Вольфрам. Химический элемент, символ W (лат. Wolframium, англ. Tungsten, франц. Tungstene, нем. Wolfram , от нем. Wolf Rahm - волчья слюна, пена ). Имеет порядковый номер 74, атомный вес 183, 85, плотность 19, 30 г/см 3 , температуру плавления 3380 ° С, температуру кипения 5680 ° С.

Вольфрам - металл светло-серого цвета, при комнатной температуре обладает высокой коррозионной стойкостью в воде и на воздухе, а также в кислотах и щелочах. Он начинает немного окисляться на воздухе при 400-500 ° С (при температуре красного каления) и интенсивно окисляется при более высоких температурах. Вольфрам образует два устойчивых окисла: WO 3 и WO 2 . С водородом вольфрам не взаимодействует практически до самого плавления, а с азотом начинает вступать в реакцию только при температурах более 2000 ° С. С хлором вольфрам образует хлориды WCl 2 , WCl 4 , WCl 5 , WCl 6 . Твёрдый углерод и некоторые содержащие его газы при 1100-1200 ° С реагируют с вольфрамом, образуя карбиды WC и W 2 C.

Вольфрам растворяется в смесях плавиковой и азотной кислот , также растворяется в расплавленных щелочах при доступе воздуха и особенно окислителей. Отдельные кислоты на вольфрам не действуют.

Вольфрам очень высокой чистоты пластичен при комнатной температуре. По прочности при высоких температурах вольфрам превосходит все остальные металлы. На механические свойства вольфрама сильное влияние оказывают примеси. Содержание в металле небольших количеств примесей делает его очень хрупким (хладноломким). Наиболее отрицательное влияние на свойства вольфрама оказывают кислород, азот, углерод, железо, фосфор, кремний.

Вольфрам широко используют в радиоламповой, радиотехнической и электронно-вакуумной промышленности для изготовления нитей накаливания, нагревателей и экранов высокотемпературных вакуумных печей, электрических контактов, катодов рентгеновских трубок.

В металлургии вольфрамом легируют стали и используют при изготовлении твёрдых сплавов (например, металлокерамический сплав на основе карбида вольфрама - победит), в химической промышленности из него изготовляют краски и катализаторы, в ракетной технике - изделия, работающие при очень высоких температурах, в атомной промышленности - тигли для хранения радиоактивных материалов, т.к. защитное действие у сплава вольфрама, никеля и меди выше, чем у свинца . Сплавы с металлами получают спеканием, а не давлением потому, что при температуре плавления вольфрама многие металлы превращаются в пар.

Вольфрам применяют также для нанесения покрытий: на детали, работающие при очень высоких температурах в восстановительной и нейтральной средах; на литейные формы из молибдена , используемые для получения прутков сильно радиоактивных металлов; на детали, работающие на трение.

Также распространены сплавы на основе вольфрама с рением. Добавка рения (до 20-25%) снижает температуру перехода вольфрама в хрупкое состояние, резко повышает его пластичность при нормальной температуре и улучшает технологические свойства. Сплавы получают методом порошковой металлургии и плавлением в электродуговых вакуумных печах. Из этих сплавов изготовляют термопары, электрические контакты.

Сплавы вольфрама с молибденом пригодны для работы при температурах более 3000 ° С, применяют их для сопел реактивных двигателей.

При нагревании вольфрама выше 400 ° С на его поверхности образуется порошкообразный окисел жёлтого цвета, который заметно испаряется при температурах более 800 ° С. Поэтому вольфрам может быть использован как высокопрочный материал при высоких температурах только при надёжной защите поверхности изделия от воздействия окисляющей среды или при работе в нейтральной среде или в вакууме. Для кратковременной защиты вольфрама от окисления при 2000-3000 ° С применяют керамические эмалевидные покрытия, содержащие тугоплавкие соединения в качестве основного заполнителя им тугоплавкое связующее стекло.

Имеющий светло-серый цвет. В периодической системе Менделеева ему принадлежит 74 порядковый номер. Химический элемент является тугоплавким. В своем составе он содержит 5 стабильных изотопов.

