Свойства вольфрама

Вольфрам – это металл. Его нет в воде морей, нет в воздухе, да и в земной коре всего 0,0055%. Таков вольфрам, элемент , стоящий на 74-ой позиции в . Для промышленности его «открыла» Всемирная выставка во французской столице. Она состоялась в 1900-ом году. В экспозиции была представлена сталь с добавлением вольфрама .

Состав был настолько тверд, что мог разрезать любой материал. оставался «непобедимым» даже при температурах в тысячи градусов, поэтому был назван красностойким. Производители разных государств, посетившие выставку, взяли разработку на вооружение. Производство лигированной стали приобрело мировой масштаб.

Интересно, что сам элемент обнаружили еще в 18-ом веке. В 1781-ом Швед Шеелер проводил опыты с минералом тунгстен. Химик решил поместить его в азотную кислоту. В продуктах разложения ученый и обнаружил неизвестный металл серого цвета с серебристым отливом. Минерал, над которым проводились опыты, позже переименовали в шеелит, а новый элемент назвали вольфрам .

Однако, на изучение его свойств ушло немало времени, поэтому и достойное применение металлу нашли гораздо позже. Название же выбрали сразу. Слово вольфрам существовало и раньше. Испанцы называли так один из минералов, встречавшихся на месторождениях страны.

В состав камня, действительно входил элемент №74. Внешне металл порист, как будто вспенен. Поэтому пришлась кстати еще одна аналогия. В немецком языке вольфрам буквально означает «волчья пена».

Температура плавления металла соперничает с водородом, а он – самый стойкий к температурам элемент. Поэтому, и установить показатель размягчения вольфрама не могли целых сто лет. Не было печей, способных накаляться до нескольких тысяч градусов.

Когда же «выгоду» серебристо-серого элемента «раскусили», его начали добывать в промышленных масштабах. Для выставки 1900-го года, металл извлекли по старинке с помощью азотной кислоты. Впрочем, фольфрам и сейчас так добывают.

Добыча вольфрама

Чаще всего, сначала получают из отходов руд триоксид вещества. Его, при 700 градусах обрабатывают, получая чистый металл в виде пыли. Чтобы размягчить частицы приходится прибегать как раз к водороду. В нем-то вольфрам переплавляют при трех тысячах градусов Цельсия.

Сплав идет на резцы, труборезы, фрезы. для обработки металлов с применением вольфрама повышают точность изготовления деталей. При воздействии на металлические поверхности высоко трение, а это значит, что рабочие плоскости сильно нагреваются. Режущие и полирующие станки без элемента №74 могут и сами оплавится. Это делает срез неточным, несовершенным.

Вольфрам не только сложно расплавить, но и обработать. В шкале твердости металл занимает девятую позицию. Столько же баллов у корунда, из крошек которого делают, к примеру, нождачку. Тверже только алмаз. Поэтому, с его помощью вольфрам и обрабатывают.

Применение вольфрама

«Непоколебимость» 74-го элемента привлекает . Изделия из сплавов с серо-серебристым металлом невозможно поцарапать, согнуть, поломать, если, конечно, не скрести по поверхности или теми же бриллиантами.

У ювелирных украшений из фольфрама есть и еще один бесспорный плюс. Они не вызывают аллергических реакций, в отличие от золота, серебра, платины и, уж тем более, их сплавов с или . Для украшений используют карбид вольфрама, то есть его соединение с углеродом.

Оно признано самым твердым сплавом в истории человечества. Его отполированная поверхность прекрасно отражает свет. Ювелиры называют ее «серым зеркалом».

Кстати, ювелирных дел мастера обратили внимание на вольфрам после того, как из этого вещества в середине 20-го столетия стали изготавливать сердцевины пуль, снарядов и пластины для бронежилетов.

Жалобы клиентов на ломкость высших проб и серебряных украшений, заставили ювелиров вспомнить о новом элементе и попытаться его применить в своей отрасли. К тому же, цены на стали колебаться. Вольфрам стал альтернативой желтому металлу, который перестали воспринимать, как предмет капиталовложения.

Будучи драгоценным металлом, вольфрам стоит немалых денег. За килограмм просят не меньше 50-ти долларов на оптовом рынке. В год мировая промышленность затрачивает 30 тысяч тонн элемента №74. Более 90% поглощает металлургическая отрасль.

Только из вольфрама изготавливают контейнеры для хранения отходов ядерного производства. Металл не пропускает губительные лучи. Редкий элемент добавляют в сплавы для изготовления хирургических инструментов.

То, что не идет на металлургические цели, забирает химическая промышленность. Соединения вольфрама с фосфором, к примеру, — основа лаков и красок. Они не разрушаются, не тускнеют от солнечных лучей.

А раствор вольфромата натрия не поддается влаге и огню. Становится ясно, чем пропитывают водонепроницаемые и огнеупорные ткани для костюмов водолазов и пожарных.

Месторождения вольфрама

В России несколько месторождений вольфрама. Они расположены на Алтае, Дальнем Востоке, Северном Кавказе, Чукотки и в Бурятии. За пределами страны металл добывают в Австралии, США, Боливии, Португалии, Южной Кореи и КНР.

В Поднебесной даже есть легенда о молодом исследователе, который приехал в Китай искать оловянный камень. Студент поселился в одном из домов Пекина.

После бесплодных поисков, парень любил послушать рассказы дочери хозяина жилища. В один из вечеров она поведала историю темных камней, из которых была сложена домашняя печь. Оказалось, что глыбы падают со скалы на задний двор строения. Так, студент не нашел , зато, отыскал вольфрам.

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.

Таблица 1. Свойства вольфрама

Характеристика	Значение
Свойства атома
Название, символ, номер	Вольфра́м / Wolframium (W), 74
Атомная масса (молярная масса)	183,84(1) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	4f14 5d4 6s2
Радиус атома	141 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	170 пм
Радиус иона	(+6e) 62 (+4e) 70 пм
Электроотрицательность	2,3 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	W ← W3+ 0,11 ВW ← W6+ 0,68 В
Степени окисления	6, 5, 4, 3, 2, 0
Энергия ионизации (первый электрон)	769,7 (7,98) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	19,25 г/см³
Температура плавления	3695 K (3422 °C, 6192 °F)
Температура кипения	5828 K (5555 °C, 10031 °F)
Уд. теплота плавления	285,3 кДж/кг 52,31 кДж/моль
Уд. теплота испарения	4482 кДж/кг 824 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	24,27 Дж/(K·моль)
Молярный объём	9,53 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированная
Параметры решётки	3,160 Å
Температура Дебая	310 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 162,8 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-33-7

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.

