Где применяется вольфрам

свойства и область применения |

Из всех известных сегодня металлов вольфрам самый тугоплавкий. Он занимает 74-ю позицию периодической системы, имеет ряд схожих свойств с молибденом и хромом, находящимися с ним в одной группе. На вид вольфрам представляет твердое вещество серого цвета, с характерным серебристым блеском.

Основные характеристики вольфрама

Для практического применения наиболее важны высокие показатели следующих характеристик:

• электрическое сопротивление;

• коэффициент линейного расширения;

• температура плавления.

Чистый вольфрам обладает высокой пластичностью, не растворяется в специальном кислотном растворе без предварительного нагрева хотя бы до 500⁰С. Он легко вступает в реакцию с углеродом, следствием которой является образование карбида вольфрама известного высокой прочностью. Также металл известен своими оксидами, наиболее распространенный из них вольфрамовый ангидрид. Его главное преимущество над остальными, возможность восстановления порошка к состоянию компактного металла, с побочным образованием низших оксидов.

Режущие пластины фирмы Sandvik Coromant с применением карбида вольфрама

Среди основных характеристик, делающих применение вольфрама затруднительным называют следующие:

• высокая плотность;

• ломкость и склонность к окислению при низких температурах.

Кроме того, высокая температура кипения, а также точка испарения затрудняют добычу компактного материала.

Сплавы, содержащие вольфрам

Сегодня различают однофазные сплавы вольфрама. Это подразумевает внедрение одного или нескольких элементов. Наиболее известны соединения вольфрама с молибденом. Легирование этим элементом повышает прочность вольфрама при его растяжении. Также к однофазным сплавам относятся системы: вольфрам-титан/цирконий, ниобий, гафний.

Однако большей пластичности придает вольфраму рений, сохраняя остальные показатели на характерном ему высоком уровне. Но практическое применение таких соединений ограничено трудностями при добыче Re.

Поскольку вольфрам наиболее тугоплавкий материал, получить его сплавы трудно традиционным способом. При температуре плавления вольфрама другие металлы уже кипят или даже переходят в газообразную фазу. Современные технологии позволяют получать ряд сплавов с помощью электролиза. Например, вольфрам — никель — кобальт, который используется не для изготовления целых деталей, а с целью нанесения защитного слоя на менее прочные металлы.

Также в промышленности все еще остается актуальным способ получения вольфрамовых сплавов, используя методы порошковой металлургии. При этом требуется создание особых условий технологического процесса, который включает в себя наличие вакуума. Особенности взаимодействия металлов с вольфрамом делают предпочтительными соединения не парного характера, а с использованием 3, 4-х и более компонентов. Такие сплавы отличаются особенной твердостью, однако малейшее отклонение от процентного содержания того или иного элемента приводит к повышению хрупкости готового сплава.

Вольфрам, как многие другие элементы редкой группы, не встречается в природе. Поэтому добыча металла не сопровождается строительством крупных промышленных комплексов. Сам процесс получения материала условно делят на такие этапы:

1. Добыча руды, содержащей редкий металл.
2. Создание условий для возможного выделения вольфрама от перерабатываемой массы.
3. Концентрирование материала в виде раствора или осадка.
4. Очищение полученного химического соединения.
5. Получение чистого вещества.

Вольфрамовая руда

Более сложным оказывается процесс изготовления компактного металла, к примеру, вольфрамовой проволоки. Основная трудность заключается в том, что нельзя допустить даже малейшего попадания примесей, резко ухудшающих плавкие и прочностные свойства.

Область применения вольфрама

С помощью этого металла изготавливают нити накаливания, рентгеновские трубки, нагреватели, экраны вакуумных печей, предназначающихся для использования в высокотемпературном режиме.

Рентгеновская трубка с нитью из вольфрама

Сталь, легированная вольфрамом имеет высокие прочностные качества. Продукция из таких видов сплава используется для изготовления инструментов широкого предназначения: медицина, бурение скважин, изделия для обработки материалов в машиностроении (режущие пластины, как на фото выше). Преимуществом соединения считается устойчивость к истиранию, маловероятность появления трещин в процессе эксплуатации. Наиболее известная в строительстве марка стали с использованием вольфрама называется «победит».

Лом вольфрама

Химическая промышленность также нашла применение вольфраму. Из него делают краски, катализаторы, пигменты.

Атомная промышленность использует тигли из этого металла, а также специальные контейнера для хранения радиоактивных отходов.

