Где применяется вольфрам. Вольфрам: применение, свойства и химические характеристики
К группе металлов, отличающихся высокими показателями тугоплавкости, относится и вольфрам. Он был открыт в Швеции химиком по имени Шееле. Именно ему удалось первому в 1781 году из минерала вольфрамит выделить оксид неизвестного металла. Вольфрам в чистом виде ученому удалось получить по прошествии 3 лет.
Описание
Вольфрам относится к группе материалов, которые часто используются в различных отраслях промышленности. Он обозначается буквой W и в таблице Менделеева имеет порядковый номер 74. Для него характерен светло-серый цвет. Одно из его характерных качеств - высокая тугоплавкость. Температура плавления вольфрама составляет 3380 градусов Цельсия. Если рассматривать его с точки зрения применения, то самыми важными качествами этого материала являются:
- плотность;
- температура плавления;
- электрическое сопротивление;
- коэффициент линейного расширения.
Вычисляя его характерные качества, необходимо выделить высокую точку кипения, которая находится на уровне 5 900 градусов Цельсия . Еще одна его особенность - малая скорость испарения. Она невысока даже в температурных условиях 2000 градусов Цельсия. По такому свойству, как электропроводность этот металл в 3 раза превосходит такой распространенный сплав, как медь.
Факторы, ограничивающие применение вольфрама
Есть ряд факторов, которые ограничивают применение этого материала:
- высокая плотность;
- значительная склонность к ломкости в условиях низких температур;
- малое сопротивление окислению.
По своему внешнему виду вольфрам имеет сходство с обычной сталью . Его основное применение связано главным образом с производством сплавов с высокими прочностными характеристиками. Этот металл поддается обработке, но только если его предварительно нагреть. В зависимости от выбранного типа обработки нагрев производится до определенной температуры. Например, если стоит задача выковать прутки из вольфрама, то заготовку необходимо предварительно нагреть до температуры 1450-1500 градусов Цельсия.
На протяжении 100 лет вольфрам не применялся в промышленных целях. Его использование при производстве различной техники сдерживалось его высокой температурой плавления.
Начало его промышленного применения связано с 1856 годом, когда он впервые стал использоваться для легирования инструментальных марок стали. При их производстве в состав стали добавлять вольфрам общей долей до 5%. Присутствие этого металла в составе стали позволило повысить скорость резки на токарных станках с 5 до 8 м в минуту .
Развитие промышленности во второй половине XIX века характеризуется активным развитием отрасли производства станков. Спрос на оборудование с каждым годом постоянно возрастал, что требовало от машиностроителей получения качественных характеристик машин, а помимо этого повышения их рабочей скорости. Первым импульсом в деле повышения скорости резки стало использование вольфрама.
Уже в начале XX века скорость резки была доведена до 35 метров в минуту . Добиться этого удалось за счет легирования стали не только вольфрамом, но и другими элементами:
- молибденом;
- хромом;
- ванадием.
В дальнейшем скорость резания на станках возросла до 60 метров в минуту. Но, несмотря на такие высокие показатели, специалисты понимали, что есть возможность улучшить эту характеристику. Какой способ выбрать для повышения скорости резания, специалисты долго не думали. Они прибегли к использованию вольфрама, но уже в виде карбидов в союзе с другими металлами и их видами. В настоящее время вполне обычной является скорость резания металла на станках 2000 метров в минуту.
Как и у любого материала, у вольфрама имеются свои особые свойства, благодаря которым он попал в группу стратегических металлов. Выше мы уже сказали о том, что одним из достоинств этого металла является высокая тугоплавкость. Именно благодаря этому свойству материал можно использовать для изготовления нитей накаливания.
Температура плавления у него находится на уровне 2500 градусов Цельсия . Но только этим качеством положительные свойства этого материала не ограничиваются. Имеются у него и другие преимущества, о которых следует сказать. Одно из них - высокая прочность, демонстрируемая в условиях обычных и повышенных температур. Например, когда железо и сплавы, изготовленные на его основе, нагреваются до температуры 800 градусов Цельсия, происходит снижение прочности в 20 раз. В таких же условиях прочность вольфрама уменьшается только в три раза. В условиях 1500 градусов Цельсия прочность железа практически сведена к нулю, а вот у вольфрама она находится на уровне железа при обыкновенной температуре.
В наши дни 80% производимого в мире вольфрама используется главным образом при изготовлении стали высокого качества. Более половины марок стали, используемых машиностроительными предприятиями, содержат в своем составе вольфрам. Они применяют их в качестве основного материала для деталей турбин , редукторов, а также используют такие материалы для изготовления компрессорных машин. Из машиностроительных сталей, содержащих вольфрам, изготавливаются валы, зубчатые колеса, а также цельнокованый ротор.