В статье “Вольфрам. Свойства, применение, производство, продукция” подробно рассматривается тугоплавкий металл вольфрам. Описаны свойства вольфрама, указаны области его применения. Также перечислены различные марки вольфрама с указанием их особенностей.

Статья освещает процесс производства вольфрама от стадии обогащения руды до стадии получения заготовок в виде штабиков и слитков. Отмечаются характерные особенности каждой стадии.

Особое внимание в статье уделяется продукции (проволока, прутки, листы и др.). Описаны процессы изготовления той или иной продукции из вольфрама, ее характерные особенности и области применения.

Глава 1. Вольфрам. Свойства и области применения вольфрама

Вольфрам (обозначается W) - химический элемент VI группы 6-го периода таблицы Д.И. Менделеева, имеет номер 74; переходный металл светло-серого цвета. Самый тугоплавкий металл, имеет температуру плавления t пл = 3380 °С. С точки зрения применения металла вольфрам его наиболее важными свойствами являются плотность, температура плавления, электрическое сопротивление, коэффициент линейного расширения.

§1. Свойства вольфрама

Свойство	Значение
Физические свойства
Атомный номер	74
Атомная масса, а.е.м. (г/моль)	183,84
Атомный диаметр, нм	0,274
Плотность, г/см 3	19,3
Температура плавления, °С	3380
Температура кипения, °С	5900
Удельная теплоемкость, Дж/(г К)	0,147
Теплопроводность, Вт/(м K)	129
Электрическое сопротивление, мкОм см	5,5
Коэффициент линейного термического расширения, 10 -6 м/мК	4,32
Механические свойства
Модуль Юнга, ГПа	415,0
Модуль сдвига, ГПа	151,0
Коэффициент Пуассона	0,29
Временное сопротивление σ B , МПа	800-1100
Относительное удлинение δ, %	0

Металл отличается очень высокой точкой кипения (5900 °С) и весьма малой скоростью испарения даже при температуре 2000 °С. Электропроводность вольфрама почти в три раза ниже электропроводности меди. К свойствам, ограничивающим сферу применения вольфрама, можно отнести большую плотность, высокую склонность к ломкости при низких температурах, малое сопротивление окислению при невысоких температурах.

По внешнему виду вольфрам похож на сталь. Применяется для создания сплавов с высокой прочностью. Обработке (ковке, прокатке и волочению) вольфрам поддается только при нагреве. Температура нагрева зависит от типа обработки. Например, ковка прутков проводится при нагреве заготовки до 1450-1500 °С.

§2. Марки вольфрама

Марка вольфрама	Характеристика марки	Цель введения присадки
ВЧ	Вольфрам чистый (без присадок)	-
ВА	Вольфрам с кремнещелочной и алюминиевой присадками	Повышение температуры первичной рекристализации, прочности после отжига, формоустойчивости при высоких температурах
ВМ	Вольфрам с кремнещелочной и ториевой присадками	Повышение температуры рекристализации и увеличение прочности вольфрама при высоких температурах
ВТ	Вольфрам с присадкой окиси тория
ВИ	Вольфрам с присадкой окиси иттрия	Повышение эмиссионных свойств вольфрама
ВЛ	Вольфрам с присадкой окиси лантана	Повышение эмиссионных свойств вольфрама
ВР	Сплав вольфрама и рения	Увеличение пластичности вольфрама после высокотемпературной обработки, повышение температуры первичной рекристаллизации, прочности при высоких температурах, удельного электросопротивления и т.э.д.с.
ВРН	Вольфрам без присадки, в котором допускается повышенное содержание примесей	-
МВ	Сплавы молибдена и вольфрама	Повышение прочности молибдена при сохранении пластичности после отжига

§3. Области применения вольфрама

Вольфрам получил широкое применение благодаря своим уникальным свойствам. В промышленности вольфрам используется в виде чистого металла и в ряде сплавов.

Основные направления применения вольфрама
1. Специальные стали
Вольфрам используется в качестве одного из основных компонентов или легирующего элемента при производстве быстрорежущих сталей (содержат 9-24% вольфрама W), а также инструментальных сталей (0,8-1,2% вольфрама W - вольфрамовые инструментальные стали; 2-2,7% вольфрама W - хромвольфрамкремнистые инструментальные стали (также содержат хром Cr и кремний Si); 2-9% вольфрама W - хромвольфрамовые инструментальные стали (также содержат хром Cr); 0,5-1,6% вольфрама W - хромвольфраммарганцевые инструментальные стали (также содержат хром Cr и марганец Mn). Из перечисленных сталей изготовляют сверла, фрезы, пуансоны, штампы и др. В качестве примеров быстрорежущих сталей можно привести Р6М5, Р6М5К5, Р6М5Ф3. Буква “Р” означает, что сталь быстрорежущая, буквы “М” и “К” - что сталь легирована молибденом и кобальтом соответственно. Также вольфрам входит в состав магнитных сталей, которые делятся на вольфрамовые и вольфрамкобальтовые.

2. Твердые сплавы на основе карбида вольфрама
Карбид вольфрама (WC, W 2 C) - соединение вольфрама с углеродом (см. ). Он имеет высокую твердость, износостойкость и тугоплавкость. На его основе созданы самые производительные инструментальные твердые сплавы, которые содержат 85-95% WC и 5-14% Co. Из твердых сплавов изготовляют рабочие части режущих и буровых инструментов.

3. Жаропрочные и износостойкие сплавы
Данные сплавы используют тугоплавкость вольфрама. Распространенность получили сплавы вольфрама с кобальтом и хромом - стеллиты (3-5% W, 25-35% Cr, 45-65% Co). Их, обычно, с помощью наплавки наносят на поверхности сильно изнашивающихся деталей машин.