О нанесении покрытий из вольфрама уже вкратце упоминалось. Оно применяется для нанесения на материалы, работающие при высоких температурах в восстановительных и нейтральных средах, как защитная пленка.

Также известны прутки, используемые при дуговой сварке. Поскольку вольфрам неизменно остается тугоплавким металлом при выполнении сварочных работ он используется с присадочными проволоками.

Применение вольфрама | СпецМеталлМастер

На чтение

12 мин.

Опубликовано

30.11.2017

Использование вольфрама (W) в разных отраслях промышленности позволяет изготовить качественные металлические конструкции. Они могут выдерживать даже низкие или высокие температуры, что обеспечивает безопасность и надежность технологических процессов.

Огромной популярностью пользуются и соединения вольфрама, в частности сплавы. Из них изготавливают танковую броню, детали для машино- и самолетостроения, а также внешние оболочки для снарядов или торпед.

Вольфрам, применение которого возможно даже для текстильной промышленности, - незаменимый тугоплавкий металл. Ежегодно объем его производства составляет до 100 тысяч тонн, из них в России до 3 тыс тонн. 

Для чего нужен вольфрам?

W – обязательная составляющая инструментальной стали. С ее помощью производят надежные инструменты для резки, обработки и вытачивания деталей и запчастей. Около 95 % этого элемента поглощает металлургия, остальное – другие отрасли промышленности. При этом применяют не только чистый, но и «грязный» элемент.

Например, сплав ферровольфрам считают «грязным» и самым бюджетным (экономным) сплавом. Он состоит из 20 % железа и 80 % вольфрама. Производят его в специальных электродуговых печах и применяют для потребностей черной металлургии.

Где используют вольфрам?

W и его сплавы обладают прекрасными физическими и химическими свойствами. Среди них можно выделить прочность, ковкость и инертность. Поэтому их можно использовать даже для хранения радиоактивных веществ. Например, таким сплавом есть сплав из Ni, Cu и W. Из него изготавливают специальные контейнеры, где можно сохранять радиоактивные отходы или вещества. Также его используют для потребностей радиотерапии. Ученые доказали: такой сплав на 40 % надежнее, чем сплав из свинца.

Одним из прочных сплавов является соединение кобальта (16 %) и карбида вольфрама. По твердости он может подменить даже алмаз во время сверления скважин различной глубины.

Нельзя обойти вниманием и псевдосплавы из W. Например, его смешивание с медью и серебром считают отличной основой для изготовления выключателя или рубильника электрического тока. По сравнению с простыми медными контактами их эксплуатируют до 6 раз дольше.

Что делают из вольфрама?

Область применения вольфрама различна. Особое место занимают вольфрамовые нити для электроламп. В этой отрасли W заменить практически невозможно. Например, из 1 кг W можно вытянуть проволоку длиной до 3,5 км, из которой получают до 23 тысяч нитей для ламп мощностью в 60 Вт. Это выгодно для всей мировой электропромышленности. Ведь всего 100 тонн W в год целиком удовлетворяет запросы потребителей на электролампы.

Отдельное применение нашли и химические соединения, в составе которых присутствует элемент. Например, для изготовления лаков и устойчивых к свету красок применяют фосфорно-вольфрамовые гетерополикислоты. А вот использование вольфрамата натрия делает ткани огнестойкими и водонепроницаемыми. При этом для производства лазера или светящейся краски тоже не обойтись без вольфрамата со щелочноземельным металлом и кадмием.

Кроме того, применение карбид вольфрама для изготовления режущих инструментов делает строительную отрасль одной из самих перспективных. Ведь с его помощью можно изготовить различные резцы, сверла и фрезы, а также долота для бурения.

Где применяется вольфрам высокой плотности? Классификация сплавов.

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:

1. Возможность концентрировать большую массу в малом объеме.
2. 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:

1. 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.
2. 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.
3. Оптика. Вольфрамовые грузики сложной конфигурации выступают балансирами в микроскопах и других высокоточных оптических инструментах.
4. 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.
5. 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.
6. 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.

1. ВНЖ — это сплавы вольфрама, которые содержат никель и железо,
2. ВНМ — никель и медь,
3. 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.

Добыча вольфрама: способы, переработка и применение

Светло-серый металл, обладающий очень высокой твёрдостью, тугоплавкостью и тяжестью – это вольфрам. Вдобавок к этому он имеет очень высокую химическую стойкость.