Кроме этого их применяют для изготовления коленчатых валов, шатунов. Добавление в состав машиностроительный стали, кроме вольфрама и других легирующих элементов, повышает их прокаливаемость. Кроме этого, обеспечивается возможность для получения мелкозернистой структуры. Наряду с этим, у производимых машиностроительных сталей увеличиваются такие характеристики, как твердость и прочность.
При производстве жаропрочных сплавов использование вольфрама является одним из обязательных условий. Необходимость применения именно этого металла обусловлена тем, что он является единственным, который в состоянии выдерживать существенные нагрузки в условиях высоких температур, превышающих величину плавления железа. Вольфрам и соединения на основе этого металла отличаются высокой прочностью и обладают хорошими показателями упругости. В этом плане они превосходят другие металлы, входящие в группу тугоплавких материалов.
Минусы
Однако, перечисляя преимущества вольфрама, нельзя не отметить и недостатки, которые присущи этому материалу .
Вольфрам, который выпускается в настоящее время, содержит в составе торий 2%. Такой сплав называется торированный вольфрам. Для него характерен предел прочности 70 МПа при температуре 2420 градусов Цельсия. Хотя значение этого показателя невысоко, но отметим, что только 5 металлов вместе с вольфрамом не меняют своего твердого состояния в условиях такой температуры.
В эту группу входят молибден, у которого температура плавления составляет 2625 градусов. Еще один металл - технеций. Однако сплавы на его основе в ближайшее время вряд ли будут производиться. Рений и тантал не обладают высокой прочностью при таких условиях температуры. Поэтому вольфрам - единственный материал, который в состоянии обеспечить достаточную прочность при высоких температурных нагрузках. По той причине, что он относится к числу дефицитных, если имеется возможность для его замены, то производители используют альтернативу ему.
Однако при производстве отдельных компонентов нет материалов, которые могли бы полноценно заменить вольфрам. Например, при изготовлении нитей накаливания электроламп и анодов дуговых ламп постоянного тока применяется только вольфрам, поскольку подходящих заменителей просто нет. Также его используют при изготовлении электродов для аргонодуговой и атомно-водородной сварки. Также с применением этого материала изготавливается нагревательный элемент, используемый в условиях от 2000 градусов Цельсия.
Применение
Вольфрам и сплавы, изготавливаемые на его основе, получили широкое распространение в различных отраслях промышленности. Их используют при производстве авиационных двигателей, применяют в сфере ракетостроения, а также для производства космической техники. В этих сферах с использованием этих сплавов изготавливают реактивные сопла, вставки критических сечений в двигателях ракет. Кроме этого, подобные материалы используются в качестве основных для изготовления сплавов ракет.
Производство сплавов из этого металла имеет одну особенность, которая связана с тугоплавкостью этого материала. В условиях высоких температур многие металлы меняют свое состояние и превращаются в газы или сильно летучие жидкости. Поэтому для получения сплавов, в составе которых присутствует вольфрам, используют методы порошковой металлургии.
Такие методы предполагают прессование смеси порошков металлов, последующее спекание и дальнейшее подвергание их дуговой плавке, осуществляемой в электродных печах. В отдельных случаях спекаемый вольфрамовый порошок дополнительно пропитывают жидким раствором какого-либо другого металла. Таким образом, получаются псевдосплавы из вольфрама, меди, серебра, используемые для контактов в электрических установках. По сравнению с медными, долговечность у таких изделий выше в 6-8 раз.
У этого металла и сплавов из него имеются большие перспективы для дальнейшего расширения сферы применения. Прежде всего, необходимо отметить, что в отличие от никеля эти материалы могут работать на «огненных» рубежах. Использование вместо никеля вольфрамовых изделий приводит к тому, что у энергетических установок повышаются параметры работы. А это приводит к возрастанию КПД оборудования . Кроме того, изделия на основе вольфрама легко выдерживают эксплуатацию в тяжелых условиях. Таким образом, можно уверенно заявлять о том, что группу таких материалов в ближайшее время вольфрам продолжит возглавлять.
Вольфрам поспособствовал и процессу усовершенствования электрической лампы накаливания. До периода 1898 года в этих электроосветительных приборах использовалась угольная нить.
- она была простой в изготовлении;
- её производство было недорогим.
Единственным недостатком угольной нити было то, что срок службы у неё был небольшой. После 1898 года у угольной нити накаливания ламп появился конкурент в виде осмия. Начиная с 1903 года, для производства электрических ламп стали использовать тантал. Однако уже в 1906 году вольфрам вытеснил эти материалы и стал применяться для изготовления нитей для ламп накаливания. Используют его и в наши дни при изготовлении современных электрических лампочек.
