устойчивость против кислот. Всем известно высокое качество клинков из дамасской стали, в которой содержится несколько процентов примеси вольфрама. Еще в. 1882 году вольфрам стали использовать при изготовлении пуль. В орудийной стали, бронебойных снарядах также содержится вольфрам. Сталь с присадкой вольфрама идет на изготовление прочных рессор автомобилей и железнодорожных вагонов, пружин и ответственных деталей различных механизмов. Рельсы, изготовленные из вольфрамовой стали, выдерживают намного большие нагрузки, и срок их службы значительно дольше, чем рельсов из обычных сортов стали. Замечательным свойством стали с добавкой 918 процентов вольфрама является ее способность к самозакаливанию, то есть при увеличении нагрузок и температуры эта сталь становится еще прочнее. Это свойство явилось основанием для изготовления целой серии инструментов из так называемой «быстрорежущей инструментальной стали». Применение резцов из нее позволило в свое время в несколько раз увеличить скорость обработки деталей на металлорежущих станках.
И все же инструменты, изготовленные из быстрорежущей стали, по скорости резания в 35 раз уступают инструментам из твердых сплавов. К их числу относятся соединения вольфрама с углеродом (карбиды) и бором (бориды). Эти сплавы по твердости близки к алмазам. Если условная твердость самого твердого из всех веществ алмаза выражается 10 баллами, то твердость вольфрамо-карбида (вокара) 9,8. К числу этих сплавов относится и широко известный победит сплав углерода с вольфрамом и добавкой кобальта. Сам победит вышел из употребления, но это название сохранилось применительно к целой группе твердых сплавов. В машиностроительной промышленности из твердых сплавов изготавливают также штампы для кузнечных прессов. Они изнашиваются примерно в тысячу раз медленнее стальных.
Особенно важной и интересной областью применения вольфрама является изготовление элементов накала (нитей) электрических ламп накаливания. Для изготовления нитей электроламп используют чистый вольфрам. Свет, излучаемый раскаленной нитью вольфрама, близок к дневному. А количество света, излучаемое лампой с вольфрамовой нитью, в несколько раз превышает излучение ламп из нитей, изготовленных из других металлов (осьмия, тантала). Световое излучение (световая отдача) электроламп с вольфрамовой нитью в 10 раз выше, чем у ранее применявшихся ламп с угольной нитью. Яркость свечения, долговечность, экономичность в потреблении электроэнергии, небольшие затраты металла и простота изготовления электрических ламп с вольфрамовой нитью обеспечили им самое широкое применение при освещении.
Широкие возможности применения вольфрама обнаружились в результате открытия, сделанного известным американским физиком Робертом Уилъямсом Вудом. В одном из опытов Р. Вуд обратил внимание на то, что свечение вольфрамовой нити с торцовой части катодной трубки его конструкции продолжается и после отключения электродов от аккумулятора. Это настолько поразило его современников, что Р. Вуда стали называть чародеем. Исследования показали, что вокруг нагретой вольфрамовой нити происходит термическая диссоциация молекул водорода они распадаются на отдельные атомы. После отключения энергии атомы водорода снова соединяются в молекулы, и при этом выделяется большое количество тепловой энергии, достаточное, чтобы раскалить тонкую вольфрамовую нить и вызвать ее свечение. На этом эффекте разработан новый вид сварки металлов атомно-водородный, давший возможность сваривать различные стали, алюминий, медь, латунь в тонких, листах с получением чистого и ровного шва. Металлический вольфрам при этом используется в качестве электродов. Вольфрамовые электроды применяются также и при более широко распространенной аргонодуговой сварке.
В химической промышленности вольфрамовая проволока, очень стойкая против кислот и щелочей, применяется для изготовления сеток различных фильтров. Вольфрам нашел применение также как катализатор с его помощью изменяют скорость химических реакций в технологическом процессе. Группа вольфрамовых соединении в промышленности и лабораторных условиях используется как реактивы для определения белка и других органических и неорганических соединений.
Вольфрамовые соединения используются и в полиграфической промышленности в качестве красок (шафрановая, вольфрамовая синь, вольфрамовая желть). Пиротехники добавляют соединения вольфрама в состав горючих смесей и получают разноцветные огни ракет и фейерверков. В свето-печатании используется бумага, обработанная вольфрамитом натрия. В текстильной промышленности солью вольфрамовой кислоты вольфраматом натрия протравливают ткани при крашении. Такие ткани непромокаемы и не боятся огня. Дерево тоже становится огнестойким, если его обработать этим веществом.

Дителлурид вольфрама WTe 2 применяется для преобразования тепловой энергии в электрическую (термо-ЭДС около 57 мкВ/К).