Добыча вольфрамовых руд

Содержание вольфрама в земной коре составляет чуть более одной десятитысячной доли процента, что делает его достаточно редким природным ископаемым. В чистом виде он не встречается, поэтому для его добычи используют такие минералы, как вольфрамиты и шеелит. Это вольфрамовые руды, имеющие в своём составе кроме основного металла целый ряд примесей.

В шахтах

Подземный способ добычи руд, содержащих вольфрам, заключается в последовательном обрушении горизонтальных слоёв шахты с дальнейшим накоплением материала в отработанных блоках (так называемое «магазинирование»). Затем собранная выработка грузится на транспорт и извлекается на поверхность.

В карьерах

В них добыча вольфрамовых руд выполняется открытым способом. Путём обваливания внешнего грунта с погружением его на транспортные системы и отправкой на переработку.

Процессы получения вольфрама

Так как ископаемые минералы содержат достаточное количество примесей, то для получения непосредственно самого вольфрама приходится применять трёхэтапную технологию:

• Обогащение добытых руд с целью образования раствора или осадка нужной концентрации. В этот процесс входят гравитация, флотация, магнитная или электростатическая сепарация. Итогом становится получение 60% концентрата вольфрамового ангидрита WO₃.
• Химическое соединение высокой чистоты получают за счёт реакции восстановления под воздействием водорода или углерода. Для получения вольфрамового порошка этого бывает достаточно.
• Но, чтобы изготовить компактные твёрдые слитки – штабики, более удобные для дальнейшей переработки, применяют прессование и спекание. Чтобы они хорошо поддавались ковке, их подвергают высокотемпературному воздействию.

Однако, и это ещё не всё. Для получения столь востребованных изделий, какими являются металлические прутки, вольфрам при температуре порядка 1500⁰C обрабатывают на ротационно-ковочной машине.

Для выпуска проволоки из вышеупомянутых прутков их подвергают волочению, сначала нагрев до 1000⁰ C, а затем постепенно остудив до 400⁰ C. После чего готовую проволоку отжигают, полируют и травят электролитическим способом.

Соединения вольфрама

Самыми распространёнными соединениями вольфрама являются его оксиды, хлориды, карбиды.

Оксид вольфрама, содержащий в своём составе два атома кислорода, является кристаллом тёмно-коричневого цвета. Трёх кислородный вольфрам представляет собой порошок лимонного цвета.

Вольфрамовые карбиды – соединения вольфрама с углеродом – нашли очень широкое применение в ряде отраслей промышленности благодаря своей твёрдости. Это, прежде всего композитные материалы и твёрдые сплавы типа победита, а также смеси карбидов: вольфрама, тантала и титана.

Сплав вольфрама и рения используется в изготовлении термопар, позволяющих измерять температуру свыше 2000⁰C. Правда, в химически неагрессивных средах.

В качестве высокотемпературной смазки употребляется сульфид вольфрама.

Некоторые соединения вольфрама используются в качестве пигментных красителей и катализаторов химических реакций. Вольфрамовая кислота применяется как адсорбент и катализатор при производстве бензина. Монокристаллы из вольфраматов управляют потоками ионизирующих излучений, столь востребованных в медицине и ядерной физике.

Хранение и транспортировка

Условия хранения и транспортировки порошкообразного вольфрама и продукции, содержащей его в своём составе (штабиков, пластин, прутков, проволоки, электродов) определятся требованиями соответствующих государственных стандартов и технических условий, находящих своё отражение в документации на изготавливаемые изделия.

Так как концентрат вольфрама не токсичен, взрывобезопасен и не представляет пожарной опасности, то его хранение и транспортировка не представляют значительной сложности. Проблему представляет лишь его возможность пылеобразования и необходимость защиты изделий от внешних механических воздействий и агрессивных сред.

Поэтому вольфрамовый порошок необходимо упаковывать в специализированные контейнеры или двойные мешки массой не более 50 кг, наружный слой которых должен быть изготовлен из синтетической ткани или полипропилена, внутренний – из бумаги или полиэтилена. Для длительного хранения мешки формируют в транспортные пакеты. Перевозку концентрата производят в открытом подвижном составе, а хранение выполняется в упакованном виде на территории закрытых складских помещений.

Вольфрамовые электроды для хранения и перевозки упаковывают в картонные коробки с пенопластовыми или плотными бумажными ложементами. Затем коробки укладывают в деревянные ящики, защищённые водонепроницаемой бумагой, с дальнейшим уплотнением ватой или бумагой. Электроды, в отличие от концентрата, необходимо перемещать в крытом транспорте.