Чтобы обеспечить этому материалу высокие показатели жаростойкости, на поверхность металла наносят слой рения и тория. В некоторых случаях нить накаливания из вольфрама изготавливается с добавлением рения. Связано это с тем, что в условиях высоких температур этот металл начинает испаряться, а это приводит к тому, что нить из этого материала становится тоньше. Добавление в состав рения приводит к уменьшению эффекта испарений в 5 раз.
В наше время вольфрам активно применяется не только при производстве электротехники, но и различной военно-промышленной продукции . Его добавление в оружейную сталь обеспечивает высокую эффективность материалам такого вида. Кроме того, он позволяет улучшить характеристики броневой защиты, а также сделать более эффективными бронебойные снаряды.
Заключение
Вольфрам - один из востребованных материалов, применяемых в металлургии. Добавление его в состав производимых сталей обеспечивает повышение их характеристик. Они становятся более стойкими к термическим нагрузкам, а кроме этого повышается температура плавления, что особенно важно для изделий, используемых в экстремальных условиях при высоких температурах
. Использование при производстве различного оборудования, изделий и элементов, узлов из этого металла или сплавов на его основе позволяет улучшить характеристики оборудования и повысить КПД их работы.
Вольфрам выделяется среди металлов не только тугоплавкостью, но и массой. Плотность вольфрама при нормальных условиях составляет 19,25 г/см³, это примерно в 6 раз больше, чем у алюминия. По сравнению с медью вольфрам тяжелее ее в 2 раза. На первый взгляд, большая плотность может показаться недостатком, потому что сделанные из него изделия будут тяжелыми. Но даже эта особенность металла нашла свое применение в технике. Полезные свойства вольфрама, обусловленные высокой плотностью:
- Возможность концентрировать большую массу в малом объеме.
- Защита от ионизирующего излучения (радиации).
Первое свойство объясняется внутренним строением металла. Ядро атома содержит 74 протона и 110 нейтронов, т. е. 184 частицы. В Периодической системе химических элементов, в которой атомы расположены по возрастанию атомной массы, вольфрам находится на 74 месте. По этой причине вещество, состоящее из тяжелых атомов, будет иметь большую массу. Способность защищать от радиации присуща всем материалам с высокой плотностью. Это обусловлено тем, что ионизирующее излучение, сталкиваясь с любым препятствием, передает ему часть своей энергии. Более плотные вещества имеют высокую концентрацию частиц в единице объема, поэтому ионизирующие лучи претерпевают больше столкновений и, соответственно, теряют больше энергии. Использование металла базируется на вышеуказанных свойствах.
Применение вольфрама
Высокая плотность — огромное преимущество вольфрама среди других металлов.
Вольфрам находит широкое применение в разных областях промышленности.
Использование, основанное на большой массе металла
Значительная плотность делает вольфрам ценным материалом для балансировки. Изготовленные из него балансировочные грузики уменьшают нагрузку, действующую на детали. Таким образом продлевается их эксплуатационный период. Области применения вольфрама:
- Аэрокосмическая сфера. Запчасти из тяжелого металла уравновешивают действующие моменты сил. Поэтому вольфрам используется для изготовления лопастей вертолетов, пропеллеров, рулей направления. По причине того, что материал не обладает магнитными свойствами, он применяется в производстве бортовых электронных систем авиации.
- Автомобильная промышленность. Вольфрам применяется там, где необходимо сосредоточить большую массу в малом объеме пространства, например, в автомобильных двигателях, установленных на тяжелых грузовиках, дорогих внедорожниках, машинах, работающих на дизельном топливе. Также вольфрам является выгодным материалом для изготовления коленвалов и маховиков, грузов на шасси. Кроме высокой плотности, металл характеризуется большим модулем упругости, благодаря этим качествам он применяется для гашения колебаний на приводах.
- Оптика. Вольфрамовые грузики сложной конфигурации выступают балансирами в микроскопах и других высокоточных оптических инструментах.
- Производство спортинвентаря. Вольфрам используется вместо свинца в спортивном оборудовании, потому что, в отличие от последнего, не наносит вреда здоровью и окружающей среде. Например, материал применяется в производстве клюшек для гольфа.
- В машиностроении. Из вольфрама делают вибромолоты, которыми забивают сваи. В середине каждого прибора находится вращающийся груз. Он преобразовывает энергию вибраций в силу для забивания. Благодаря наличию вольфрама имеется возможность применять вибромолоты для уплотненного грунта значительной толщины.
