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.
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 - 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»).
Смотрите так же:
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 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.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
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 %.
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 WS 2 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 WTe 2 применяется для преобразования тепловой энергии в электрическую (термо-ЭДС около 57 мкВ/К). Искусственный радионуклид 185 W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества. Стабильный 184 W 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
| Nickel-Strunz (10-ое издание) | 1.AE.05 |
| Dana (7-ое издание) | 1.1.38.1 |
Вольфрам долгое время не находил
практического применения. И только в конце XIX века замечательные свойства
этого металла стали использоваться в промышленности. В настоящее время около 80
процентов добываемого вольфрама применяется в вольфрамовых сталях, около 15
процентов вольфрама используют для производства твердых сплавов. Важной
областью применения чистого вольфрама и чистых сплавов из него является
электротехническая промышленность, где он используется при изготовлении нитей
накаливания электрических ламп, для деталей радиоламп и рентгеновских трубок,
автомобильного и тракторного электрооборудования, электродов для контактной,
атомно-водородной и аргоно-дуговой сварки, нагревателей для электропечей и др.
Соединения вольфрама нашли применение в производстве огнестойких,
водоустойчивых и утяжеленных тканей, как катализаторы в химической
промышленности.
Ценность вольфрама особенно повышает его способность
образовывать сплавы с различными металлами железом, никелем, хромом, кобальтом,
молибденом, которые в различных количествах входят в состав стали. Вольфрам,
добавленный в небольших количествах к стали, вступает в реакции с содержащимися
в ней вредными примесями серы, фосфора, мышьяка и нейтрализует их отрицательное
влияние. В результате сталь с добавкой вольфрама получает высокую твердость,
тугоплавкость, упругость и устойчивость против кислот. Всем известно высокое
качество клинков из дамасской стали, в которой содержится несколько процентов
примеси вольфрама. Еще в. 1882 году вольфрам стали использовать при
изготовлении пуль. В орудийной стали, бронебойных снарядах также содержится
вольфрам. Сталь с присадкой вольфрама идет на изготовление прочных рессор
автомобилей и железнодорожных вагонов, пружин и ответственных деталей различных
механизмов. Рельсы, изготовленные из вольфрамовой стали, выдерживают намного
большие нагрузки, и срок их службы значительно дольше, чем рельсов из обычных
сортов стали. Замечательным свойством стали с добавкой 918 процентов вольфрама
является ее способность к самозакаливанию, то есть при увеличении нагрузок и
температуры эта сталь становится еще прочнее. Это свойство явилось основанием
для изготовления целой серии инструментов из так называемой «быстрорежущей
инструментальной стали». Применение резцов из нее позволило в свое время в
несколько раз увеличить скорость обработки деталей на металлорежущих станках.
И все же инструменты, изготовленные из быстрорежущей стали, по
скорости резания в 35 раз уступают инструментам из твердых сплавов. К их числу
относятся соединения вольфрама с углеродом (карбиды) и бором (бориды). Эти
сплавы по твердости близки к алмазам. Если условная твердость самого твердого
из всех веществ алмаза выражается 10 баллами, то твердость вольфрамо-карбида
(вокара) 9,8. К числу этих сплавов относится и широко известный победит сплав
углерода с вольфрамом и добавкой кобальта. Сам победит вышел из употребления,
но это название сохранилось применительно к целой группе твердых сплавов. В
машиностроительной промышленности из твердых сплавов изготавливают также штампы
для кузнечных прессов. Они изнашиваются примерно в тысячу раз медленнее
стальных.
Особенно важной и интересной областью применения вольфрама
является изготовление элементов накала (нитей) электрических ламп накаливания.
Для изготовления нитей электроламп используют чистый вольфрам. Свет, излучаемый
раскаленной нитью вольфрама, близок к дневному. А количество света, излучаемое
лампой с вольфрамовой нитью, в несколько раз превышает излучение ламп из нитей,
изготовленных из других металлов (осьмия, тантала). Световое излучение
(световая отдача) электроламп с вольфрамовой нитью в 10 раз выше, чем у ранее
применявшихся ламп с угольной нитью. Яркость свечения, долговечность,
экономичность в потреблении электроэнергии, небольшие затраты металла и
простота изготовления электрических ламп с вольфрамовой нитью обеспечили им
самое широкое применение при освещении.