Аналогичные меры защиты применяют и для сохранности и перемещения других изделий из этого металла.

Продукция переработки

Благодаря своим уникальным свойствам, – прежде всего твёрдости и тугоплавкости, вольфрам с самого момента своего открытия нашёл широкую сферу применения. В качестве тугоплавкого материала он широко используется в металлургии. Хотя и другие отрасли не могут обходиться без столь ценного материала.

Осветительные приборы

Благодаря малой электропроводности и низкой скорости испарения, в своё время вольфрамовые нити накаливания позволили совершить технический переворот во всей индустрии создания электрических осветительных приборов, а также начали использоваться при изготовлении электронно-вакуумных приборов.

Снаряды

Высокий уровень плотности этого материала, доходящий до 19,3 г/см³, наряду с прочностью, предоставил в распоряжение оружейников отличное средство разрушения брони. Сегодня вольфрам – один из основных химических элементов, входящих в состав тяжёлых сплавов сердечников бронебойных пуль и снарядов.

Электроды

Неплавящиеся электроды из вольфрама используются как сварочный материал для процесса, выполняемого с использованием газов. Гелий или аргон защищают место соединения от атмосферного воздействия, а электрод в это время выдерживает значительную температуру и длительный срок эксплуатации. Это позволяет создавать оптимальные условия работы, избегая ненужных затрат.

Нахождение в природе

Месторождения

Геологическое строение земной коры таково, что наибольшие залежи вольфрамовых руд расположены в районах Альп, Гималаев, горных цепей региона Тихого океана. Это территории Казахстана (крупнейшее месторождение – Верхние Кайракты), Китая (наиболее продуктивное месторождение – Жианьши), Канады (месторождение Тангстен) и США (значительные запасы разведаны в месторождении Клаймакс).

Также имеются районы сосредоточения вольфрамитов и шеелитов на территории Боливии, Португалии, Великобритании, Турции, России, Узбекистана, Южной Кореи, Австралии.

В космосе

Прогресс не стоит на месте, а земные ресурсы распределены крайне неравномерно и достаточно ограничены. Освоение космического пространства, позволившее взять пробы с поверхностей ряда небесных тел близлежащих объектов Солнечной системы, дают все основания предполагать наличие огромного количества полезных ископаемых на астероидах, кометах и планетах.

Что открывает очень заманчивые перспективы их будущего освоения. Предполагается, что именно на астероидах содержится огромное количество минералов, причём очень высокой концентрации. В том числе и вольфрам. В связи с тем, что часть этих небесных тел вращаются в близости от Земли, перспективы их освоения становятся очень и очень заманчивыми.

Правительства целого ряда стран, международные космические сообщества и частные агентства активно формируют правовую базу, разрабатывают программы, отправляют миссии. Так Люксембург первым принял закон, разрешающий частную добычу полезных ископаемых в космосе. Активность в этом вопросе проявляют не только ведущие космические державы мира, но и Япония, Индия, Австралия, Израиль. Проводятся активные исследования поверхности Луны, Марса, Венеры.

Пока трудно ставить какую-либо оценку этим усилиям, так как на этом пути стоит множество организационных, технических и финансовых проблем. Хотя многие специалисты считают возможной добычу вольфрама в космосе в 21 веке.

Мировые запасы

Мировые подтверждённые запасы вольфрама составляют 2,6 млн. т. Выявленные ресурсы составляют 12,5 млн. т. Прогнозные ресурсы оцениваются в 9,5 млн. т. Свыше 60 стран мира обладают месторождениями данного металла:

• Китай – 7,5 млн. т.
• Казахстан – 3,1 млн. т.
• Россия – 3 млн. т.
• Канада – 1,7 млн. т.
• США – 0,8 млн. т.
• Австралия – 0,7 млн. т.
• Боливия – 0,5 млн. т.

Надо отметить, что целый ряд стран мирового сообщества обладает месторождениями, непригодными для освоения, вследствие своей нерентабельности. В то время как пять ведущих имеют на своих территориях более 70% осваиваемых запасов.

Страны, добывающие вольфрам

Абсолютным лидером по добыче и экспорту вольфрама на мировом рынке является Китай. Доля этого государства составляет – 82,7% (70 тыс. т) по данным 2019 года. Значительно меньше производят:

• Вьетнам – 4,8 тыс. т.
• Монголия – 1,9 тыс. т.
• Россия – 1,5 тыс. т.
• Боливия – 1,2 тыс. т.