- Для изготовления высокоточных инструментов. В глубоком сверлении применяются прецизионные приборы, держатель которых не должен поддаваться вибрациям. Этому требованию соответствует вольфрам, имеющий к тому же и высокий модуль упругости. Антивибрационные держатели обеспечивают плавную работу, поэтому их используют в расточных и шлифовальных оправках, в стержнях инструментов. На основе вольфрама изготавливают рабочую часть инструмента, так как он обладает повышенной твердостью.
Использование, основанное на способности защищать от радиации
Коллиматоры из вольфрама в хирургии.
- По этому критерию вольфрамовые сплавы опережают чугун, сталь, свинец и воду, поэтому из металла делают коллиматоры и защитные экраны, которые используются при радиотерапии. Сплавы из вольфрама не подвержены деформации и отличаются высокой надежностью. Применение многолепестковых коллиматоров дает возможность направить излучение на определенный участок пораженной ткани. Во время терапии в первую очередь делают рентгеновские снимки, чтобы локализовать расположение и определить характер опухоли. Затем лепестки коллиматора перемещаются электродвигателем в нужное положение. Может быть задействовано 120 лепестков, с помощью которых создается поле, повторяющее форму опухоли. Далее на пораженный участок направляются лучи, имеющие высокую радиацию. При этом опухоль получает облучение посредством того, что многолепестковый коллиматор вращается вокруг пациента. Чтобы защитить от радиации соседние здоровые ткани и окружающую среду, коллиматор должен обладать высокой точностью.
- Разработаны специальные кольцевые коллиматоры из вольфрама для радиохирургии, облучение которых направлено на голову и шею. Прибор осуществляет высокоточную фокусировку гамма-излучения. Также вольфрам входит в состав пластин для компьютерных томографов, экранирующих элементов для детекторов и линейных ускорителей, дозиметрического оборудования и приборов неразрушающего контроля, емкостей для радиоактивных веществ. Вольфрам используется в устройствах для бурения. Из него делают экраны для защиты погружающихся инструментов от рентгеновского и гамма-излучении.
Классификация вольфрамовых сплавов
Такие критерии, как повышенная плотность и тугоплавкость вольфрама, дают возможность использовать его во многих отраслях. Однако современным технологиям иногда требуются дополнительные свойства материала, которыми чистый металл не обладает. Например, его электропроводность меньше, чем у меди, а изготовление детали сложной геометрической формы затруднительно из-за хрупкости материала. В таких ситуациях помогают примеси. При этом их количество часто не превышает 10%. После добавления меди, железа, никеля вольфрам, плотность которого остается очень высокой (не меньше 16,5 г/см³), лучше проводит электрический ток и становится пластичным, что дает возможность хорошо его обрабатывать.
ВНЖ, ВНМ, ВД
В зависимости от состава сплавы по-разному маркируются.
- ВНЖ - это сплавы вольфрама, которые содержат никель и железо,
- ВНМ - никель и медь,
- ВД - только медь.
В маркировке после заглавных букв следуют цифры, указывающие на процентное содержание. Например, ВНМ 3–2 — это вольфрамовый сплав с добавлением 3% никеля и 2% меди, ВНМ 5–3 содержит в примеси 5% никеля и 3% железа, ВД-30 состоит на 30% из меди.
Вольфрам - металл с уникальными свойствами. Он имеет самую высокую температуру кипения (5555 °C - такая же температура в фотосфере Солнца) и плавления (3422 °C) среди металлов, при этом - самый низкий коэффициент теплового расширения.
Кроме того, он - один самых твёрдых, тяжёлых, стабильных и плотных металлов: плотность вольфрама сравнима с плотностью и урана и в 1, 7 раза выше, чем у свинца.
Его электропроводность почти в 3 раза ниже, чем у меди, однако достаточно высока. В очищенном виде вольфрам - серебристо-белый, напоминает по внешнему виду сталь или платину, при значительном нагреве - до 1600 °C - отлично куётся.
История открытия и применения
Своё название металл получил от вольфрамита - минерала, название которого с латинского переводится как «волчья пена», а с немецкого - как «волчьи сливки». Такое странное наименование связано с поведением минерала: он мешал выплавлять олово, когда сопровождал добытую оловянную руду, превращая ценный в средние века материал в пену шлаков. Про него тогда говорили: «ест олово, словно овцу волк».
Открытие чистого вольфрама произошло в двух местах одновременно. В 1781 году химик Шееле (Швеция) получает «тяжёлый камень», воздействуя азотной кислотой на шеелит. А в 1783 году химики Элюар (Испания) также сообщают о выделении чистого вольфрама.
Главные запасы металла оказались в Казахстане, Канаде, Китае, США.
Применение вольфрама. Карбид вольфрама.
Примерно 50% вольфрама используется для производства твёрдых материалов, в особенности - карбида вольфрама с температурой плавления 2770 °С.