Широкие возможности применения вольфрама обнаружились в
результате открытия, сделанного известным американским физиком Робертом
Уилъямсом Вудом. В одном из опытов Р. Вуд обратил внимание на то, что свечение
вольфрамовой нити с торцовой части катодной трубки его конструкции продолжается
и после отключения электродов от аккумулятора. Это настолько поразило его
современников, что Р. Вуда стали называть чародеем. Исследования показали, что
вокруг нагретой вольфрамовой нити происходит термическая диссоциация молекул
водорода они распадаются на отдельные атомы. После отключения энергии атомы водорода снова соединяются в молекулы, и при
этом выделяется большое количество тепловой энергии, достаточное, чтобы
раскалить тонкую вольфрамовую нить и вызвать ее свечение. На этом эффекте
разработан новый вид сварки металлов атомно-водородный, давший возможность
сваривать различные стали, алюминий, медь, латунь в тонких, листах с получением
чистого и ровного шва. Металлический вольфрам при этом используется в качестве
электродов. Вольфрамовые электроды применяются также и при более широко
распространенной аргонодуговой сварке.
В химической промышленности вольфрамовая проволока, очень
стойкая против кислот и щелочей, применяется для изготовления сеток различных
фильтров. Вольфрам нашел применение также как катализатор с его помощью
изменяют скорость химических реакций в технологическом процессе. Группа
вольфрамовых соединении в промышленности и лабораторных условиях используется
как реактивы для определения белка и других органических и неорганических
соединений.
Вольфрамовые соединения используются и в полиграфической
промышленности в качестве красок (шафрановая, вольфрамовая синь, вольфрамовая
желть). Пиротехники добавляют соединения вольфрама в состав горючих смесей и
получают разноцветные огни ракет и фейерверков. В свето-печатании используется
бумага, обработанная вольфрамитом натрия. В текстильной промышленности солью
вольфрамовой кислоты вольфраматом натрия протравливают ткани при крашении.
Такие ткани непромокаемы и не боятся огня. Дерево тоже становится огнестойким,
если его обработать этим веществом.
Дителлурид вольфрама WTe 2 применяется для преобразования тепловой энергии в электрическую (термо-ЭДС около 57 мкВ/К).
Коэффициент температурного расширения вольфрама близок к
таковому у кремния, поэтому на вольфрамовые подложки припаивают кремниевые
кристаллы мощных транзисторов – чтобы избежать растрескивания этих кристаллов
при нагреве.
Даже неполный перечень применения вольфрама и его соединений в
промышленности дает представление о высокой ценности этого элемента. Сейчас
трудно представить, как бы любой из нас смог обходиться даже в повседневной
жизни без вольфрама. И конечно, возможности ого использования будут
раскрываться и дальше.
Почти вся мировая вольфрамовая промышленность в период первой
мировой войны была сосредоточена в Германии. Но сырье для нее вольфрамовые
концентраты поставлялись из других стран. Поэтому, изолированные от поставщиков
сырья, немцы вынуждены были перерабатывать шлаки, скопившиеся около оловянных плавилен
(вспомним «волчью пену»!) и получали из них около 100 тонн вольфрама в год.
В это же время потребности военной промышленности в вольфраме
вызвали «вольфрамовую лихорадку» во многих странах. В России поставщиками
вольфрамовых руд стали Урал и Забайкалье. Стараясь нажиться па «вольфрамовой
лихорадке», предприниматели не очень считались с интересами государства. Так,
промышленник Толмачев, владевший Забайкальскими месторождениями Букука и
Оланду, решил сдать их в аренду шведской фирме. И только своевременное
вмешательство Геологического комитета предотвратило это. В условиях военного
времени рудники у этого дельца были реквизированы.
Искусственный радионуклид 185 W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества. Стабильный 184 W применяется как компонент сплавов с ураном-235, применяемых в твердофазных ядерных ракетных двигателях, поскольку это единственный из распространённых изотопов вольфрама, имеющий низкое сечение захвата тепловых нейтронов (около 2 барн).
Перед началом первой мировой войны в 1913 году в мире было произведено 8 123 тонны вольфрамового концентрата (с содержанием 60 процентов трехокиси вольфрама). Перед второй мировой войной его производство быстро увеличилось и в 1940 году составило 44 013 тонн (без Советского Союза). По данным Горного бюро США, в 1972 году мировое производство вольфрама составило около 38 400 тонн.
Применение вольфрамовых сплавовВольфрамовые сплавы обладают многими замечательными качествами. Так называемый тяжелый металл (из вольфрама, никеля и меди) служит для изготовления контейнеров, в которых хранят радиоактивные вещества. Его защитное действие на 40% выше, чем у свинца. Этот сплав применяют и при радиотерапии, так как он создает достаточную защиту при сравнительно небольшой толщине экрана.
Сплав карбида вольфрама с 16% кобальта настолько тверд, что может частично заменить алмаз при бурении скважин.
Псевдосплавы вольфрама с медью и серебром – превосходный материал для рубильников и выключателей электрического тока высокого напряжения: они служат в шесть раз дольше обычных медных контактов.