Очевидно, что европейские страны уступили этот сегмент рынка металлов своим азиатским конкурентам, так объём их добычи в 2019 году резко снизился. Австрия, Португалия и Испания совместно произвели в 2019 году 2,14 тыс. т., а Великобритания полностью прекратила добычу, удовлетворяя свои запросы импортом металла.

свойства и марки, области применения и производство тугоплавкого вольфрама, продукция

Вольфрам является тугоплавким металлом. У него есть свои разновидности марок, каждая из которых имеет особенности. Этот элемент в периодической таблице Менделеева находится под 74 номером и имеет светло-серый цвет. Его температура плавления составляет 3380 градусов. Основными его свойствами являются коэффициент линейного расширения, электрическое сопротивление, температура плавления и плотность.

Свойства и марки вольфрама

Вольфрам имеет свои механические и физические свойства, а также несколько разновидностей марок.

К физическим свойствам относят:

• Коэффициент термического линейного расширения — 4,32*10 (-6) м/мК.
• Сопротивление электрическое — 5,5 мкОм*см.
• Теплопроводность — 129 Вт/(м*К).
• Теплоёмкость удельная — 0,147 Дж/(г*К).
• Температура кипения — 5900 градусов.
• Температура плавления — 3380 градусов.
• Плотность — 19,3 г/см3.
• Атомный диаметр — 0,274 нм.
• Атомная масса — 183,84 г/моль.
• Атомный номер — 74.

Механические свойства:

• Относительное удлинение — 0%.
• Временное сопротивление — 800−1100 МПа.
• Коэффициент Пуассона 0,29.
• Модуль сдвига — 151,0 ГПа.
• Модуль упругости — 415,0 ГПа.

Отличается этот металл маленькой скоростью испарения даже при 2 тыс. градусов и очень большой точкой кипения — 5900 градусов. Свойствами, которые ограничивают область использования этого материала, являются малое сопротивление окислению, высокая склонность к ломкости и высокая плотность. На вид он напоминает сталь. Используется для того, чтобы изготавливать сплавы высокой прочности. Обработать его можно только после нагревания. Температура нагрева зависит от того, какой именно метод обработки вы собираетесь проводить.

Вольфрам имеет такие марки:

1. МВ — сплав вольфрама и молибдена. Повышается прочность молибдена при сохранении пластичности после обжига.
2. ВРН — вольфрам без присадки. В нём допустимо повышенное содержание примесей.
3. ВР — сплав рения и вольфрама.
4. ВЛ, ВИ, ВТ — вольфрам с присадкой окиси лантана, иттрия и тория соответственно. Повышают эмиссионные свойства вольфрама.
5. ВМ — вольфрам с ториевой и кремнещелочной присадками. Повышает температуру рекристаллизации и прочность при высоких температурах.
6. ВА — вольфрам с алюминиевой и кремнещелочной присадками. Увеличивает температуру первичной рекристаллизации, формоустойчивость при больших температурах, а также прочность после отжига.
7. ВЧ — чистый без присадок.

Область применения

Из-за своих уникальных свойств вольфрам получил широкое применение. В промышленности он применяется в чистом виде и в сплавах.

Основными областями применения являются:

• Стали специальные. При производстве быстрорежущих сталей и для инструментальных сталей этот материал применяется в качестве легирующего элемента или же основного компонента. Из таких сталей производят штампы, пуансоны, фрезы, свёрла и прочие. Буква «Р» в названии сплава означает, что это быстрорежущая сталь, а буквы «К» или «М» — сталь легированная кобальтом или молибденом. Вольфрам ещё входит в состав сталей магнитных, которые подразделяются на вольфрам кобальтовые и вольфрамовые.
• Сплавы твёрдые на основе карбида вольфрама. Это соединение углерода и вольфрама. Он тугоплавкий, износостойкий и имеет высокую твёрдость. Из него изготавливают рабочие части буровых и режущих инструментов.
• Износостойкие и жаропрочные сплавы. В них использована тугоплавкость вольфрама. Наиболее распространёнными являются хромовые и кобальтовые соединения — стеллиты. Обычно их при помощи наплавки наносят на сильно изнашивающиеся машинные детали.
• Тяжёлые и контактные соединения. К ним относят сплавы вольфрама с серебром и медью. Это довольно эффективные контактные материалы для производства рабочих частей выключателей, рубильников, электродов для точечной сварки и прочих оборудований.
• Электроосветительная и электровакуумная техника. Вольфрам в виде разных кованых деталей, ленты или проволоки используют в производстве рентгенотехники, радиоэлектроники и электроламп. Это лучший материал для спиралей и нитей накаливания. Вольфрамовые прутки и проволоки служат для высокотемпературных печей электронагревателями. Эти электронагреватели могут работать в атмосфере инертного газа, водорода или вакуума.
• Сварочные электроды. Сварка является важной сферой для применения этого металла. Из него делают электроды для сварки дуговой, так как они неплавкие.