Карбид вольфрама - химическое соединение равных по числу атомов вольфрама и углерода. Он в 2 раза жёстче, чем сталь, имеет коэффициент жёсткости 9 по шкале Мооса ( коэффициент 10).
Карбид вольфрама применяют для изготовления:
— режущих инструментов, чрезвычайно устойчивых к истиранию и воздействию высоких температур;
— бронебойных боеприпасов;
— танковой брони;
— деталей самолётов и двигателей;
— деталей космических кораблей и ракет;
— оборудования для атомной промышленности;
— балластов , коммерческих воздушных судов, гоночных автомобилей;
— хирургических инструментов, предназначенных для открытой (полостной) хирургии и лапароскопической (ножницы, пинцеты, захваты, резаки и другие), - они дороже, чем медицинская сталь, однако обладают лучшей производительностью;
— ювелирных изделий, особенно свадебных колец: популярность вольфрама в обручальных кольцах вызвана физическими свойствами металла (прочностью, тугоплавкостью, словно символизирующими подобную же прочность отношений) и его внешним видом - отполированный, вольфрам неопределённо долго сохраняет сияющий, зеркальный вид, так как в обычной жизни поцарапать его чем-то невозможно;
— шарика в дорогих шариковых ручках;
— калибровочных блоков, используемых, в свою очередь, для производства прецизионных длин в размерной метрологии.
Другие случаи применения вольфрама
Вольфрам применяют в производстве нагревательных элементов для высокотемпературных вакуумных печей, нитей накаливания в разнообразных приборах освещения.
Сульфид вольфрама нашёл применение в качестве высокотемпературной смазки, выдерживающей нагрев до 500 °C. Монокристаллы вольфраматов используют в ядерной физике и медицине.
Одним из самых распространенных химических элементов является вольфрам. Он обозначается символом W и имеет атомный номер - 74. Вольфрам относится к группе металлов, имеющих высокую стойкость к изнашиванию и температуру плавления. В периодической системе Менделеева он находится в 6-й группе, обладает схожими свойствами с «соседями» - молибденом, хромом.
Открытие и история
Еще в XVI веке был известен такой минерал, как вольфрамит. Он был интересен тем, что при выплавке олова из руды его пена превращался в шлак и, конечно же, это мешало производству. С тех пор, вольфрамит стали называть "волчья пена" (с нем. Wolf Rahm). Название минерала перешло и на сам металл.
Шведский химик Шееле в 1781 году обрабатывал азотной кислотой металл шеелит. В процессе эксперимента у него получился жёлтый тяжёлый камень - оксид вольфрама (VI). Через два года братья Элюар (испанские химики) получили из саксонского минерала сам вольфрам в чистом виде.
Добывают этот элемент и его руды в Португалии, Боливии, Южной Корее, России, Узбекистане, а наибольшие запасы были найдены в Канаде, США, Казахстане и Китае. В год добывается всего 50 тонн этого элемента, поэтому он дорого стоит. Рассмотрим подробнее, что за металл вольфрам.
Свойства элемента
Как уже было сказано ранее, вольфрам - это один из самых тугоплавких металлов. Он имеет блестящий светло-серый цвет. Его температура плавления 3422°С, а кипения - 5555°C, плотность в чистом виде - 19,25 г/см 3 , а твердость 488 кг/мм². Это один из самых тяжелых металлов, обладающий высокой коррозионной стойкостью. Он практически не растворим в серной, соляной и плавиковой кислотах, но быстро вступает в реакцию с перекисью водорода. Что за металл вольфрам, если он не реагирует с расплавленными щелочами? Вступая в реакцию с гидроксидом натрия и кислородом, он образует два соединения - вольфрамат натрия и обычную воду Н 2 О. Интересно, что при повышении температуры вольфрам саморазогревается, тогда процесс происходит намного активнее.
Получение вольфрама
На вопрос о том, к какой группе металлов относится вольфрам, можно ответить, что он входит в категорию редких элементов, как рубидий и молибден. А это, в свою очередь, означает, что для него характерны небольшие масштабы производства. Кроме того, такой металл не получают восстановлением из сырья, сначала он перерабатывается на химические соединения. Как же происходит получение редкого металла?
- Из рудного материала выделяют необходимый элемент и концентрируют его в растворе или осадке.
- Следующим шагом, получают чистое химическое соединение путем очистки.
- Из полученного вещества выделяют чистый редкий металл - вольфрам.
Для обогащения руды используют гравитацию, флотацию, магнитную или электростатическую сепарацию. В результате получают концентрат, который содержит 55-65% ангидрида вольфрама WO 3 . Для получения порошка его восстанавливают при помощи водорода или углерода. Для некоторых изделий, на этом процесс получения элемента заканчивается. Так, вольфрамовый порошок используют для приготовления твердых сплавов.