Коэффициент температурного расширения вольфрама близок к таковому у кремния, поэтому на вольфрамовые подложки припаивают кремниевые кристаллы мощных транзисторов – чтобы избежать растрескивания этих кристаллов при нагреве.
Даже неполный перечень применения вольфрама и его соединений в промышленности дает представление о высокой ценности этого элемента. Сейчас трудно представить, как бы любой из нас смог обходиться даже в повседневной жизни без вольфрама. И конечно, возможности ого использования будут раскрываться и дальше.
Почти вся мировая вольфрамовая промышленность в период первой мировой войны была сосредоточена в Германии. Но сырье для нее вольфрамовые концентраты поставлялись из других стран. Поэтому, изолированные от поставщиков сырья, немцы вынуждены были перерабатывать шлаки, скопившиеся около оловянных плавилен (вспомним «волчью пену»!) и получали из них около 100 тонн вольфрама в год.
В это же время потребности военной промышленности в вольфраме вызвали «вольфрамовую лихорадку» во многих странах. В России поставщиками вольфрамовых руд стали Урал и Забайкалье. Стараясь нажиться па «вольфрамовой лихорадке», предприниматели не очень считались с интересами государства. Так, промышленник Толмачев, владевший Забайкальскими месторождениями Букука и Оланду, решил сдать их в аренду шведской фирме. И только своевременное вмешательство Геологического комитета предотвратило это. В условиях военного времени рудники у этого дельца были реквизированы.

Искусственный радионуклид 185 W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества. Стабильный 184 W применяется как компонент сплавов с ураном-235, применяемых в твердофазных ядерных ракетных двигателях, поскольку это единственный из распространённых изотопов вольфрама, имеющий низкое сечение захвата тепловых нейтронов (около 2 барн).

Перед началом первой мировой войны в 1913 году в мире было произведено 8 123 тонны вольфрамового концентрата (с содержанием 60 процентов трехокиси вольфрама). Перед второй мировой войной его производство быстро увеличилось и в 1940 году составило 44 013 тонн (без Советского Союза). По данным Горного бюро США, в 1972 году мировое производство вольфрама составило около 38 400 тонн.

Вольфрамовые сплавы обладают многими замечательными качествами. Так называемый тяжелый металл (из вольфрама, никеля и меди) служит для изготовления контейнеров, в которых хранят радиоактивные вещества. Его защитное действие на 40% выше, чем у свинца. Этот сплав применяют и при радиотерапии, так как он создает достаточную защиту при сравнительно небольшой толщине экрана.

Сплав карбида вольфрама с 16% кобальта настолько тверд, что может частично заменить алмаз при бурении скважин.

Псевдосплавы вольфрама с медью и серебром – превосходный материал для рубильников и выключателей электрического тока высокого напряжения: они служат в шесть раз дольше обычных медных контактов.

О применении вольфрама в волосках электроламп говорилось в начале статьи. Незаменимость вольфрама в этой области объясняется не только его тугоплавкостью, но и пластичностью. Из одного килограмма вольфрама вытягивается проволока длиной 3,5 км, т.е. этого килограмма достаточно для изготовления нитей накаливания 23 тыс. 60-ваттных лампочек. Именно благодаря этому свойству мировая электротехническая промышленность потребляет всего около 100 т вольфрама в год.

В последние годы важное практическое значение приобрели химические соединения вольфрама. В частности, фосфорно-вольфрамовая гетерополикислота применяется для производства лаков и ярких, устойчивых на свету красок. Раствор вольфрамата натрия Na 2 WO 4 придает тканям огнестойкость и водонепроницаемость, а вольфраматы щелочноземельных металлов, кадмия и редкоземельных элементов применяются при изготовлении лазеров и светящихся красок.

Вольфрам относится к тугоплавким металлам, которые сравнительно мало распространены в земной коре. Так, содержание в земной коре (в %) вольфрама примерно 10 -5 , рения 10 -7 , молибдена 3.10 -4 , ниобия 10 -3 , тантала 2.10 -4 и ванадия 1,5.10 -2 .

Тугоплавкие металлы являются переходными элементами и располагаются в IV, V, VI и VII группах (подгруппа А) периодической системы элементов. С увеличением атомного номера возрастает температура плавления тугоплавких металлов в каждой из подгрупп.

Элементы VA и VIA групп (ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден и вольфрам) являются тугоплавкими металлами с объемно-центрированной кубической решеткой в отличие от других тугоплавких металлов, имеющих гранецентрированную и гексагональную плотно упакованную структуру.

Известно, что главным фактором, определяющим кристаллическую структуру и физические свойства металлов и сплавов, является природа их межатомных связей. Тугоплавкие металлы характеризуются высокой прочностью межатомной связи и, как следствие, высокой температурой плавления, повышенной механической прочностью и значительным электрическим сопротивлением.

Возможность исследования металлов методом электронной микроскопии позволяет изучать структурные особенности атомного масштаба, выявляет взаимосвязи между механическими свойствами и дислокациями, дефектами упаковки и др. Полученные данные показывают, что характерные физические свойства, отличающие тугоплавкие металлы от обычных, определяются электронной структурой их атомов. Электроны могут в различной степени переходить от одного атома к другому, при этом вид перехода отвечает определенному типу межатомной связи. Особенность электронного строения определяет высокий уровень межатомных сил (связей), высокую температуру плавления, прочность металлов и их взаимодействие с другими элементами и примесями внедрения. У вольфрама химически активная оболочка по энергетическому уровню включает электроны 5 d и 6 s.

Из тугоплавких металлов наибольшую плотность имеет вольфрам - 19,3 г/см 3 . Хотя при использовании в конструкциях ^большую плотность вольфрама можно рассматривать как отрицательный показатель, все же повышенная прочность при высоких температурах позволяет снизить массу изделий из вольфрама за счет уменьшения их размеров.