Процесс производства тугоплавкого вольфрама

Этот материал относят к редким металлам. Для него характерны сравнительно небольшие объёмы потребления и производства, а также в земной коре малая распространённость. Никакой из редких металлов не получают восстановлением из сырья. Изначально оно перерабатывается в соединение химическое. А ещё любая редкометаллическая руда перед переработкой подвергается дополнительному обогащению.

Выделяют три главные стадии для получения редкого металла:

1. Разложение руды. Извлекаемый металл отделяется от основной массы перерабатываемого сырья. Он концентрируется в осадке или растворе.
2. Получение химического чистого соединения. Его выделение и очистка.
3. Из полученного соединения выделяют металл. Так получают чистые материалы без примесей.

В процессе получения вольфрама тоже есть несколько стадий. Исходное сырьё — шеелит и вольфрамит. Обычно в их составе содержится от 0,2 до 2% вольфрама.

1. Обогащение руды производится при помощи электростатической или магнитной сепарации, флотации, гравитации. В итоге получают концентрат вольфрамовый, который содержит примерно 55−65% ангидрида вольфрама. Контролируется в них и наличие примесей: висмута, сурьмы, меди, олова, мышьяка, серы, фосфора.
2. Получение вольфрамового ангидрида. Он является сырьём для изготовления вольфрама металлического или же его карбида. Для этого проводится ряд процедур, таких как: выщелачивание спёка и сплава, разложение концентратов, получение вольфрамовой технической кислоты и прочие. В результате этих действий должен получиться продукт, который будет содержать в себе 99,9% трехокиси вольфрама.
3. Получение порошка. В виде порошка чистый металл может быть получен из ангидрида. Для этого проводится восстановление углеродом или водородом. Углеродное восстановление проводится реже, потому что ангидрид насыщается карбидами и это приводит к хрупкости металла и ухудшению обработки. При получении порошка применяют специальные методы, которые позволяют контролировать форму и размер зёрен, гранулометрический и химический составы.
4. Получение вольфрама компактного. В основном он в виде слитков или штабиков является заготовкой для изготовления полуфабрикатов: ленты, прутков, проволоки и прочих.

Вольфрамовая продукция

Из вольфрама изготавливают многие необходимые для хозяйства предметы, такие как проволока, прутки и прочие.

Прутки

Одной из наиболее распространённой продукцией из этого тугоплавкого материала являются вольфрамовые прутки. Исходным материалом для его изготовления является штабик.

Чтобы из штабика получить пруток его подвергают ковке, используя ротационную ковочную машину.

Осуществляется ковка при нагревании, так как этот металл при комнатной температуре очень хрупкий. В ковке выделяют несколько этапов. На каждом последующем прутки получаются меньшего диаметра.

На первом этапе получаются прутки, которые будут иметь диаметр до 7 миллиметров, если штабик будет иметь длину от 10 до 15 сантиметров. Температура заготовки при ковке должна равняться 1450−1500 градусов. Нагревающим материалом обычно является молибден. После второго этапа прутки будут составлять в диаметре до 4,5 миллиметров. Температура штабика при её производстве примерно 1250−1300 градусов. На следующем этапе прутки будут иметь диаметр до 2,75 миллиметров.

Прутки марок ВЧ и ВА получают при более низких температурах, чем марок ВИ, ВЛ и ВТ.

Если заготовка была получена методом плавки, то горячая ковка не осуществляется. Связано это с тем, что такие слитки имеют крупнокристаллическую грубую структуру. При использовании горячей ковки могут появиться разрушения и трещины.

В этой ситуации вольфрамовые слитки подвергаются горячему двойному прессованию (приблизительная степень деформации 90%). Производится первое прессование при температурном режиме в 1800—1900 градусов, а второе — 1350−1500. После этого заготовки подвергаются горячей ковке для того, чтобы из них получить вольфрамовые прутки.