Изготовление штабиков
Мы уже выяснили, что за металл вольфрам, а теперь узнаем, в каком сортаменте он изготавливается. Из порошкового соединения изготавливают компактные слитки - штабики. Для этого используют только порошок, который был восстановлен водородом. Их изготавливают путем прессования и спекания. Получаются довольно прочные, но хрупкие слитки. Иными словами, они плохо поддаются ковке. Для улучшения этого технологического свойства, штабики подвергают высокотемпературной обработке. Из этого изделия изготавливают другой сортамент.
Вольфрамовые прутки
Конечно же, это один из самых распространенных видов продукции из этого металла. Что за вольфрам используется для их изготовления? Это вышеописанные штабики, которые подвергаются ковке на ротационной ковочной машине. Важно отметить, что процесс происходит в нагретом состоянии (1450-1500°С). Полученные прутки применяют в самых различных отраслях промышленности. Например, для изготовления сварочных электродов. Кроме того, вольфрамовые прутки нашли широкое применение в нагревателях. Они работают в печах при температуре до 3000 °С в вакууме, инертном газе или водороде. Прутки также могут быть использованы как катоды электронных и газоразрядных приборов, радиоламп.
Интересно, что сами по себе электроды являются неплавящимися, и поэтому во время сварки, необходима подача присадочного материала (проволока, прут). При расплавлении со свариваемым материалом он создает сварочную ванну. Данные электроды, как правило, применяются для сварки цветных металлов.
Вольфрам и проволока
Вот еще один вид широко распространённой продукции. Вольфрамовая проволока изготавливается из кованых прутков, рассмотренных нами ранее. Волочение производится с постепенным снижением температуры от 1000°С до 400°С. Затем проводят очистку изделия путем отжига, электролитической полировкой или электролитическим травлением. Поскольку вольфрам - тугоплавкий металл, проволока используется в элементах сопротивления в нагревательных печах при температурах до 3000°С. Из нее изготавливают термоэлектрические преобразователи, а также спирали ламп накаливания, петлевые подогреватели и многое другое.
Соединения вольфрама с углеродом
Карбиды вольфрама считаются очень важными с практической точки зрения. Они применяются для изготовления твердых сплавов. Соединения с углеродом имеют положительный коэффициент электросопротивления и хорошую проводимость металла. Карбиды вольфрама образуются двух видов: WC и W 2 C. Они различаются своим поведениям в кислотах, а также растворимостью в других соединениях с углеродом.
На основе вольфрамовых карбидов изготавливают два типа твердых сплавов: спеченные и литые. Последние получают из порошкообразного соединения и карбида с недостатком С (менее 3%) путем литья. Второй тип изготавливают из монокарбида вольфрама WC и цементирующего металла-связки, которым может выступать никель или кобальт. Спеченные сплавы получают только методом порошковой металлургии. Порошок цементирующего металла и карбид вольфрама смешивают, прессуют и спекают. Такие сплавы обладают высокой прочностью, твёрдостью износоустойчивостью.
В современной металлургической промышленности их используют для обработки металлов резанием и для изготовления бурового инструмента. Одним из самых распространённых сплавов являются ВК6 и ВК8. Их применяют для изготовления фрез, резцов, сверл и другого режущего инструмента.
Область применения карбидов вольфрама достаточно объёмная. Так, их используют для изготовления:
- бронебойных припасов;
- деталей двигателей, самолетов, космических кораблей и ракет;
- оборудования в атомной промышленности;
- хирургических инструментов.
На Западе особенно широко применяются карбиды вольфрама в ювелирных изделиях, в особенности, для изготовления свадебных колец. Металл смотрится красиво, эстетично, его легко обрабатывать.
Это объясняется тем, что они невероятно износоустойчивы. Чтобы поцарапать такое изделие, придется приложить немало усилий. Даже через несколько лет, кольцо будет выглядеть как новое. Оно не потускнеет, не повредится рельефный узор, да и полированная часть не потеряет своего блеска.
Вольфрам и рений
Сплав этих двух элементов довольно широко применяется для изготовления высокотемпературных термопар. Вольфрам - какой металл? Как и рений, это жаропрочный металл, а легирование элементов снижает это свойство. Но что, если взять два практически одинаковых вещества? Тогда температура их плавления снижаться не будет.
Если использовать рений в качестве присадки, будет наблюдаться повышение жаропрочности и пластичности вольфрама. Данный сплав получают методом плавки в порошковой металлургии. Термопары, изготавливаемые из этих материалов, являются жаропрочными и могут измерять температуру больше 2000°С, но только в инертной среде. Конечно же, подобные изделия стоят дорого, ведь в один год добывается всего 40 тонн рения и только 51 тонна вольфрама.
Применение чистого металла и вольфрамсодержащих сплавов основано, главным образом, на их тугоплавкости, твердости и химической стойкости. Чистый вольфрам используется для изготовления нитей электрических ламп накаливания и электронно-лучевых трубок, в производстве тиглей для испарения металлов, в контактах автомобильных распределителей зажигания, в мишенях рентгеновских трубок; в качестве обмоток и нагревательных элементов электрических печей и как конструкционный материал для космических и других аппаратов, эксплуатируемых при высоких температурах. Быстрорежущие стали (17,5-18,5% вольфрама), стеллит (на основе кобальта с добавлением Cr, W, С), хасталлой (нержавеющая сталь на основе Ni) и многие другие сплавы содержат вольфрам. Основой при производстве инструментальных и жаропрочных сплавов является ферровольфрам (68-86% W, до 7% Mo и железо), легко получающийся прямым восстановлением вольфрамитового или шеелитового концентратов. «Победит» - очень твердый сплав, содержащий 80-87% вольфрама, 6-15% кобальта, 5-7% углерода, незаменим в обработке металлов, в горной и нефтедобывающей промышленности.
Вольфраматы кальция и магния широко используются во флуоресцентных устройствах, другие соли вольфрама используются в химической и дубильной промышленности. Дисульфид вольфрама представляет собой сухую высокотемпературную смазку, стабильную до 500° С. Вольфрамовые бронзы и другие соединения элемента применяются в изготовлении красок. Многие соединения вольфрама являются отличными катализаторами.
Долгие годы с момента открытия вольфрам оставался лабораторной редкостью, лишь в 1847 Оксланд получил патент на производство вольфрамата натрия, вольфрамовой кислоты и вольфрама из касситерита (оловянного камня). Второй патент, полученный Оксландом в 1857, описывал производство железо-вольфрамовых сплавов, которые составляют основу современных быстрорежущих сталей.
В середине 19 в. предпринимались первые попытки использовать вольфрам в производстве стали, однако долгое время не удавалось внедрить эти разработки в промышленность из-за высокой цены на металл. Возросшая потребность в легированных и высокопрочных сталях привела к запуску производства быстрорежущих сталей на фирме «Вифлеемская Сталь» (Bethlehem Steel). Образцы этих сплавов были впервые представлены в 1900 на Всемирной выставке в Париже.
Технология изготовления вольфрамовых нитей и ее история.
Объемы производства вольфрамовой проволоки имеют небольшую долю среди всех отраслей применения вольфрама, но развитие технологии ее получения сыграло ключевую роль в развитии порошковой металлургии тугоплавких соединений.
С 1878, когда Свон продемонстрировал в Ньюкастле изобретенные им восьми- и шестнадцатисвечевые угольные лампы, шел поиск более подходящего материала для изготовления нитей накаливания. Первая угольная лампа обладала эффективностью всего 1 люмен/ватт, которая была увеличена в следующие 20 лет модификацией методов обработки угля в два с половиной раза. К 1898 светоотдача таких лампочек составляла 3 люмен/ватт. Угольные нити в те времена нагревались пропусканием электрического тока в атмосфере паров тяжелых углеводородов. При пиролизе последних образующийся углерод заполнял поры и неровности нити, придавая ей яркий металлический блеск.
В конце 19 в. фон Вельсбах впервые изготовил металлическую нить для ламп накаливания. Он сделал ее из осмия (Т пл = 2700° С). Осмиевые нити обладали эффективностью 6 люмен/ватт, однако, осмий - редкий и чрезвычайно дорогой элемент платиновой группы, поэтому широкого применения в изготовлении бытовых устройств не нашел. Тантал с температурой плавления 2996° С широко использовался в виде вытянутой проволоки с 1903 по 1911 благодаря работам фон Болтона из фирмы Сименс и Хальске. Эффективность танталовых ламп составляла 7 люмен/ватт.
Вольфрам начал применяться в лампах накаливания в 1904 и вытеснил в этом качестве все остальные металлы к 1911. Обычная лампа накаливания с вольфрамовой нитью обладает свечением 12 люмен/ватт, а лампы, работающие под высоким напряжением - 22 люмен/ватт. Современные флуоресцентные лампы с вольфрамовым катодом имеют эффективность порядка 50 люмен/ватт.
В 1904 на фирме «Сименс-Хальске» попытались применить разработанный для тантала процесс волочения проволоки для более тугоплавких металлов, таких как вольфрам и торий. Жесткость и недостаток ковкости вольфрама не позволили гладко провести процесс. Тем не менее, позже, в 1913-1914, было показано, что расплавленный вольфрам может быть раскатан и вытянут с использованием процедуры частичного восстановления. Электрическую дугу пропускали между вольфрамовым стержнем и частично расплавленной вольфрамовой капелькой, помещенной в графитовый тигель, покрытый изнутри вольфрамовым порошком и находящийся в атмосфере водорода. Тем самым были получены небольшие капли расплавленного вольфрама, около 10 мм в диаметре и 20-30 мм в длину. Хотя и с трудом, но с ними уже можно было работать.
В те же годы Юст и Ханнаман запатентовали процесс изготовления вольфрамовых нитей. Тонкий металлический порошок смешивался с органическим связующим, полученная паста пропускалась через фильеры и нагревалась в специальной атмосфере для удаления связующего, при этом получалась тонкая нить чистого вольфрама.
В 1906-1907 был разработан хорошо известный процесс экструзии, применявшийся до начала 1910-х. Черный вольфрамовый порошок очень тонкого помола смешивался с декстрином или крахмалом до образования пластичной массы. Гидравлическим давлением эта масса продавливалась через тонкие алмазные сита. Получающаяся таким образом нить оказывалась достаточно прочной для того, чтобы быть намотанной на катушки и высушенной. Далее нити разрезались на «шпильки», которые нагревались в атмосфере инертного газа до температуры красного каления для удаления остатков влаги и легких углеводородов. Каждая «шпилька» закреплялась в зажиме и нагревалась в атмосфере водорода до яркого свечения пропусканием электрического тока. Это приводило к окончательному удалению нежелательных примесей. При высоких температурах отдельные маленькие частицы вольфрама сплавляются и образуют однородную твердую металлическую нить. Эти нити эластичны, хотя и хрупки.
В начале 20 в. Юст и Ханнаман разработали другой процесс, отличающийся своей оригинальностью. Угольная нить диаметром 0,02 мм покрывалась вольфрамом путем накаливания в атмосфере водорода и паров гексахлорида вольфрама. Покрытая таким образом нить нагревалась до яркого свечения в водороде при пониженном давлении. При этом вольфрамовая оболочка и углеродное ядро полностью сплавлялись друг с другом, образуя карбид вольфрама. Получающаяся нить имела белый цвет и была хрупкой. Далее нить нагревалась в токе водорода, который взаимодействовал с углеродом, оставляя компактную нить из чистого вольфрама. Нити обладали теми же характеристиками, что и полученные в процессе экструзии.
В 1909 американцу Кулиджу удалось получить ковкий вольфрам без применения наполнителей, а лишь с помощью разумной температурной и механической обработки. Основная проблема в получении вольфрамовой проволоки заключалась в быстром окислении вольфрама при высоких температурах и наличии зернистой структуры в получающемся вольфраме, которая приводила к его хрупкости.
Современное производство вольфрамовой проволоки является сложным и точным технологическим процессом. Исходным сырьем служит порошковый вольфрам, получаемый восстановлением паравольфрамата аммония.
Вольфрамовый порошок, применяемый для производства проволоки, должен иметь высокую чистоту. Обычно смешивают порошки вольфрама различного происхождения, чтобы усреднить качество металла. Смешиваются они в мельницах и во избежание окисления нагретого трением металла в камеру пропускают поток азота. Затем порошок прессуется в стальных пресс-формах на гидравлических или пневматических прессах (5-25 кг/мм 2). В случае использования загрязненных порошков, прессовка получается хрупкой, и для устранения этого эффекта добавляется полностью окисляемое органическое связующее. На следующей стадии производится предварительное спекание штабиков. При нагревании и охлаждении прессовок в потоке водорода их механические свойства улучшаются. Прессовки еще остаются достаточно хрупкими, и их плотность составляет 60-70% от плотности вольфрама, поэтому штабики подвергают высокотемпературному спеканию. Штабик зажимается между контактами, охлаждаемыми водой, и в атмосфере сухого водорода через него пропускается ток для нагрева его почти до температуры плавления. За счет нагревания вольфрам спекается и его плотность возрастает до 85-95% от кристаллического, в то же время увеличиваются размеры зерен, растут кристаллы вольфрама. Затем следует ковка при высокой (1200-1500° С) температуре. В специальном аппарате штабики пропускаются через камеру, которая сдавливается молотом. За одно пропускание диаметр штабика уменьшается на 12%. При ковке кристаллы вольфрама удлиняются, создается фибриллярная структура. После ковки следует протяжка проволоки. Стержни смазываются и пропускаются через сита из алмаза или карбида вольфрама. Степень вытяжки зависит от назначения получаемых изделий. Диаметр получаемой проволоки составляет около 13 мкм.