Плотность тугоплавких металлов в большой степени зависит от их состояния. Например, плотность спеченного штабика вольфрама колеблется в пределах 17,0-18,0 г/см 3 , а плотность кованого штабика со степенью деформации 75% составляет 18,6-19,2 г/см 3 . То же наблюдается и у молибдена: спеченный штабик имеет плотность 9,2-9,8 г/см 3 , кованый со степенью деформации 75% -9,7-10,2 г/см 3 и литой 10,2 г/см 3 .

Некоторые физические свойства вольфрама, тантала, молибдена и ниобия для сравнения приведены в табл. 1. Теплопроводность вольфрама составляет менее половины теплопроводности меди, но она намного выше, чем у железа или никеля.

Тугоплавкие металлы групп VA, VIA, VIIА периодической системы элементов по сравнению с другими элементами имеют меньший коэффициент линейного расширения. Наименьший коэффициент линейного расширения имеет вольфрам, что указывает на высокую стабильность его атомной решетки и является уникальным свойством этого металла.

Вольфрам имеет теплопроводность примерно в 3 раза меньшую, чем электропроводность отожженной меди, но она выше, чем у железа, платины и фосфоритной бронзы.

Для металлургии большое значение имеет плотность металла в жидком состоянии, так как эта характеристика определяет скорость движения по каналам, процесс удаления газообразных и неметаллических включений и влияет на образование усадочной раковины и пористости в слитках. У вольфрама эта величина выше, чем у других тугоплавких металлов. Однако другая физическая характеристика - поверхностное натяжение жидких тугоплавких металлов при температуре плавления - отличается меньше (см. табл. 1). Знание этой физической характеристики необходимо при таких процессах, как нанесение защитных покрытий, при пропитке, плавку и литье.

Важным литейным свойством металла является жидкотекучесть. Если для всех металлов эта величина определяется при заливке жидкого металла в спиральную форму при температуре заливки выше температуры плавления на 100-200° С, то жидкотекучесть вольфрама получена экстраполяцией эмпирической зависимости этой величины от теплоты плавления.

Вольфрам устойчив в различных газовых средах, кислотах и некоторых расплавленных металлах. При комнатной температуре вольфрам не взаимодействует с соляной, серной и фосфорной кислотами, не подвергается воздействию растворенной азотной кислоты и в меньшей степени, чем молибден, реагирует на смесь азотной и фтористоводородной кислот. Вольфрам обладает высокой коррозионной стойкостью в среде некоторых щелочей, например в среде гидроокиси натрия и калия, в которых проявляет стойкость до температуры 550° С. При действии расплавленного натрия он устойчив до 900° С, ртути - до 600°С, галлия до 800 и висмута до 980° С. Скорость коррозии в этих жидких металлах не превышает 0,025 мм/год. При температуре 400-490° С вольфрам начинает окисляться в среде воздуха и в кислороде. Слабая реакция происходит при нагреве до 100°С в соляной,азотной и плавиковой кислотах. В смеси плавиковой и азотной кислот идет быстрое растворение вольфрама. Взаимодействие с газовыми средами начинается при температурах (°С): с хлором 250, с фтором 20. В углекислом газе вольфрам окисляется при 1200° С, в аммиаке реакция не происходит.

Закономерность окисления тугоплавких металлов определяется в основном температурой. Вольфрам до 800-1000° С имеет параболическую закономерность окисления, а свыше 1000° С - линейную.

Высокая коррозионная стойкость в жидкометаллических средах (натрий, калий, литий, ртуть) позволяет применять вольфрам и его сплавы в энергетических установках.

Прочностные свойства вольфрама зависят от состояния материала и температуры. Для кованых прутков вольфрама предел прочности после рекристаллизации меняется в зависимости от температуры испытаний от 141 кгс/мм 2 при 20° С до 15,5 кгс/мм 2 при 1370° С. Полученный методом порошковой металлургии вольфрам при изменении температуры от 1370 до 2205° С имеет? b = 22,5?6,3 кгс/мм 2 . Прочность вольфрама особенно увеличивается в процессе холодной деформации. Проволока диаметром 0,025 мм имеет предел прочности 427 кгс/мм 2 .

Твердость деформированного технически чистого вольфрама HВ 488, отожженного НВ 286. При этом такая высокая твердость сохраняется вплоть до температур, близких к точке плавления, и в значительной степени зависит от чистоты металла.

Модуль упругости приближенно связан с атомным объемом температуры плавления

где T пл - абсолютная температура плавления; V aТ - атомный объем; К - константа.

Отличительной особенностью вольфрама среди металлов является также высокая объемная деформация, которая определяется из выражения

где Е - модуль упругости первого рода, кгс/мм 2 ; ?-коэффициент поперечной деформации.

Табл. 3 иллюстрирует изменение объемной деформации для стали, чугуна и вольфрама, рассчитанной по приведенному выше выражению.

Пластичность технически чистого вольфрама при 20 е С составляет менее 1 % и растет после зонной электронно-лучевой очистки от примесей, а также при легировании его добавкой 2% окиси тория. С увеличением температуры пластичность повышается.

Большая энергия межатомных связей металлов групп IV, V, VIA определяет их высокую прочность при комнатной и повышенных температурах. Механические свойства тугоплавких металлов существенно зависят от их чистоты, способов получения, механической и термической обработки, вида полуфабрикатов и других факторов. Большая часть сведений о механических свойствах тугоплавких металлов, опубликованных в литературе, получена на недостаточно чистых металлах, так как плавку в условиях вакуума начали применять сравнительно недавно.

На рис. 1 показана зависимость температуры плавления тугоплавких металлов от положения в периодической системе элементов.

Сравнение механических свойств вольфрама после дуговой плавки и вольфрама, полученного методом порошковой металлургии, показывает, что хотя их предел прочности отличается незначительно, однако более пластичным оказывается вольфрам дуговой плавки.

Твердость по Бринеллю вольфрама в виде спеченного штабика составляет НВ 200-250, а прокатанного нагартованного листа НВ 450-500, твердость молибдена равна соответственно НВ 150- 160 и НВ 240-250.

Легирование вольфрама проводят с целью повышения его пластичности, для этого используют прежде всего элементы замещения. Все больше внимания уделяют попыткам повысить пластичность металлов группы VIA добавками небольших количеств элементов групп VII и VIII. Повышение пластичности объясняют тем, что при легировании переходных металлов добавками в сплаве создается неоднородная электронная плотность вследствие локализации электронов легирующих элементов. При этом атом легирующего элемента изменяет силы межатомной связи в прилегающем объеме растворителя; протяженность такого объема должна зависеть от электронной структуры легирующего и легируемого металлов.

Трудность создания вольфрамовых сплавов состоит в том, что пока не удается при повышении прочности обеспечить необходимую пластичность. Механические свойства вольфрамовых сплавов, легированных молибденом, танталом, ниобием и окисью тория (при кратковременных испытаниях), приведены в табл. 4.

Легирование вольфрама молибденом позволяет получать сплавы, которые по своим прочностным свойствам превосходят нелегированный вольфрам вплоть до температур 2200° С (см. табл. 4). При повышении содержания тантала с 1,6 до 3,6% при температуре 1650°С прочность увеличивается в 2,5 раза. Это сопровождается уменьшением удлинения в 2 раза.

Разработаны и осваиваются дисперсионно упрочненные и сложнолегированные сплавы на основе вольфрама, которые содержат молибден, ниобий, гафний, цирконий, углерод. Например, следующие составы: W - 3% Mo - 1 % Nb; W - 3% Mo - 0,1% Hf; W - 3% Mo - 0,05% Zr; W - 0,07% Zr - 0,004% B; W - 25% Mo - 0,11 % Zr - 0,05% C.

Сплав W - 0,48% Zr-0,048% С имеет? b = 55,2 кгс/мм 2 при 1650° С и 43,8 кгс/мм 2 при 1925° С.

Высокие механические свойства имеют вольфрамовые сплавы, содержащие тысячные доли процента бора, десятые доли процента циркония, и гафния и около 1,5% ниобия. Прочность этих сплавов на разрыв при высоких температурах составляет 54,6 кгс/мм 2 при 1650° С, 23,8 кгс/мм 2 при 2200° С и 4,6 кгс/мм 2 при 2760° С. Однако температура перехода (около 500° С) таких сплавов из пластического состояния в хрупкое достаточно высока.

В литературе имеются сведения о сплавах вольфрама с 0,01 и 0,1% С, которые характеризуются пределом прочности, превышающим в 2-3 раза предел прочности рекристаллизованного вольфрама.

Рении существенно повышает жаропрочность сплавов вольфрама (табл. 5).

Очень давно и в широких масштабах применяется вольфрам и его сплавы в электротехнической и электровакуумной технике. Вольфрам и его сплавы являются основным материалом для изготовления нитей накаливания, электродов, катодов и других элементов конструкций мощных электровакуумных приборов. Высокая эмиссионная способность и светоотдача в накаленном состоянии, низкая упругость пара делают вольфрам одним из важнейших материалов для этой отрасли. В электровакуумных приборах для изготовления деталей, работающих при низких температурах, не проходящих предварительную обработку при Температуре выше 300° С, применяют чистый (без присадок) вольфрам.

Присадки различных элементов существенно изменяют свойства вольфрама. Это дает возможность создавать сплавы вольфрама с необходимыми характеристиками. Например, для деталей электровакуумных приборов, которые требуют применения непровисающего вольфрама при температурах до 2900° С и с высокой температурой первичной рекристаллизации, используют сплавы с кремнещелочными или алюминиевыми присадками. Кремнещелочные и ториевые присадки повышают темпера-туру рекристаллизации и увеличивают прочность вольфрама при высоких температурах, что позволяет изготовлять детали, работающие при температуре до 2100° С в условиях повышенных механических нагрузок.

Катоды электронных и газоразрядных приборов, крючки и пружины генераторных ламп с целью повышения эмиссионных свойств изготовляют из вольфрама с присадкой окиси тория (например, марок ВТ-7, ВТ-10, ВТ-15, с содержанием окиси тория соответственно 7, 10 и 15%).