Эта продукция применяется во многих промышленных отраслях. Одна из наиболее распространённых — сварочные неплавящиеся электроды. Для них подойдут прутки, которые изготовлены из марок ВЛ, ВЛ и ВТ. В качестве нагревателей применяются прутки, изготовленные из марок МВ, ВР и В. А. Они применяются в печах, температура которых может достигать 3 тыс. градусов в вакууме, атмосфере инертного газа или водорода. Вольфрамовые прутки могут быть катодами газозарядных и электронных приборов, а также радиоламп.

Электроды

Одним из главных компонентов, которые необходимы для сварки, являются сварочные электроды. При сварке дуговой они используются наиболее широко. Относится она к термическому классу сварки, в котором за счёт термической энергии осуществляется плавление. Автоматическая, полуавтоматическая или ручная дуговая сварка является самой распространённой. Вольтовой дугой создаётся тепловая энергия, которая находится между изделием и электродом. Дугой называют стабильный мощный электрический заряд в ионизированной атмосфере паров металла, газов. Чтобы получить дугу, электрод к месту сварки проводит электрический ток.

Сварочным электродом называют проволочный стержень, на который нанесено покрытие (возможны варианты и без покрытия). Для сварки существует множество различных электродов. Их отличительными чертами являются диаметр, длина, химический состав. Для сварки определённых сплавов или металлов применяются разные электроды. Наиболее важным видом классификации является разделение электродов на неплавящиеся и плавящиеся.

Сварочные плавящиеся электроды во время сварки расплавляются, их металл вместе с металлом расплавленным свариваемой детали пополняют сварочную ванну. Выполняют такие электроды из меди и стали.

А вот электроды неплавящиеся в процессе сварки не расплавляются. К ним относят вольфрамовые и угольные электроды. При сварке необходимо подавать присадочный материал, который плавится и с расплавленным материалом свариваемого элемента образуют сварочную ванну. Для этих целей в основном применяют сварочные прутки или проволоку. Электроды сварочные могут быть непокрытыми и покрытыми. Покрытие играет важную роль. Его компоненты могут обеспечить получение металла швов определённых свойств и состава, защиту расплавленного металла от влияния воздуха и стабильное горение дуги.

Составляющие в покрытии могут быть раскисляющими, шлакообразующими, газообразующими, стабилизирующими или легирующими. Покрытие может быть целлюлозным, основным, рутиловым или кислым.

Вольфрамовые электроды используются для сварки металлов цветных, а также их сплавов, высоколегированных сталей. Хорошо вольфрамовый электрод подходит для образования сварного шва повышенной прочности, при этом детали могут иметь различный химический состав.

Вольфрамовая продукция очень качественная и нашла своё применение во многих отраслях, в некоторых она просто незаменима.

Вольфрам. Описание, свойства, происхождение и применение металла

Вольфрам — самый тугоплавкий из металлов. Более высокую температуру плавления имеет только неметаллический элемент — углерод. При стандартных условиях химически стоек. Название Wolframium перешло на элемент с минерала вольфрамит, известного ещё в XVI в. под названием лат. Spuma lupi («волчья пена») или нем. Wolf Rahm («волчьи сливки», «волчий крем»). Название было связано с тем, что вольфрам, сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков («пожирает олово как волк овцу»).

СТРУКТУРА

Кристалл вольфрама имеет объемноцентрированную кубическую решетку. Кристаллы вольфрама на холоду отличаются малой пластичностью, поэтому в процессе прессования порошка они практически почти не изменяют своей основной формы и размеров и уплотнение порошка происходит главным образом путем относительного перемещения частиц.

В объемно-центрированной кубической ячейке вольфрама атомы располагаются по вершинам и в центре ячейки, т.е. на одну ячейку приходится два атома. ОЦК-структура не является плотнейшей упаковкой атомов. Коэффициент компактности равен 0,68. Пространственная группа вольфрама Im3m.

СВОЙСТВА

Вольфрам — блестящий светло-серый металл, имеющий самые высокие доказанные температуры плавления и кипения (предполагается, что сиборгий ещё более тугоплавок, но пока что об этом твёрдо утверждать нельзя — время существования сиборгия очень мало). Температура плавления — 3695 K (3422 °C), кипит при 5828 K (5555 °C). Плотность чистого вольфрама составляет 19,25 г/см³. Обладает парамагнитными свойствами (магнитная восприимчивость 0,32·10−9). Твердость по Бринеллю 488 кг/мм², удельное электрическое сопротивление при 20 °C — 55·10−9 Ом·м, при 2700 °C — 904·10−9 Ом·м. Скорость звука в отожжённом вольфраме 4290 м/с. Является парамагнетиком.