О применении вольфрама в волосках электроламп говорилось в начале статьи. Незаменимость вольфрама в этой области объясняется не только его тугоплавкостью, но и пластичностью. Из одного килограмма вольфрама вытягивается проволока длиной 3,5 км, т.е. этого килограмма достаточно для изготовления нитей накаливания 23 тыс. 60-ваттных лампочек. Именно благодаря этому свойству мировая электротехническая промышленность потребляет всего около 100 т вольфрама в год.
В последние годы важное практическое значение приобрели химические соединения вольфрама. В частности, фосфорно-вольфрамовая гетерополикислота применяется для производства лаков и ярких, устойчивых на свету красок. Раствор вольфрамата натрия Na 2 WO 4 придает тканям огнестойкость и водонепроницаемость, а вольфраматы щелочноземельных металлов, кадмия и редкоземельных элементов применяются при изготовлении лазеров и светящихся красок.
Вольфрам — это тусклый серебристый металл с самой высокой точкой плавления любого чистого металла.
Также известный как Вольфрам, из которого элемент принимает свой символ, W, вольфрам более устойчив к разрыву, чем алмаз, и намного тверже, чем сталь. Это уникальные свойства тугоплавких металлов — ее прочность и способность выдерживать высокие температуры — что делает его идеальным для многих коммерческих и промышленных применений.
Вольфрам в основном извлекается из двух видов минералов: вольфрамита и шеелита. Однако рециркуляция вольфрама также составляет около 30% мирового предложения. Китай является крупнейшим в мире производителем металла, обеспечивающим более 80% мирового предложения.
После обработки и разделения вольфрамовой руды производится химическая форма, паравольфрамат аммония (APT). APT можно нагревать водородом с образованием оксида вольфрама или реагировать с углеродом при температурах выше 1925 ° F (1050 ° C) для получения вольфрамового металла.
Приложения:
Первичное применение вольфрама на протяжении более 100 лет было в качестве нити накаливания ламп накаливания. Приготовленный небольшими количествами калий-алюмосиликат, вольфрамовый порошок спекается при высокой температуре, чтобы получить проволочную нить, которая находится в центре лампочек, которые светят миллионы домов по всему миру.
Благодаря способности вольфрама сохранять свою форму при высоких температурах вольфрамовые нити теперь также используются в различных бытовых применениях, включая лампы, прожекторы, нагревательные элементы в электрических печах, микроволновые печи, рентгеновские трубки и электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) в компьютерных мониторах и телевизорах.
Толерантность металла к интенсивному нагреву также делает его идеальным для термопар и электрических контактов в электродуговых печах и сварочном оборудовании. Применения, требующие концентрированной массы или веса, такие как противовесы, рыболовные грузики и дартс, часто используют вольфрам из-за его плотности.
Карбид вольфрама:
Карбид вольфрама получают либо путем соединения одного атома вольфрама с одним атомом углерода (представленным химическим символом WC), либо двумя атомами вольфрама с одним атомом углерода (W2C). Это делается путем нагрева вольфрамового порошка углеродом при температурах от 2550 ° F до 2900 ° F (1400 ° C до 1600 ° C) в потоке газообразного водорода.
Согласно шкале твердости Моха (мера способности одного материала царапать другой), карбид вольфрама имеет твердость 9,5, только немного ниже, чем алмаз. По этой причине это твердое соединение спекается, процесс, который требует прессования и нагрева порошковой формы при высоких температурах, для изготовления изделий, используемых при механической обработке и резке. Результатом этого являются материалы, которые могут работать в условиях высокой температуры и напряжения, таких как сверла, токарные инструменты, фрезы и бронебойные боеприпасы.
Цементированный карбид производится с использованием комбинации карбида вольфрама и порошка кобальта и используется для изготовления износостойких инструментов, таких как используемые в горнодобывающей промышленности.
Туннельно-расточной станок, который использовался для копания туннеля канала, связывающего Великобританию с Европой, фактически был оснащен почти 100 цементированными карбидными кончиками.
Вольфрамовые сплавы:
Вольфрамовый металл можно комбинировать с другими металлами, чтобы повысить их прочность и устойчивость к износу и коррозии. Стальные сплавы часто содержат вольфрам для этих полезных свойств. Многие высокоскоростные стали, используемые в режущих и обрабатывающих инструментах, таких как пильные диски, содержат около 18 процентов вольфрама.
Сплавы из вольфрамовой стали также используются при производстве сопел ракетных двигателей, которые должны обладать высокими термостойкими свойствами. Другие вольфрамовые сплавы включают стеллит (кобальт, хром и вольфрам), который используется в подшипниках и поршнях из-за его долговечности и износостойкости, а Hevimet, который производится путем спекания порошка вольфрамового сплава и используется в боеприпасах, дротильных бочках, и гольф-клубы.
Суперсплавы из кобальта, железа или никеля, наряду с вольфрамом, могут использоваться для производства лопаток турбины для самолетов.