Высокотемпературные термопары изготовляют из сплавов вольфрама с рением. Вольфрам без присадок, в котором допускается повышенное содержание примесей, применяют при изготовлении холодных деталей электровакуумных приборов (вводы в стекло, траверсы). Электроды импульсных ламп и холодные катоды газоразрядных ламп рекомендуется делать из сплава вольфрама с никелем и барием.

Для работы при температурах выше 1700° С следует применять сплавы ВВ-2 (вольфрамониобиевые). Интересно отметить, что при кратковременных испытаниях сплавы с содержанием ниобия от 0,5 до 2% имеют предел прочности при 1650°С в 2-2,5 раза выше нелегированного вольфрама. Наиболее прочным является сплав вольфрама с 15% молибдена. Сплавы W-Re-Th O 2 обладают хорошей обрабатываемостью по сравнению со сплавами W - Re; добавление двуокиси тория делает возможной такую обработку, как точение, фрезерование, сверление.

Легирование вольфрама рением повышает его пластичность, прочностные же свойства с ростом температуры становятся примерно одинаковыми. Добавки в сплавы вольфрама мелкодисперсных окислов повышают их пластичность. Кроме того, эти добавки значительно улучшают обрабатываемость резанием.

Сплавы вольфрама с рением (W - 3% Re; W - 5% Re; W - 25% Re) применяют для измерения и контроля температуры до 2480° С при производстве стали и в других видах техники. Увеличивается применение сплавов вольфрама с рением при изготовлении антикатодов в рентгеновских трубках. Молибденовые антикатоды, покрытые этим сплавом, работают под большой нагрузкой и имеют более длительный срок службы.

Высокая чувствительность вольфрамовых электродов к изменению концентрации водородных ионов позволяет применять их для потенциометрического титрования. Такие электроды используют для контроля воды и различных растворов. Они просты по конструкции и имеют малую величину электрического сопротивления, что делает перспективным их применение в качестве микроэлектродов при исследовании кислотостойкости приэлектродного слоя в электрохимических процессах.

Недостатками вольфрама являются его низкая пластичность (?<1%), большая плотность, высокое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, плохая свариваемость, низкая ока-линостойкость и плохая обрабатываемость резанием. Однако легирование его различными элементами позволяет улучшить эти характеристики.

Ряд деталей для электротехнической промышленности и сопловые вкладыши двигателей изготовляют из вольфрама, пропитанного медью или серебром. Взаимодействие тугоплавкой твердой фазы (вольфрама) с пропитывающим металлом (медью или серебром) такое, что взаимная растворимость металлов практически отсутствует. Краевые углы смачивания вольфрама жидкой медью и серебром достаточно малы по причине большой поверхностной энергии вольфрама, и этот факт улучшает проникновение серебра или меди. Вольфрам, пропитанный серебром или медью, производили первоначально двумя методами: полным погружением заготовки из вольфрама в расплавленный металл или частичным погружением подвешенной заготовки из вольфрама. Есть также методы пропитки с использованием гидростатического давления жидкости или вакуумного всасывания.

Изготовление из вольфрама электротехнических контактов, пропитанных серебром или медью, осуществляют следующим образом. Сначала производят прессование порошка вольфрама и его спекание при определенных технологических режимах. Затем полученную заготовку пропитывают. В зависимости от полученной пористости заготовки меняется доля пропитывающего вещества. Так, содержание меди в вольфраме может меняться от 30 до 13% при изменении удельного давления прессования от 2 до 20 тс/см 2 . Технология получения пропитанных материалов довольно проста, экономична, и качество таких контактов выше, так как один из компонентов дает материалу высокую твердость, эрозионную стойкость, большую температуру плавления, а другой повышает электропроводность.

Хорошие результаты получают при применении пропитанного вольфрама медью или серебром для изготовления сопловых вкладышей твердотопливных двигателей. Повышение таких свойств пропитанного вольфрама, как теплопроводность и электропроводность, коэффициента термического расширения, значительно увеличивает долговечность двигателя. Кроме того, испарение пропитывающего металла из вольфрама во время работы двигателя имеет положительное значение, снижая тепловые потоки и уменьшая эрозионное воздействие продуктов сгорания.

Порошок вольфрама применяют при изготовлении пористых материалов для деталей электростатического ионного двигателя. Применение вольфрама для этих целей позволяет улучшить его основные характеристики.

Теплоэрозионные свойства сопел, изготовленных из вольфрама, упрочненного дисперсными окислами ZrO2, MgO2, V2O3, НfO 2 , повышаются по сравнению с соплами из спеченного вольфрама. После соответствующей подготовки на поверхность вольфрама для снижения высокотемпературной коррозии наносят гальванические покрытия, например покрытие никелем, которое выполняют в электролите, содержащем 300 г/л сернокислого натрия, 37,5 г/л борной кислоты при плотности тока 0,5-11 А/дм 2 , температуре 65° С и рН = 4.

Еще в 16 веке был известен минерал вольфрамит, который в переводе с немецкого (Wolf Rahm ) означает «волчьи сливки». Такое название минерал получил в связи со своими особенностями. Дело в том, что вольфрам, который сопровождал оловянные руды, во время выплавки олова превращал его просто в пену шлаков, поэтому и говорили: «пожирает олово, как волк овцу». Спустя время, именно от вольфрамита и было унаследовано 74 химическим элементом периодической системы название вольфрам.

Характеристики вольфрама

Вольфрам является переходным металлом светло-серого цвета. Имеет внешнее сходство со сталью. В связи с обладанием достаточно уникальными свойствами, данный элемент является очень ценным и редким материалом, чистый вид которого в природе отсутствует. Вольфрам обладает:

• достаточно высокой плотностью, которая приравнивается к 19,3 г/см 3 ;
• высокой температурой плавления, составляющей 3422 0 С;
• достаточным электросопротивлением - 5,5 мкОм*см;
• нормальным показателем коэффициента параметра линейного расширения, равняющегося 4,32;
• наивысшей среди всех металлов температурой кипения, равняющейся 5555 0 С;
• низкой скоростью испарения, даже не смотря на температуры, превышающие 200 0 С;
• относительно низкой электропроводностью. Однако, это не мешает вольфраму оставаться хорошим проводником.

Все это делает вольфрам очень прочным металлом, который не поддается механическим повреждениям. Но наличие таких уникальных свойств не исключает присутствие недостатков, которые также есть у вольфрама. К ним относятся:

• высокая ломкость при воздействии на него очень низких температур;
• высокая плотность, что затрудняет процесс его обработки;
• низкая сопротивляемость кислотам при низких температурах.

Получение вольфрама

Вольфрам, наряду с молибденом, рубидием и рядом других веществ, входит в группу редких металлов, которые характеризуются очень малым распространением в природе. В связи с этим, его нельзя добыть традиционным способом, как многие полезные ископаемые. Таким образом, промышленное получение вольфрама состоит из следующих этапов:

• добычи руды, в составе которой содержится определенная доля вольфрама;
• организации надлежащих условий, в которых можно выделить металл от перерабатываемой массы;
• концентрации вещества в виде раствора или осадка;
• очистки получившегося в результате предыдущего этапа химического соединения;
• выделении чистого вольфрама.

Таким образом, чистое вещество из добытой руды, содержащей вольфрам, можно выделить несколькими способами.

1. В результате обогащения вольфрамовой руды гравитацией, флотацией, магнитной или электрической сепарацией. В процессе этого образуется вольфрамовый концентрат, на 55-65% состоящий из ангидрида (трехокиси) вольфрама WO 3 . В концентратах данного металла ведется контроль за содержанием примесей, в качестве которых могут выступать фосфор, сера, мышьяк, олово, медь, сурьма и висмут.
2. Как известно, трехокись вольфрама WO 3 является основным материалом для выделения металлического вольфрама или карбида вольфрама. Получение WO 3-- происходит в результате разложения концентратов, выщелачивания сплава или спека и др. В таком случае, на выходе образуется материал на 99,9% состоящий из WO 3 .
3. Из ангидрида вольфрама WO 3 . Именно путем восстановления данного вещества водородом или углеродом получают вольфрамовый порошок. Применения второго компонента для восстановительной реакции применяют реже. Это связано с насыщением в процессе реакции WO 3 карбидами, в результате чего металл теряет свою прочность и его становится тяжелее обработать. Вольфрамовый порошок получают особыми способами, благодаря которым становится возможным проводить контроль его химического состава, размеров и формы зерен, а также гранулометрического состава. Так, фракцию частиц порошка можно увеличить путем быстрого нарастания температуры или низкой скоростью подачи водорода.
4. Производство компактного вольфрама, который имеет вид штабиков или слитков и представляет собой заготовку для дальнейшего изготовления полуфабрикатов - проволоки, прутков, ленты и др.

Последний способ, в свою очередь, включает в себя два возможных варианта. Один из них связан с методами порошковой металлургии, а другой - с плавкой в электрических дуговых печах с расходуемым электродом.

Метод порошковой металлургии

В силу того, что благодаря данному способу можно равномернее распределить присадки, наделяющие вольфрам особыми его свойствами, он более популярен.

Он включает несколько этапов:

1. Металлический порошок прессуется в штабики;
2. Заготовки подвергаются спеканию при низких температурах (так называемое, предварительное спекание);
3. Сваривание заготовок;
4. Получение полуфабрикатов путем обработки заготовок. Реализация данного этапа осуществляется ковкой или механической обработкой (шлифовка, полировка). Стоит отметить, что механическая обработка вольфрама становится возможной только под воздействием высоких температур, в противном случае, его обработать невозможно.

При этом, порошок должен быть хорошо очищен с максимально допустимым процентным содержанием примесей до 0,05%.

Данный метод позволяет получить вольфрамовые штабики, имеющие квадратное сечение от 8х8 до 40х40 мм и длину в 280-650 мм. Стоит отметить, что в условиях комнатных температур они достаточно прочны, однако имеют повышенную хрупкость.

Плавка

Данный способ применяется, если необходимо получить вольфрамовые заготовки достаточно крупных габаритов - от 200 кг до 3000 кг. Такие заготовки, как правило, необходимы для проката, вытяжки труб, изготовления изделий путем литья. Для плавки необходимо создание специальных условий - вакуум или разреженная атмосфера водорода. На выходе образуются слитки вольфрама, обладающие крупнокристаллической структурой, а также высокой хрупкостью в связи с наличием большого количества примесей. Содержание примесей можно снизить за счет предварительной плавки вольфрама в электронно-лучевой печи. Однако, структура при этом остается неизменной. В связи с чем, для уменьшения размера зерна происходит дальнейшая плавка слитков, но уже в электрической дуговой печи. При этом, в процессе плавки к слиткам добавляются легирующие вещества, наделяющие вольфрам особыми свойствами.

Чтобы получить вольфрамовые слитки, имеющие мелкозернистую структуру, используют дуговую гарниссажную плавку с разливкой металла в изложницу.

Способ получения металла определяет наличие в нем присадок и примесей. Таким образом, сегодня производится несколько марок вольфрама.

Марки вольфрама

1. ВЧ - чистый вольфрам, в котором отсутствуют какие-либо присадки;
2. ВА - металл, имеющий в своем составе алюминиевую и кремнещелоную присадку, которые наделяют его дополнительными свойствами;
3. ВМ - металл, имеющий в своем составе ториевую и кремнещелочную присадку;
4. ВТ - вольфрам, в составе которого содержится оксид тория в качестве присадки, что существенно повышает эмиссионные свойства металла;
5. ВИ - металл, содержащий оксид иттрия;
6. ВЛ - вольфрам с окисью лантана, что также повышает эмиссионные свойства;
7. ВР - сплав рения и вольфрама;
8. ВРН - какие-либо присадки в металле отсутствуют, однако могут присутствовать примеси в больших объемах;
9. МВ - сплав вольфрама с молибденом, что существенно повышает прочность после отжига, сохраняя при этом пластичность.

Где применяется вольфрам?

Благодаря своим уникальным свойствам, 74 химический элемент стал незаменимым во многих промышленных отраслях.

1. Основное применение вольфрама - в качестве основы для производства тугоплавких материалов в металлургии.
2. С обязательным участием вольфрама производятся нити накаливания, являющиеся главным элементом приборов освещения, кинескопов, а также иных вакуумных труб.
3. Также данный металл лежит в основе производства тяжелых сплавов, используемых в качестве противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий.
4. Вольфрам является электродами при аргонно-дуговой сварке;
5. Его сплавы отличаются высокой устойчивостью к воздействиям различных температур, кислой среде, а также твердостью и устойчивостью к истиранию, в связи с чем применяются при производстве хирургических инструментов, брони танков, торпедных и снарядных оболочек, деталей самолетов и двигателей, а также контейнеров для хранения ядерных отходов;
6. Вакуумные печи сопротивления, температура в которых достигает предельно высоких величин, оборудованы нагревательными элементами, произведенными также из вольфрама;
7. Использование вольфрама популярно для обеспечения защиты от ионизирующего излучения.
8. Соединения вольфрама используются в качестве легирующих элементов, высокотемпературных смазок, катализаторов, пигментов, а также для преобразования тепловой энергии в электрическую (дителлурид вольфрама).

Какова плотность вольфрама? На чем основывается его применение? Будем искать ответы на поставленные вопросы вместе.

Положение в ПС

Данный химический элемент располагается в шестой группе периодической системы. Его порядковый номер 74, величина относительной атомной массы 183,85. Особые определяются его высокой температурой плавления. Он считается одним из В природном вольфраме содержится пять стабильных изотопов, которые имеют сходные массовые числа от 180 до 186.

Открытие элемента

Данный химический элемент был обнаружен в конце 18 века. К. Шееле удалось выделить его из минерала, в котором металл содержался в виде оксида. Долгое время вольфрам практически не имел промышленного применения, был не востребован. Только в середине 19 века металл начали применять как добавку при изготовлении прочной стали.

В земной коре данный элемент находится в незначительном количестве. В свободном виде не встречается, располагается только в виде минералов. В промышленных масштабах применяют его оксиды.

Физические свойства

19300 - это плотность вольфрама кг/м3 при нормальных условиях. Металл образует объемно-концентрическую кубическую решетку. Он имеет неплохой показатель теплоемкости. Высокий температурный коэффициент вольфрама объясняет его тугоплавкость. Температура плавления составляет 3380 градусов по шкале Цельсия. На механические свойства оказывает влияние его предварительная обработка. Учитывая, плотность вольфрама при 20 с 19, 3 г/см3, его можно довести до состояния монокристаллического волокна. Данное свойство используется при изготовлении из него проволоки. В условиях комнатной температуры вольфрам имеет незначительную пластичность.

Особенности вольфрама

Существенная плотность вольфрама придает данному металлу определенные свойства. У него достаточно невысокая скорость испарения, высокая точка кипения. По показателю вольфрам ниже аналогичного показателя меди в три раза. Именно большая плотность вольфрама ограничивает сферы его использования. Кроме того, на использовании сказывается его повышенная ломкость при низких температурах, неустойчивость к окислению кислородом воздуха при незначительных температурах.

По внешним характеристикам вольфрам имеет сходство со сталью. Он применяется для изготовления сплавов, характеризующихся повышенной прочностью. Обработка вольфрама осуществляется только при повышенной температуре.

Марки вольфрама

Не только плотность вольфрама, но и добавки, используемые в металлургии, отражаются на марке данного металла. Например, ВА предполагает смесь вольфрама с алюминием и кремнием. Для получаемой марки характерна повышенная температура начальной рекристаллизации, прочность после отжига.

ВЛ предполагает добавление к вольфраму в качестве присадки оксида лантана, повышающей эмиссионные свойства металла.

МВ - это сплав вольфрама и молибдена. Подобный состав повышает прочность, сохраняет пластичность металла после отжига.

Сфера использования вольфрама

Уникальные свойства данного металла предопределяют его применение. В промышленных объемах он используется и в чистом виде, и в качестве сплавов.

Вольфрам в быту используется в основном в электротехнических целях.

Именно он применяется как основной компонент (легирующий элемент) в процессе производства быстрорежущих сталей. В среднем содержание вольфрама составляет от девяти до двадцати процентов. Кроме того, он входит в состав инструментальных сталей.

Подобные вилы сталей применяют для изготовления фрез, сверл, пуансонов, штампов. Например, Р6М5 свидетельствуют о том, что сталь легирована кобальтом и молибденом. Кроме того, вольфрам содержится в которые подразделяют на вольфрамокобальтовые и вольфрамовые виды.

Вольфрам в быту в чистом виде практически не востребован. Карбид вольфрама представляет собой соединение этого металла с углеродом. Соединение отличается высокой твердостью, тугоплавкостью, а также износостойкостью. На базе карбида вольфрама изготавливают инструментальные производительные твердые сплавы, содержащие около 90 процентов вольфрама и около 10 процентов кобальта. Из твердых сплавов создают режущие части буровых и режущих инструментов.

Разновидности сталей на основе вольфрама

Износостойкие и основываются на тугоплавкости вольфрама. В промышленности распространены соединения вольфрама с хромом и кобальтом, которые называют стеллитами. Их путем наплавки наносят на изнашиваемые части деталей промышленных машин.

«Тяжелые» и контактные сплавы - это смеси вольфрама с серебром или с медью. Они считаются достаточно эффективными контактными материалами, поэтому применяются для производства рабочих деталей рубильников, электродов для осуществления точечной сварки, а также изготовления выключателей.

В виде проволоки, кованых изделий, ленты вольфрам используют в радиотехнике, в изготовлении электрических ламп, а также в рентгенотехнике. Именно этот металл считается лучшим материалом для создания спиралей и нитей накаливания.

Вольфрамовые прутки и проволока необходимы для изготовления электрических нагревателей для Нагреватели на основе вольфрама способны работать в атмосфере инертного газа, водорода, а также в вакууме.

Одной из важнейших отраслей использования вольфрама является сварка. Из него создают электроды, которые применяют для дуговой сварки. Получаемые электроды считаются неплавящимися.

Получение тугоплавкого металла

Сколько стоит вольфрам? Цена за кг находится в диапазоне от 900 до 1200 рублей. Его относят к группе редких металлических элементов. Кроме вольфрама сюда же причисляют рубидий, молибден. Редкие металлы имеют незначительные масштабы использования, учитывая их несущественное содержание в земной коре. Ни один из перечисленных металлов нельзя получить путем непосредственного восстановления из сырья. Для начала сырье перерабатывают на различные химические вещества. Отметим, что осуществляется и специальное дополнительное обогащение руд до их полноценной переработки.

В технологической цепочке получения редкого вольфрама выделяют три стадии. Сначала проводят разложение руды, отделяя извлекаемый металл от массы сырья, а также его концентрирование в осадке либо в растворе. Далее выполняется получение химически чистых соединений, проводится выделение, а также очистка химического вещества. На третьем этапе выделяют металл из очищенного от примесей оксида.

В качестве исходного сырья при изготовлении вольфрама выступает вольфрамит. Такая руда содержит около двух процентов чистого металла. Обогащение руды осуществляется путем флотации, гравитации, электромагнитной либо магнитной сепарации. После обогащения образуется вольфрамовый концентрат, в котором содержится около 65 процентов оксида вольфрама (6). Помимо металла, в таких концентратах содержатся примеси серы, меди, фосфора, мышьяка, висмута, сурьмы. Сколько стоит такой вольфрам? Цена за кг составляет около тысячи рублей. Чтобы изготовить вольфрамовый порошок, необходимо провести восстановление его ангидрида углеродом либо водородом.

В основном применяют метод гидрирования, так как углерод добавляет металлу хрупкости, негативно отражается на его обрабатываемости. Для изготовления вольфрамового порошка применяют специальные методы, которые позволяют анализировать состав, размер зерен, а также состав образуемых гранул.

Компактный водород в основном в виде слитков либо штабиков применяют как заготовки при изготовлении таких полуфабрикатов, как лента, проволока.

В настоящее время применяют две методики создания компактного вольфрама. Первый метод предполагает использование порошковой металлургии. По второй методике допускается применение дуговых электрических печей, предполагающих применение расходуемых электродов.

Самыми распространенными видами продукции, создаваемой из металлического вольфрама и имеющей особое значение, являются вольфрамовые прутки. Путем ковки их получают из штабиков на специальной ковочной машине. Применяют готовую продукцию в различных отраслях современной промышленности. К примеру, именно из них получают сварочные неплавящиеся электроды. Кроме того, вольфрамовые прутки применяют и при создании нагревателей. Они востребованы в газоразрядных приборах, электролампах.