4. Контактные сплавы и “тяжелые сплавы”
К этим сплавам относятся сплавы вольфрама с медью и вольфрама с серебром. Это достаточно эффективные контактные материалы для изготовления рабочих частей рубильников, выключателей, электродов для точечной сварки и др.

5. Электровакуумная и электроосветительная техника
Вольфрам в виде проволоки, ленты и различных кованых деталей применяют в производстве электроламп, радиоэлектронике и рентгенотехнике. Вольфрам - лучший материал для нитей и спиралей накаливания. Вольфрамовая проволока и прутки служат электронагревателями для высокотемпературных печей (до ~3000 °С). Вольфрамовые нагреватели работают в атмосфере водорода, инертного газа или вакууме.

6. Сварочные электроды
Очень важной сферой применения вольфрама является сварка. Из вольфрама изготавливают электроды для дуговой сварки (см. ). Вольфрамовые электроды являются неплавящимися.

Глава 2. Производство вольфрама

§1. Процесс получения тугоплавкого металла вольфрам

Вольфрам принято относить к широкой группе редких металлов. Помимо данного металла в эту группу входят молибден, рубидий и другие. Для редких металлов характерны сравнительно небольшие масштабы производства и потребления, а также малая распространенность в земной коре. Ни один редкий металл не получают непосредственным восстановлением из сырья. Сначала сырье перерабатывается на химические соединения. Кроме того, все редкометаллические руды подвергаются дополнительному обогащению перед переработкой.

В процессе получения редкого металла можно выделить три основных стадии:

• Разложение рудного материала - отделение извлекаемого металла от основной массы перерабатываемого сырья и концентрирование его в растворе или осадке.
• Получение чистых химических соединений - выделение и очистка химического соединения.
• Выделение металла из полученного соединения - получение чистых редких металлов.

Процесс получения вольфрама также имеет несколько стадий. Исходным сырьем являются два минерала - вольфрамит (Fe, Mn)WO 4 и шеелит CaWO 4 . Богатые вольфрамовые руды обычно имеют в своем составе 0,2 - 2 % вольфрама.

• Обогащение вольфрамовой руды. Оно производится с помощью гравитации, флотации, магнитной или электростатической сепарации. В результате обогащения получают вольфрамовый концентрат, содержащий 55 - 65 % ангидрида (трехокиси) вольфрама WO 3 . В вольфрамовых концентратах контролируется содержание примесей - фосфора, серы, мышьяка, олова, меди, сурьмы и висмута.
• Получение трехокиси (ангидрида) вольфрама WO 3 , который служит исходным сырьем для производства металлического вольфрама или его карбида. Для этого необходимо выполнить ряд действий, таких, как разложение концентратов, выщелачивание сплава или спека, получение технической вольфрамовой кислоты и др. В итоге должен получиться продукт, содержащий 99,90 - 99,95 % WO 3 .
• Получение вольфрамового порошка. Чистый металл в виде порошка может быть получен из ангидрида вольфрама WO 3 . Для этого проводят процесс восстановления ангидрида водородом или углеродом. Восстановление углеродом применяется реже, так как при данном процессе WO 3 насыщается карбидами, что делает металл более хрупким и ухудшает обрабатываемость. При получении вольфрамового порошка используют специальные методы, позволяющие контролировать его химический состав, размер и форму зерен, гранулометрический состав. Например, быстрое нарастание температуры, малая скорость подачи водорода способствуют увеличению размера частиц порошка.
• Получение компактного вольфрама. Компактный вольфрам, как правило, в виде штабиков или слитков является заготовкой для производства полуфабрикатов, таких, как проволока, пруток, лента и так далее.

§2. Получение компактного вольфрама

Существуют два способа получения компактного вольфрама. Первый заключается в применении методов порошковой металлургии. Второй - с помощью плавки в электрических дуговых печах с расходуемым электродом.

Методы порошковой металлургии
Данный способ получения ковкого вольфрама является наиболее распространенным, так как позволяет более равномерно распределять присадки, которые придают вольфраму специальные свойства (жаропрочность, эмиссионные свойства и другие).

Процесс получения компактного вольфрама данным способом состоит из нескольких стадий:

• прессование штабиков из металлического порошка;
• низкотемпературное (предварительное) спекание заготовок;
• спекание (сварка) заготовок;
• обработка заготовок с целью получения полуфабрикатов - вольфрамовой проволоки, ленты, вольфрамовых прутков; обычно заготовки обрабатывают под давлением (ковкой) или подвергают механической обработке резанием (например, шлифование, полирование).

К вольфрамовому порошку предъявляются специальные требования. Используют порошки, восстановленные только водородом и содержащие не более 0,05% примесей.

С помощью описанного метода порошковой металлургии получают вольфрамовые штабики квадратного сечения от 8х8 до 40х40 мм и длиной 280-650 мм. При комнатной температуре они имеют хорошую прочность, но при этом очень хрупки. Стоит заметить, что прочность и хрупкость (противоположное свойство - пластичность) относятся к разным группам свойств. Прочность - механическое свойство материала, пластичность - технологическое. Пластичность определяет пригодность материала для ковки. Если материал плохо поддается ковке, то он является хрупким. Для улучшения пластичности вольфрамовые штабики подвергаются ковке в нагретом состоянии.

Однако, описанным выше способом нельзя изготовить крупногабаритные заготовки большой массы, что является существенным ограничением. Для получения крупногабаритных заготовок, масса которых достигает нескольких сот килограмм применяют гидростатическое прессование. Данный метод позволяет получать заготовки цилиндрического и прямоугольного сечения, трубы и другие изделия сложной формы. При этом они имеют равномерную плотность, не содержат трещин и прочих дефектов.

Плавка
Плавка используется для получения компактного вольфрама в виде крупногабаритных заготовок (от 200 до 3000 кг), предназначенных для проката, вытяжки труб, производства изделий методом литья. Осуществляется плавка в электрических дуговых печах с расходуемым электродом и/или электронно-лучевая плавка.

При дуговой плавке в качестве электродов служат пакеты спеченных штабиков или спеченные заготовки гидростатического прессования. Плавка осуществляется в вакууме или разреженной атмосфере водорода. В результате получаются вольфрамовые слитки. Слитки вольфрама имеют крупнокристаллическую структуру и повышенную хрупкость, что вызвано высоким содержанием примесей.