Вольфрам является одним из наиболее тяжелых, твердых и самых тугоплавких металлов. 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.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 1,3 г/т (0,00013 % по содержанию в земной коре). Его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных — 0,1, основных — 0,7, средних — 1,2, кислых — 1,9.

Процесс получения вольфрама проходит через подстадию выделения триоксида WO₃ 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.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трехокисью вольфрама WO₃ с оксидами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрамат железа и марганца nFeWO₄ * mMnWO₄ — соответственно, ферберит и гюбнерит) и шеелит (вольфрамат кальция CaWO₄). Вольфрамовые минералы обычно вкраплены в гранитные породы, так что средняя концентрация вольфрама составляет 1—2 %.

Наиболее крупными запасами обладают Казахстан, Китай, Канада и США; известны также месторождения в Боливии, Португалии, России, Узбекистане и Южной Корее. Мировое производство вольфрама составляет 49—50 тысяч тонн в год, в том числе в Китае 41, России 3,5; Казахстане 0,7, Австрии 0,5. Основные экспортёры вольфрама: Китай, Южная Корея, Австрия. Главные импортёры: США, Япония, Германия, Великобритания.
Также есть месторождения вольфрама в Армении и других странах.

ПРИМЕНЕНИЕ

Тугоплавкость и пластичность вольфрама делают его незаменимым для нитей накаливания в осветительных приборах, а также в кинескопах и других вакуумных трубках.
Благодаря высокой плотности вольфрам является основой тяжёлых сплавов, которые используются для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль и сверхскоростных роторов гироскопов для стабилизации полёта баллистических ракет (до 180 тыс. об/мин).

Вольфрам используют в качестве электродов для аргоно-дуговой сварки. Сплавы, содержащие вольфрам, отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твердостью и устойчивостью к истиранию. Из них изготовляют хирургические инструменты (сплав «амалой»), танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей, контейнеры для хранения радиоактивных веществ. Вольфрам — важный компонент лучших марок инструментальных сталей. Вольфрам применяется в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления в качестве нагревательных элементов. Сплав вольфрама и рения применяется в таких печах в качестве термопары.

Для механической обработки металлов и неметаллических конструкционных материалов в машиностроении (точение, фрезерование, строгание, долбление), бурения скважин, в горнодобывающей промышленности широко используются твёрдые сплавы и композитные материалы на основе карбида вольфрама (например, победит, состоящий из кристаллов WC в кобальтовой матрице; широко применяемые в России марки — ВК2, ВК4, ВК6, ВК8, ВК15, ВК25, Т5К10, Т15К6, Т30К4), а также смесей карбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала (марки ТТ для особо тяжёлых условий обработки, например, долбление и строгание поковок из жаропрочных сталей и перфораторное ударно-поворотное бурение крепкого материала). Широко используется в качестве легирующего элемента (часто совместно с молибденом) в сталях и сплавах на основе железа. Высоколегированная сталь, относящаяся к классу «быстрорежущая», с маркировкой, начинающейся на букву Р, практически всегда содержит вольфрам. ( Р18, Р6М5. от rapid — быстрый, скорость).

Сульфид вольфрама WS₂ применяется как высокотемпературная (до 500 °C) смазка. Некоторые соединения вольфрама применяются как катализаторы и пигменты. Монокристаллы вольфраматов (вольфраматы свинца, кадмия, кальция) используются как сцинтилляционные детекторы рентгеновского излучения и других ионизирующих излучений в ядерной физике и ядерной медицине.

Дителлурид вольфрама WTe₂ применяется для преобразования тепловой энергии в электрическую (термо-ЭДС около 57 мкВ/К). Искусственный радионуклид ¹⁸⁵W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества. Стабильный ¹⁸⁴W используется как компонент сплавов с ураном-235, применяемых в твердофазных ядерных ракетных двигателях, поскольку это единственный из распространённых изотопов вольфрама, имеющий низкое сечение захвата тепловых нейтронов (около 2 барн).

Вольфрам (англ. Tungsten) — W

КЛАССИФИКАЦИЯ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Интересные статьи: