Вольфрам: история открытия, основные особенности и область применения

Основные характеристики

Как самый тугоплавкий металл, вольфрам имеет специфические свойства:

• Температура плавления вольфрама — примерно соответствует температуре солнечной короны — 3422 °С.
• Вместе с этим, плотность чистого вольфрама ставит его в один ряд с наиболее плотными металлами. Его плотность практически равна плотности золота — 19,25 г/см3.
• Теплопроводность вольфрама зависит от температуры и составляет от 0,31 кал/см·сек·°С при 20°С до 0,26 кал/см·сек·°С при 1300°С.
• Теплоемкость также близка к золоту и составляет 0.15·103 Дж/(кг·К).

Металл имеет кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку. Несмотря на высокую твердость, вольфрам в нагретом состоянии очень пластичен и ковок, что позволяет изготавливать из него тонкую проволоку, имеющую широкое применение.

Вольфрамовая проволока

Имеет серебристо-серый цвет, который не меняется на открытом воздухе, поскольку вольфраму присуща высокая химическая стойкость, а с кислородом он реагирует только при температуре выше красного каления.

Химические свойства элемента, как правило, начинают проявляться при нагреве выше нескольких сотен градусов. В обычных условиях он не взаимодействует с большинством известных кислот, кроме смеси плавиковой и азотной кислот. В присутствии определенных окислителей может реагировать с расплавами щелочей. При этом для начала реакции требуется нагрев до температуры 400 — 500 °С, а далее реакция идет бурно, с выделением тепла.

Некоторые соединения, особенно карбид вольфрама, обладают очень высокой твердостью и находят применение в металлургическом производстве для обработки твердых сплавов.

Приведенные характеристики вольфрама определяют специфику областей применения металла, как в чистом виде, так и в составе различных сплавов и химических соединений. Вольфрам входит в состав многих жаростойких сплавов в качестве легирующей добавки для повышения твердости, температуры плавления и коррозионной стойкости. Близость плотности и теплоемкости вольфрама и золота теоретически может служить для подделки золотых слитков, однако это легко можно выявить при измерении электрического сопротивления и при переплавке золотого слитка.

Состав и свойства

Содержание основы колеблется, в зависимости от марки. В промышленно-торговой можно купить сплавы с W от 75% до 97% и выше. В любом вольфрамовом сплаве, независимо от его чистоты, присутствуют легирующие компоненты и примеси. Среди часто встречающихся – медь, железо, никель. Именно из них формируются марки ВНМ и ВНЖ, где буквы в маркировке указывают на название элемента. Помимо этого соединения могут содержать хром, молибден, кобальт, даже серебро и любые другие металлы.

Механические и химические свойства обуславливают преимущества сплавов. К плюсам можно отнести:

• Плотность тугоплавких сплавов достигает 16,5 г/см3.
• Твёрдость достигает показателей 20-42 HRC. Для каждой марки характерен свой диапазон показателей.
• Высокий предел прочности при растяжении – до 1200 МПа.
• Относительное удлинение зависит от условий, в которых будет применяться деталь и от требований, которые предъявляются к данному показателю. Для марок твёрдых сплавов на основе вольфрама характерен широкий диапазон – от 1/10% до 27%!
• Хорошая обрабатываемость, несмотря на прочность и плотность. В нашей компании вы можете заказать обмотку проволоки, резку прокатных изделий, легирование слитков, плавку в различных средах, выполнение отверстий в готовых деталях, волочение проволоки различного диаметра из давальческого сырья.
• Работа в повышенных и экстремальных температурах. Многие марки вольфрамовых сплавов можно увидеть в элементах нагревательных и плавильных печей, защитных экранах, установках для выращивания монокристаллов.

Добавляя в слав те или иные легирующие компоненты, можно добиться точных характеристик, улучшить разнообразные свойства.

Получение вольфрама

В чистом, самородном виде металл в природе не встречается. Большинство месторождений образовано оксидами. Содержание соединений в пересчете на чистый металл в рудном месторождении составляет 0.2 — 2%. Химическая стойкость и высокая температура плавления допускают получение вольфрама из руды только при использовании специфических методик.

Вольфрамовые прутки

В основе большинства методов промышленного получения вольфрама лежит восстановление металла из его оксида. Первая стадия производства состоит в обогащении вольфрамосодержащей руды. Затем при помощи операций выщелачивания и восстановления получают оксид WO3, который восстанавливают до чистого металла в атмосфере водорода. Температура процесса составляет около 700 °С.

В результате реакции получается тонкодисперсный металлический порошок. Высокая температура плавления не позволяет оформить металл в виде слитков, поэтому порошок вольфрама сначала прессуют под высоким давлением, а затем спекают в среде водорода, используя нагрев до температуры 1300 °С. Через полученные бруски пропускают мощный электрический ток. В результате высокого переходного сопротивления между зернами металла происходит нагрев и плавление заготовки.

Очистку полученного слитка производят методом зонной плавки, подобно технологии получения сверхчистых полупроводников. Производство вольфрама по данной технология позволяет получить металл высокой степени чистоты без дополнительных операций очистки.

При производстве сплавов, все составляющие добавляются еще перед стадией прессования порошка, поскольку в дальнейшем это сделать уже невозможно. В процессе прессовки, спекания и дальнейшей обработки заготовки (прессование, прокатка) обеспечивается равномерное распределение примесей в сплаве.

Вольфрам

Обработка вольфрама производится при температурах около полутора тысяч градусов. При таком нагреве металл становится очень пластичным и допускает ковку, штамповку. Тонкая проволока для спиралей ламп накаливания изготавливается методом волочения. При этом кристаллы металлы располагаются вдоль проволоки, повышая ее прочность. Поскольку к спиралям ламп предъявляются высоки требования по однородности, вольфрамовый провод дополнительно подвергают операциям электрохимического полирования.

Характеристики металла

Особенная плотность металла даёт ему необычные характеристики. У него довольно невысокая скорость испарения, высокая точка кипения. По значению электрической проводимости вещество обладает низкими показателями, в отличие от меди сразу в три раза. Именно большой показатель плотности вольфрама ограничивает области его применения. Кроме всего этого, на применение вещества сильно влияет его повышенный показатель ломкости при низкой температуре, неустойчивостью окислению кислородом воздуха при воздействии незначительной температуры.

По внешним особенностям вещество имеет сильные сходства со сталью. Оно используется для активного изготовления различных сплавов, которые характеризуются высокой прочностью. Процесс обработки вольфрама происходит только во время воздействия повышенных температур.

19 300 — это показатель плотность вольфрама кг/м 3 при нормальных условиях использования. Металл способен создавать объёмно-концентрическую кубическую решётку. Обладает неплохим показателем теплоёмкости. Высокий температурный показатель плавления, который доходит до отметки в 3380 градусов Цельсия. На механические особенности оказывает особое влияние его предварительная обработка. Если учитывать то, что плотность вольфрама 20 с 19,3 г/см3, то его можно легко довести до состояния монокристаллического волокна. Такое свойство следует применять во время получения из него особой проволоки. В условиях комнатной температуры металл обладает незначительным показателем пластичности.

Применение вольфрама

Большинство областей применения вольфрама используют такие его качества, как высокая температура плавления, плотность и пластичность. Вольфрам незаменим в следующих областях:

• Чистый вольфрам, это единственный металл, который применяется в нитях накаливания осветительных ламп, радиолампах, кинескопах и прочих электровакуумных приборах;
• В чистом виде и в составе сплавов используется при производстве сердечников подкалиберных бронебойных снарядов и пуль;
• Высокая плотность вольфрама позволяет изготавливать роторы малогабаритных гироскопов ракетной техники и космических аппаратов;
• Изготовление неплавящихся электродов при аргонно-дуговой сварке;
• Устройства защиты от ионизирующих излучений из вольфрама эффективнее, чем традиционные свинцовые. Использование вольфрама экономически выгодно, несмотря на более высокую стоимость, чем у свинца. Это вызвано тем, что расход вольфрама при тождестве технических характеристик изделия намного меньше.
• Изделия из вольфрама не нуждаются в защите от коррозии благодаря низкой химической активности при нормальных температурных условиях.

Сверла из вольфрама

Соединения вольфрама с углеродом более известны как «победит». Их высокая твердость используется в режущих напайках металлообрабатывающих инструментов — резцов, сверл, фрез. Инструменты с победитовыми напайками используются для обработки практически любых материалов, начиная от древесины, где почти не требуют периодической заточки, до любых пород камня. Для заточки победитовых инструментов требуются абразивы с самой высокой твердостью. В полной мере этому соответствуют алмазные и эльборовые абразивы имеющие самую высокую твердость среди всех известных.

Победитовые напайки крепятся к рабочим кромкам инструмента при помощи пайки медью. В качестве флюса используется бура.

Карбид вольфрама используется в ювелирных изделиях, в частности, в кольцах. Высокая твердость материала позволяет сохранить блеск изделия в течение всего срока службы.

Победит изготавливают порошковым методом, используя для скрепления кристаллом карбида вольфрама кобальт.

Производство и применение вольфрамовых твёрдых сплавов

Для получения вольфрамовых сплавов применимы лишь методы порошковой металлургии. В этом случае порошок при высокой температуре в специальных печах и определенной созданной среде спекаются. Далее под прессом формируются куски, слитки, штабики, в зависимости от требований к готовому продукту и этапов технологического процесса.

Чтобы выбрать наиболее подходящий вариант, важно ознакомиться с видами сплавов на основе вольфрама:

• Рений-вольфрам. Имеет более высокие показатели пластичности после термической обработки, чем чистый металл. При высоких температурах именно рений добавляет сплаву прочности, позволяя работать в экстремальных температурах. В промышленности из сплава изготавливают термопары для измерения темп. металлов в углеродной среде.
• Вольфрам-молибден. Из марки МВ-Мп производят горячекатаные листы, изделия для высокотемпературных печей. МВ-2-МП – обработанные либо экструдированные заготовки, тигли. МВ10-МП – марка, которая востребована при изготовлении распыляемых мишеней. Вольфрам-молибденовые сплавы идеальны для изготовления частей высокотемпературных печей и теплообменников, установок для отжига уранового топлива.
• Вольфрам-железо-никель. ВНЖ сплавы, несмотря на содержание W от 80% до 97%, имеют высокий коэффициент поглощения гамма-излучения, превосходя свинец. Поэтому из тяжёлых сплавов (ВНЖ-97,5, ВНЖ-95, ВНЖ 7-3) часто изготавливаются защитные контейнеры и транспортировочные кейсы для хранения, перевозки радиоактивных веществ. Сплавы с добавлением никеля и железа идут на изготовления сердечников снарядов, балансиров, деталей центрифуг.
• Медно-вольфрамовый сплав может состоять из двух химических элементов или содержать также никель. Самые распространённые марки в России – ВНМ 3-2, ВНМ 5-3, ВНМ 2-1, ВД-30, ВД-25, ВД-20. Используются в оборудовании постоянного контроля, защитных экранах, коллиматорах. Из сплавов создают электрические контакты, части снарядов в оборонной промышленности.

Изготовление сплавов и деталей на заказ

ООО «Новые Технологии» не только занимается производством прокатной и штампованной продукции из тяжелых тугоплавких сплавов. У нас можно заказать изготовление деталей по индивидуальным чертежам. Также предлагаем прием лома вольфрамовых сплавов на особо выгодных условиях. При заказе дополнительных услуг, выполняем лазерную резку, обмотку, штамповку любых изделий – нашего или стороннего производства. Нужна деталь, но нет чертежа? Обратитесь за помощью к нашим специалистам – разработаем чертежи и выпустим уникальные изделия именно для вашего предприятия!

Продукция из вольфрама

Промышленностью выпускается большое разнообразие вольфрамовой продукции. Наиболее распространены вольфрамовые электроды, проволока из вольфрама, вольфрамовый порошок, штабик, лист. Электроды из вольфрама являются неплавящимися и используются для сварки цветных металлов, высоколегированных сталей, материалов разного химического состава. Они обеспечивают высокую прочность сварного шва. Из вольфрамовой проволоки изготовляют нагреватели, спирали для ламп накаливания. Проволока вольфрам рениевая (термоэлектродная проволока) применяется для изготовления термопар, с помощью которых можно измерять высокие температуры. Порошок вольфрама является основой многих жаропрочных сталей и сплавов и твердых сплавов. Так, например, данный порошок является основой твердого вольфрам-кобальтового сплава ВК8.

История открытия вольфрама

Вольфрам был открыт знаменитым шведским химиком Карлом Шееле. Аптекарь по профессии, Шееле в своей маленькой лаборатории провел много замечательных исследований. Он открыл кислород, хлор, барий, марганец. Незадолго до смерти, в 1781 году, Шееле — к этому времени уже член Стокгольмской Академии наук — обнаружил, что минерал тунгстен (впоследствии названный шеелитом) представляет собой соль неизвестной тогда кислоты. Спустя два года испанские химики братья д’Элуяр, работавшие под руководством Шееле, сумели выделить из этого минерала новый элемент — вольфрам, которому суждено было произвести переворот в промышленности. Однако это произошло через целое столетие.

Физические свойства вольфрама