Для уменьшения содержания примесей вольфрам изначально плавят в электронно-лучевой печи. Но после данного типа плавки вольфрам также имеет крупнокристаллическую структуру. Поэтому затем с целью уменьшения размера зерна полученные слитки подвергают плавке в электрической дуговой печи, добавляя небольшие количества карбидов циркония или ниобия, а также легирующие элементы для придания специальных свойств.

Для получения мелкозернистых слитков вольфрама, а также изготовления деталей методом литья применяется дуговая гарниссажная плавка с разливкой металла в изложницу.

Глава 3. Продукция из вольфрама. Прутки, проволока, полосы, порошок

§1. Вольфрамовые прутки

Производство
Вольфрамовые прутки - один из самых распространенных видов продукции из тугоплавкого металла вольфрам. Исходным материалом для производства прутков является штабик.

Для получения вольфрамовых прутков штабик подвергают ковке на ротационной ковочной машине. Ковка осуществляется в нагретом состоянии, так как при комнатной температуре вольфрам очень хрупкий. Можно выделить несколько этапов ковки. На каждом следующем этапе получают прутки меньшего диаметра, чем на предыдущем.

При первой ковке можно получить вольфрамовые прутки диаметром до 7 мм (при условии, что штабик имеет длину стороны 10-15 см). Ковку осуществляют при температуре заготовки 1450-1500 °С. В качестве материала нагревателя обычно используется молибден. После второй ковки получают прутки диаметром до 4,5 мм. Ее производят при температуре штабика 1300-1250 °С. При дальнейшей ковке получают вольфрамовые прутки диаметром до 2,75 мм. Стоит отметить, что вольфрамовые прутки марок ВТ, ВЛ и ВИ получают при более высокой температуре, чем прутки марок ВА и ВЧ.

Если в качестве исходной заготовки используют слитки из вольфрама, которые получают путем плавки, то горячую ковку не осуществляют. Это связано с тем, что данные слитки имеют грубую крупнокристаллическую структуру, и их горячая ковка может привести к образованию трещин и разрушению.

В таком случае вольфрамовые слитки подвергают двойному горячему прессованию (степень деформации около 90%). Первое прессование производится при температуре 1800-1900 °С, второе - 1350-1500 °С. Затем заготовки подвергают горячей ковке для получения прутков из вольфрама.

Применение
Вольфрамовые прутки нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Одно из наиболее распространенных применений - неплавящиеся сварочные электроды. Для таких целей подходят прутки из вольфрама марок ВТ, ВИ, ВЛ. Также вольфрамовые прутки марок ВА, ВР, МВ используются в качестве нагревателей. Нагреватели из вольфрама работают в печах до 3000 °С в атмосфере водорода, инертного газа или в вакууме. Прутки из вольфрама могут служить катодами радиоламп, электронных и газоразрядных приборов.

§2. Вольфрамовые электроды

Дуговая сварка
Сварочные электроды являются одними из важнейших компонентов, необходимых для сварки. Наиболее широко они применяются при дуговой сварке. Она относится к термическому классу сварки, в котором плавление осуществляется за счет термической энергии. Дуговая сварка (ручная, полуавтоматическая и автоматическая) является наиболее распространенным технологическим процессом сварки. Тепловая энергия создается вольтовой дугой, которая горит между электродом и изделием (деталью, заготовкой). Дуга - мощный стабильный электрический разряд в ионизированной атмосфере газов, паров металла. Электрод подводит электрический ток к месту сварки, чтобы получить дугу.

Сварочные электроды
Сварочный электрод - проволочный стержень с нанесенным на него покрытием (или без покрытия). Существует большое количество разнообразных электродов для сварки. Они различаются по химическому составу, длине, диаметру, определенный тип электродов подходит для сварки определенных металлов и сплавов и. т.д. Разделение электродов сварочных на плавящиеся и неплавящиеся является одним из важнейших видов их классификации.

Плавящиеся сварочные электроды расплавляются в процессе сварки, их металл вместе с расплавленным металлом свариваемой детали идет на пополнение сварочной ванны. Такие электроды выполняют из стали и меди.

Неплавящиеся электроды не расплавляются во время сварки. К данному типу можно отнести угольные и вольфрамовые электроды. При сварке с использованием неплавящихся вольфрамовых электродов необходима подача присадочного материала (обычно это сварочная проволока или пруток), который расплавляется и вместе с расплавленным материалом свариваемой детали образует сварочную ванну.

Также, электроды для сварки бывают покрытые и непокрытые. Покрытие имеет важную роль. Его составляющие могут обеспечить получение металла швов заданных состава и свойств, стабильное горения дуги, защиту расплавленного металла от воздействия воздуха. Соответственно составляющие покрытия могут быть легирующими, стабилизирующими, газообразующими, шлакообразующими, раскисляющими, а само покрытие - кислым, рутиловым, основным или целлюлозным.

Сварочные вольфрамовые электроды
Как было отмечено ранее вольфрамовые электроды являются неплавящимися и при сварке используются вместе с присадочной проволокой. Данные электроды, в основном, применяются для сварки цветных металлов и их сплавов (вольфрамовый электрод с присадкой циркония), высоколегированных сталей (вольфрамовый электрод с присадкой тория ЭВТ), а также вольфрамовый электрод хорошо подходит для получения сварного шва повышенной прочности, причем свариваемые детали могут быть разного химического состава.

Довольно распространенной является сварка с использованием вольфрамовых электродов в среде аргона. Данная среда положительно влияет на процесс сварки и качество сварного шва. Вольфрамовые электроды могут быть сделаны из чистого вольфрама или содержать различные присадки, которые улучшают качество процесса сварки и сварного шва. Особенностью неплавящихся сварочных электродов из чистого вольфрама (например, вольфрамовый электрод марки ЭВЧ) является не очень хорошая зажигаемость дуги.

Зажигание дуги проходит в три этапа:

• короткое замыкание электрода на заготовку;
• отвод электрода на незначительное расстояние;
• возникновение устойчивого дугового разряда.

Для улучшения зажигаемости дуги и достижения высокой стабильности дуги во время сварки в электроды из вольфрама добавляют цирконий. Торирование (вольфрамовый электрод ЭВТ-15) также улучшает зажигаемость дуги и увеличивает срок службы сварочных электродов. Добавление в вольфрамовые электроды иттрия (вольфрамовый электрод ЭВИ-1, ЭВИ-2, ЭВИ-3) позволяет использовать их в различных токовых средах. Например, может быть дуга переменного или постоянного тока. В первом случае сварочная дуга питается от источника переменного тока. Различают однофазное и трехфазное питание дуги. Во втором - от источника постоянного тока.

Аргонодуговая сварка (Дуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде аргона) Данный вид сварки хорошо зарекомендовал себя при сваривании цветных металлов таких, как молибден, титан, никель, а также высоколегированных сталей. Это разновидность дуговой сварки, где источником высокой температуры, необходимой для создания сварочной ванны, является электрический ток. В данном виде аргонодуговой сварки основными элементами являются вольфрамовый электрод и инертный газ аргон. Аргон во время сварки подается на вольфрамовый электрод и защищает его, зону дуги и сварочную ванну от атмосферной газовой смеси (азот, водород, углекислый газ). Данная защита намного повышает качественные характеристики сварного шва, а также предохраняет сварочные вольфрамовые электроды от быстрого сгорания в среде воздуха. Газ аргон может применяться при сварке большого количества металлов и сплавов, так как он является инертным.

Стандарты для вольфрамовых электродов
В России неплавящиеся вольфрамовые электроды производятся в соответствии с требованиями стандартов и технических условий. Среди них: ГОСТ 23949-80 “Электроды вольфрамовые сварочные неплавящиеся. Технические условия”; ТУ 48-19-27-88 “Вольфрам лантанированный в виде прутков. Технические условия”; ТУ 48-19-221-83 “Прутки из иттрированного вольфрама марки СВИ-1. Технические условия”; ТУ 48-19-527-83 “Электроды вольфрамовые сварочные неплавящиеся ЭВЧ и ЭВЛ-2. Технические условия”.

§3. Вольфрамовая проволока

Производство
Вольфрамовая проволока - один из самых распространенных видов продукции из данного тугоплавкого металла. Исходным материалом для ее изготовления являются кованые вольфрамовые прутки диаметром 2,75 мм.

Волочение проволоки производится при температуре 1000 °С в начале процесса и 400-600 °С - в конце. При этом нагревается не только проволока, но и фильера. Нагрев осуществляется пламенем газовой горелки или электрическим нагревателем.

Волочение проволоки диаметром до 1,26 мм ведут на прямолинейном цепном волочильном стане, в пределах диаметра 1,25-0,5 мм - на блочном стане с диаметром катушки ~1000 мм, диаметра 0,5-0,25 - на машинах однократного волочения.

В результате ковки и волочения структура заготовки превращается в волокнистую, которая состоит из осколков кристаллов, вытянутых вдоль оси обработки. Такая структура приводит к резкому повышению прочности проволоки из вольфрама.

После волочения вольфрамовая проволока покрыта графитовой смазкой. Поверхность проволоки необходимо очистить. Очистку производят с помощью отжига, химического или электролитического травления, электролитической полировки. Полировка может увеличить механическую прочность вольфрамовой проволоки на 20-25%.

Применение
Вольфрамовая проволока используется для изготовления элементов сопротивления в нагревательных печах, работающих в атмосфере водорода, нейтрального газа или в вакууме при температурах до 3000 °С. Также проволока из вольфрама служит для производства термопар. Для этого используются вольфрам-рениевый сплав с 5% рения и вольфрам-рениевый сплав с 20% рения (ВР 5/20 ).

В ГОСТ 18903-73 “Проволока вольфрамовая. Сортамент” указаны области применения проволоки марок ВА, ВМ, ВРН, ВТ-7, ВТ-10, ВТ-15. Вольфрамовая проволока ВА в зависимости от группы, состояния поверхности и металла, диаметра применяется для изготовления спиралей ламп накаливания и других источников света, спиралеобразных катодов и подогревателей электронных приборов, пружин полупроводниковых приборов, петлевых подогревателей, неспиралеобразных катодов, сеток, пружин электронных приборов. Проволока марки ВРН применяется при получении вводов, траверсов и других деталей приборов, не требующих применения вольфрама со специальными присадками.

§4. Вольфрамовый порошок

Чистый вольфрамовый порошок служит исходным сырьем для производства компактного вольфрама (см. ). Карбид вольфрама WC, котрый по внешнему виду также представляет из себя порошок, используют для изготовления твердых сплавов.

В зависимости от назначения порошки вольфрама различают по средней величине частиц, набору зерен и другим параметрам.

Основная примесь в вольфрамовых порошках - кислород (0,05 - 0,3%). Металлические примеси содержатся в вольфрамовых порошках в очень малых количествах. Часто в порошки вольфрама вводят присадки из других металлов, которые улучшают определенные свойства конечного продукта. В качестве присадок часто используют алюминий, торий, лантан и другие.

Вольфрамовый порошок ВА, который применяется для изготовления проволоки, содержит равномерно распределенную кремнещелочную и алюминиевую присадки (0,32% K 2 O; 0,45% SiO 2 ; 0,03% Al 2 O 3), порошок из тугоплавкого металла вольфрам марки ВТ - присадку окиси тория (0,7 - 5%), ВЛ - присадку оскиси лантана (~1% La 2 O 3), ВИ - присадку окиси иттрия (~3% Y 2 O 3), ВМ - кремнещелочную и ториевую присадки (0,32% K 2 O; 0,45% SiO 2 ; 0,25% ThO 2).

§5. Вольфрамовые полосы (листы, ленты, фольга, пластины)

Производство
Как правило, плоский прокат из вольфрама - листы, ленты, пластины, фольга - получают применением двух операций - плоская ковка и прокатка. В качестве заготовки используются вольфрамовые штабики различных размеров.

Сначала штабики из вольфрама подвергаются плоской ковке пневматическим молотом. Ковку ведут при температуре 1500-1700 °С, которая по мере деформации уменьшается до 1200-1300 °С. Операция ковки продолжается до получения поковки толщиной 8-10 мм (при сечении штабика 25х25 мм) или 4-5 мм (при сечении штабика 12х12 мм).

Затем полученные поковки подвергают прокатке на прокатных станах. В начале процесса прокатки заготовки нагревают до 1300-1400 °С, затем понижают температуру до 1000-1200 °С. С помощью горячей прокатки получают вольфрамовые листы, ленты и пластины толщиной до 0,6 мм. Для получения листов, лент и пластинок меньшего размера проводят холодную прокатку. Для получения тонких листов из вольфрама толщиной до 0,125 мм и ленты (фольги) толщиной 0,02-0,03 мм применяют прокатку в пакетах. Пакет состоит из нескольких вольфрамовых лент равной толщины и более толстых молибденовых пластин, которые лежат поверх лент из вольфрама. Молибденовые пластины более пластичны и быстрее деформируются, чем вольфрамовые. В результате во время прокатки они становятся тоньше, чем вольфрамовые ленты. Через один или несколько переходов молибденовые пластины приходится заменять новыми так, чтобы толщина пакета оставалась приблизительно постоянной. Стоит отметить, что целью данного процесса является изготовление именно тонкой вольфрамовой ленты (фольги). Молибденовые пластины здесь являются расходным материалом, который необходим для осуществления прокатки в пакетах.

Заготовками для вольфрамовой ленты, пластин и листов также могут служить слитки из вольфрама, которые получают методом плавки (см. ). Слитки предварительно прессуют. Из слитков диаметром 70-80 мм прессованием получают прямоугольные заготовки толщиной 20-25 мм и шириной 50-60 мм. Затем заготовки деформируют на двухвалковых прессах.

Вольфрамовые листы В-МП
Вольфрамовые листы В-МП получили широкое распространение в промышленности. Они производятся из порошка вольфрама марок ПВ1 и ПВ2, содержащего 99,98% W. Листы и пластины В-МП должны иметь толщину 0,5-45 мм, обрезанные кромки. Листы могут быть механически обработанны в соответствии с требованиями заказчика. ГОСТ 23922-79 “Листы из вольфрама марки В-МП. Технические условия”.

Применение
Благодаря высокой жаропрочности вольфрамовые листы, как и другая продукция из данного тугоплавкого металла, применяются в условиях экстремально высоких температур. Из вольфрамовых листов изготавливается различная оснастка для высокотемпературных печей - тепловые экраны, подставки и другие элементы крепления. Распыляемые мишени из вольфрама, которые выполнены в виде пластин, используются для тонких барьерных пленок при металлизации полупроводниковых компонентов интегральных схем. В ядерной энергетике вольфрамовые листы используются в качестве экранов для ослабления потока радиоактивного излучения.

§6. Сплавы вольфрама с рением

В отдельный параграф стоит вынести сплавы вольфрама с рением и продукцию из этих сплавов. Более подробно здесь будут рассмотрены сплавы марок ВР5 и ВР20.

Сплавы двух данных металлов относятся к жаропрочным. Легирование вольфрама другими металлами снижает температуру его плавления. Но при легировании тугоплавким металлом температура плавления сплава снижается не так значительно. Вольфрам (W) и рений (Re) - тугоплавкие металлы.

При использовании рения в качестве присадки наблюдается “рениевый эффект”. 5% рения повышают жаропрочность и пластичность вольфрама. При 20-30% содержания рения наблюдается оптимальное сочетание прочности и пластичности с высокой технологичностью. Также к достоинствам вольфрам-рениевых сплавов можно отнести малую скорость испарения при температурах эксплуатации и высокое электрическое сопротивление.

Сплавы вольфрама с рением, как и компактный вольфрам, получают методами порошковой металлургии и плавки.

Интересной областью применения данных сплавов является измерение температуры. Вольфрамо-рениевая проволока ВР5 (5% Re, остальное - W) и ВР20 (20% Re, остальное - W) используются для изготовления высокотемпературных термопар.

Основным достоинством таких термопар является диапазон измеряемых температур. Поскольку сплавы ВР 5/20 являются жаропрочными, то с помощью термопар, сделанных из соответствующей проволоки, можно измерять температуры больше 2000 °С. Однако термопары данного вида должны находиться в инертной среде.

Наиболее часто для изготовления термопар используется вольфрамо-рениевая термоэлектродная проволока ВР5, ВР20 Ø 0,2; 0,35; 0,5 мм.

§7. Карбиды вольфрама

Очень важными с практической точки зрения являются соединения вольфрама с углеродом - карбиды вольфрама. Вольфрам образует два карбида - W 2 C и WC. Указанные карбиды различаются растворимостью в карбидах других тугоплавких металлов и химическим поведением в различных кислотах. Карбиды вольфрама, подобно карбидам других тугоплавких металлов, обладают металлической проводимостью и положительным коэффициентом электросопротивления. Тугоплавкость и высокая твердость карбидов обусловлены прочными межатомными связями в их кристаллах. Причем высокая твердость карбида WC сохраняется и при повышенных температурах.

Наиболее распространенный способ получения карбидов вольфрама WC и W 2 C - прокаливание смеси порошкообразного вольфрама с сажей в интервале температур 1000-1500 °С.

Карбиды вольфрама WC и W 2 C применяются в основном для изготовления твердых сплавов.

Твердые сплавы
Можно выделить 2 группы твердых сплавов на основе карбида вольфрама:

• литые твердые сплавы (часто называемые литыми карбидами вольфрама);
• спеченные твердые сплавы.

Литые твердые сплавы получают методом литья. Для получения сплава обычно исходят из порошкообразного вольфрама, карбида с недостатком углерода (до 3% C) или смеси WC + W, в которой содержание углерода не превышает 3%. Мелкозернистая структура карбидов данного типа обеспечивает более высокую твердость и износоустойчивость сплава. Однако литые сплавы достаточно хрупкие. Это обстоятельство ограничивает их применение. Главным образом, литые твердые сплавы применяются при изготовлении буровых инструментов и волок для тонкого волочения проволоки.

Спеченные твердые сплавы сочетают в себе монокарбид вольфрама WC и цементирующий металл-связку, которым обычно служит кобальт, реже - никель. Такие сплавы могут быть получены только методом порошковой металлургии. Порошок карбида вольфрама и порошок кобальта или никеля смешивают, прессуют в изделия необходимой формы, а затем спекают при температурах близких к температуре плавления цементирующего металла. Помимо высокой твердости и износоустойчивости данные сплавы обладают хорошей прочностью. Спеченные твердые сплавы являются наиболее производительными современными инструментальными материалами для обработки металлов резанием. Также они используются для изготовления волок, штампов, бурового инструмента. Среди твердых сплавов, для производства котрых используется карбид вольфрама, стоит выделить сплавы группы ВК - вольфрамокобальтовые твердые сплавы. Широкое распространение в промышленности получили сплавы ВК8 и ВК6. Из них изготовляют резцы, сверла, фрезы, а также другой режущий и буровой инструмент.

Заключение

В данной статье рассмотрены различные аспекты, связанные с тугоплавким металлом ВОЛЬФРАМ - свойства, области применения, производство, продукция.

Как описано в статье, процесс получения данного металла состоит из многих стадий и является достаточно трудоемким. Авторы постарались выделить наиболее значимые этапы производства вольфрама и обратить внимание на важные особенности.

Обзор свойств и областей применения вольфрама показывает, что это очень важный материал, без которого в некоторых отраслях промышленности просто невозможно обойтись. Он обладает уникальными свойствами, которые в некоторых ситуациях нельзя получить путем применения других материалов.

Обзор выпускаемой промышленностью продукции из вольфрама - проволоки, прутков, листов, порошка - позволяет лучше понять ее особенности, важные свойства и конкретные применения.

Вольфрам - химический элемент с атомным номером 74 в периодической системе, обозначается символом W (лат. Wolframium).

Атомный номер - 74

Атомная масса - 183,84

Плотность, кг/м³ - 19300

Температура плавления, °С - 3410

Теплоемкость, кДж/(кг·°С) - 0,134

Электроотрицательность - 1,7

Ковалентный радиус, Å - 1,30

1-й ионизац. потенциал, эв - 7,98

История открытия вольфрама

Открытие вольфрама связано с именами шведского химика Карла Вильгельма Шееле (известного своими научными исследованиями и открытиями многих веществ, в частности, он первый открыл хлор), а также испанских химиков, братьев д"Элуяр (д"Эльгуайр).
В 1781 году Шееле, исследуя минерал тунгстен, в переводе на русский язык тяжелый камень, установил, что он является соединением кальция с неизвестной кислотой, которую К. Шееле назвал тунгстеновой. Эту же кислоту в 1783 году обнаружили братья д"Элуяр в другом минерале в вольфрамите. Вольфрамит был известен давно и часто встречался в оловянных рудах. Знаменитый ученый XVI века Агрикола сказал о нем «пожирает олово, как волк овцу», так как при плавке оловянных руд вместе с вольфрамитом в пену шлака всплывало значительное количество олова. Именно поэтому Агрикола назвал этот минерал волчья пена. У нас на Урале вольфрамит был известен как «волчец».
Получив тунгстеновую кислоту (сейчас она называется вольфрамовой) из вольфрамита, братья д"Элуяр при помощи углерода сумели из нее извлечь новый элемент в виде чистого металла, который по аналогии с исходным минералом был назван вольфрамом. Во многих странах, в частности в Англии и Соединенных Штатах Америки, этот минерал имеет название тунгстен, а термин вольфрам иногда употребляется применительно к минералу вольфрамиту.
Следует заметить, что тунгстен, минерал, в котором К. Шееле впервые установил новый элемент, переименован и назван в честь этого химика шеелитом.

Нахождение вольфрама в природе

Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 1,3 г/т. Его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных - 0,1, основных - 0,7, средних - 1,2, кислых - 1,9.

Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трехокисью вольфрама WO 3 с оксидами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрамат железа и марганца nFeWO 4 * mMnWO 4 - соответственно, ферберит и гюбнерит) и шеелит (вольфрамат кальция CaWO 4). Вольфрамовые минералы обычно вкраплены в гранитные породы, так что средняя концентрация вольфрама составляет 1-2 %.

Общие мировые запасы вольфрама (без России) составляют около 7,5 млн тонн, подтвержденные запасы около 4 млн тонн. Наиболее крупными запасами обладают Казахстан, Китай, Канада и США; известны также месторождения в Боливии, Португалии, России и Южной Корее. Мировое производство вольфрама составляет 18-20 тысяч тонн в год, в том числе в Китае 10, России 3,5; Казахстане 0,7, Австрии 0,5. Основные экспортёры вольфрама: Китай, Южная Корея, Австрия. Главные импортёры: США, Япония, Германия, Великобритания.

Получение вольфрама

Процесс получения вольфрама проходит через подстадию выделения триоксида WO 3 из рудных концентратов и последующем восстановлении до металлического порошка водородом при температуре около 700 °C. Из-за высокой температуры плавления вольфрама для получения компактной формы используются методы порошковой металлургии: полученный порошок прессуют, спекают в атмосфере водорода при температуре 1200-1300 °C, затем пропускают через него электрический ток. Металл нагревается до 3000 °C, при этом происходит спекание в монолитный материал. Для последующей очистки и получения монокристаллической формы используется зонная плавка.

Если хотят получить более компактный образец вольфрама, порошок спрессовывают. В промышленности из него получают штабики плотностью 13-15 г/см 3 , но они обладают низкой механической прочностью, поэтому дальше их спекают. Нагрев до 2000 °C в вакууме или в атмосфере водорода проводят прямым пропусканием электрического тока через металл. Размеры штабиков после спекания уменьшаются, а плотность возрастает до 17,5 г/см 3 .

Кроме электронно-лучевой плавки, существует еще один способ расплавить вольфрам. Это аргонно-дуговая плавка. Таким же методом изготовлен один из образцов рения. В отличие от электронно-лучевой плавки, при плавлении в дуге примеси летучих металлов удаляются хуже (поскольку плавление проводят при атмосферном давлении, а не в вакууме). Но именно этот метод позволяет приготовить сплавы вольфрама с такими летучими металлами, которые в вакууме запросто улетают из сплава.

Получение кристаллов вольфрама

Плотность вольфрама больше плотности железа в два с половиной раза! (И в семь раз больше плотности алюминия.) Она почти равна плотности золота (отличается менее, чем на 1%). Кристаллы вольфрама выращивают зонным методом, с нагревом электронным пучком. При этом методе, заготовка (вольфрамовый штабик) укрепляется вертикально в вакуумной камере. Вокруг заготовки располагается кольцевой катод электроной пушки, с которого вылетают ускоренные высоким напряжением электроны. Попадая на образец, они вызывают расплавление его небольшого участка. В полученной расплавленной зоне, жидкий металл удерживается от стекания силами поверхностного натяжения от стекания. Катод (а вместе с ним и расплавленная зона) медленно продвигается вдоль кристалла. При этом происходит несколько полезных процессов: все летучие примеси улетают из образца (в вакуумной камере поддерживается давление ниже 10 -5 мм рт. ст., а температура составляет 3500 градусов – при таких условиях большинство примесей покидает образец в виде пара); после нескольких проходов, как и при зонной плавке, оставшиеся нелетучие примеси концентрируются с одной из сторон образца. Также, происходит направленная кристаллизация слитка, которая при использовании затравки позволяет получить монокристалл с заданной ориентацией. Такие монокристаллы применяются для изготовления анодов рентгеновских трубок, в физических исследованиях. Нити накала высококачественных галогенных ламп также изготавливаются из монокристаллических слитков, что позволяет продлить их срок службы в несколько раз.

Физические свойства вольфрама

Вольфрам - светло-серый металл, имеющий самые высокие температуры плавления и кипения.

Некоторые физические свойства приведены в таблиц. Другие физические свойства вольфрама:

Вольфрам кристаллизуется в объемноцентрированной кубической решетке с периодом а =3,1647Å; плотность 19,3 г/см 3 , t пл 3410°C, t кип 5900°С. Теплопроводность (кал/см·сек·°С) 0,31 (20°С); 0,26 (1300°С).

· твердость по Бринеллю (кгс/мм 2) для спеченного слитка 200-230, для кованного слитка 350-400 (1 кгс/мм 2 = 10 Мн/м 2). При комнатной температуре Вольфрам малопластичен.

· удельное электрическое сопротивление при 20 °C 55×10 −9 Ом·м, при 2700 °C - 904×10 −9 Ом·м. Работа выхода электронов 7,21·10 -19 дж (4,55 эв), мощность энергии излучения при высоких температурах (вт/см 2): 18,0 (1000°С); 64,0 (2200°С); 153,0 (2700°С); 255,0 (3030°С).

· скорость звука в отожжённом вольфраме 4290 м/с.

· Механические свойства Вольфрама зависят от предшествующей обработки. Предел прочности при растяжении (кгс/мм 2) для спеченного слитка 11, для обработанного давлением от 100 до 430; модуль упругости (кгс/мм 1) 35000-38000 для проволоки и 39000-41000 для монокристаллической нити;

Вольфрам является одним из наиболее тяжелых и самым тугоплавким металлом. В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 °C хорошо поддается ковке и может быть вытянут в тонкую нить.

Химические свойства вольфрама

Валентность от 2 до 6. Наиболее устойчив 6-валентный вольфрам. 3- и 2-валентные соединения вольфрама неустойчивы и практического значения не имеют.

Вольфрам имеет высокую коррозионную стойкость: при комнатной температуре не изменяется на воздухе; при температуре красного каления медленно окисляется в оксид вольфрама VI; в соляной, серной и плавиковой кислотах почти не растворим. В азотной кислоте и царской водке окисляется с поверхности. В смеси азотной и плавиковой кислоты растворяется, образуя вольфрамовую кислоту. Из соединений вольфрама наибольшее значение имеют: триоксид вольфрама или вольфрамовый ангидрид, вольфраматы, перекисные соединения с общей формулой Me 2 WO X , а также соединения с галогенами, серой и углеродом. Вольфраматы склонны к образованию полимерных анионов, в том числе гетерополисоединений с включением других переходных металлов.

В обычных условиях Вольфрам химически стоек. При 400-500°С компактный металл заметно окисляется на воздухе до WO 3 . Пары воды интенсивно окисляют его выше 600°С до WO 3 . Галогены, сера, углерод, кремний, бор взаимодействуют с Вольфрамом при высоких температурах (фтор с порошкообразным Вольфрамом - при комнатной). С водородом Вольфрам не реагирует вплоть до температуры плавления; с азотом выше 1500°С образует нитрид. При обычных условиях Вольфрам стоек к соляной, серной, азотной и плавиковой кислотам, а также к царской водке; при 100°С слабо взаимодействует с ними; быстро растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот. В растворах щелочей при нагревании Вольфрам растворяется слегка, а в расплавленных щелочах при доступе воздуха или в присутствии окислителей - быстро; при этом образуются вольфраматы. В соединениях Вольфрам проявляет валентность от 2 до 6, наиболее устойчивы соединения высшей валентности.

Вольфрам образует четыре оксида: высший - WO 3 (вольфрамовый ангидрид), низший - WO 2 и два промежуточных W 10 О 29 и W 4 O 11 . Вольфрамовый ангидрид - кристаллический порошок лимонно-желтого цвета, растворяющийся в растворах щелочей с образованием вольфраматов. При его восстановлении водородом последовательно образуются низшие оксиды и Вольфрам. Вольфрамовому ангидриду соответствует вольфрамовая кислота H 2 WO 4 - желтый порошок, практически не растворимый в воде и в кислотах. При ее взаимодействии с растворами щелочей и аммиака образуются растворы вольфраматов. При 188°С Н 2 WО 4 отщепляет воду с образованием WO 3 . С хлором Вольфрам образует ряд хлоридов и оксихлоридов. Наиболее важные из них: WCl 6 (t пл 275°С, t кип 348°C) и WO 2 Cl 2 (t пл 266°С, выше 300°С сублимирует), получаются при действии хлора на вольфрамовый ангидрид в присутствии угля. С серой Вольфрам образует два сульфида WS 2 и WS 3 . Карбиды вольфрама WC (t пл 2900°C) и W 2 C (t пл 2750°С) - твердые тугоплавкие соединения; получаются при взаимодействии Вольфрама с углеродом при 1000-1500°С.

Применение вольфрама

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.

Похожая информация.