Химические свойства вольфрама

Химическая стойкость вольфрама на воздухе и в воде достаточно высока. При нагревании подвержен окислению. Чем больше температура, тем выше скорость окисления химического элемента. При температуре, превышающей 1000°С, вольфрам начинает испаряться. При комнатной температуре , соляная, серная, плавиковая и азотная кислоты не могут оказывать на вольфрам никакого действия. Смесь азотной и плавиковой кислот растворяют вольфрам. Ни в жидком, ни в твердом состоянии вольфрам не смешивается с золотом, серебром, натрием, литием. Также не происходит взаимодействия с , магнием, кальцием, ртутью. Вольфрам в тантале и ниобии, а с хромом и может образовывать растворы как в твердом, так и в жидком состоянии.

Применение вольфрама

Применяют вольфрам в современной промышленности как в чистом виде, так и в . Вольфрам относится к износоустойчивым металлам. Часто сплавы, имеющих в составе вольфрам, применяют для изготовления лопастей турбин и клапанов авиадвигателей. Также этот химический элемент нашел свое применение для изготовления различных деталей в рентгенотехнике и радиоэлектронике. Вольфрам используют для нитей электроламп.

Химические соединения вольфрама в последнее время нашли свое практическое применение. Гетерополикислота фосфорно-вольфрамовая используется при производстве ярких красок и лаков, устойчивых на свету. Для изготовления светящихся красок и изготовлении лазеров применяются вольфраматы редкоземельных элементов, щелочноземельных металлов и кадмия.

Сегодня традиционные обручальные кольца из золота стали заменять изделиями из других металлов. Популярность приобрели кольца обручальные из карбида вольфрама. Такие изделия отличаются высокой прочностью. Зеркальная полировка кольца со временем не тускнеет. Изделие сохранит свое первоначальное состояние на весь срок использования.

Вольфрам используют в виде легирующей добавки для стали. Это придает стали прочность и твердость при высокой температуре. Таким образом, инструменты, изготовленные из вольфрамовой стали, обладают способностью выдерживать весьма интенсивные процессы металлообработки.

Вольфрам считается самым тугоплавким из известных металлов. Впервые был получен в 18 веке, но промышленное использование началось гораздо позже, с развитием технологии производства.

Основные характеристики

Как самый тугоплавкий металл, вольфрам имеет специфические свойства:

Температура плавления вольфрама - примерно соответствует температуре солнечной короны - 3422 °С.
Вместе с этим, плотность чистого вольфрама ставит его в один ряд с наиболее плотными металлами. Его плотность практически равна плотности золота - 19,25 г/см 3 .
Теплопроводность вольфрама зависит от температуры и составляет от 0,31 кал/см·сек·°С при 20°С до 0,26 кал/см·сек·°С при 1300°С.
Теплоемкость также близка к золоту и составляет 0.15·10 3 Дж/(кг·К).

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

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

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

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

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

Получение вольфрама

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

В основе большинства методов промышленного получения вольфрама лежит восстановление металла из его оксида. Первая стадия производства состоит в обогащении вольфрамосодержащей руды. Затем при помощи операций выщелачивания и восстановления получают оксид WO 3 , который восстанавливают до чистого металла в атмосфере водорода. Температура процесса составляет около 700 °С.

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

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

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

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

Применение вольфрама

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

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

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

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

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

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

Сплавы на основе вольфрама

Сплавы вольфрама возможно получить исключительно методом порошковой металлургии. Это вызвано большой разницей температур плавления входящих в состав сплава металлов. Порошки исходных составляющих после смешивания прессуются, а затем подвергаются спеканию. В результате капиллярных сил более легкоплавкие металлы заполняют пространство между зернами вольфрама, образуя монолитный сплав. На границах зерен образуются твердые растворы компонентов сплава.

Наибольшее распространение получили сплавы вольфрама с медью, железом и никелем. Самые распространенные сплавы ВНЖ и ВНМ включают в себя вольфрам - никель - железо и вольфрам - никель - медь.

Для достижения особых характеристик в состав могут входить также серебро, хром, кобальт и молибден.

Вольфрамовые сплавы находят применение для изготовления деталей и устройств, в которых важна высокая плотность при малых габаритных размерах. Это всевозможные противовесы, маховики, грузы центробежных регуляторов, сердечники пуль и снарядов.

Известно не очень много марок вольфрама. В первую очередь, это технически чистый вольфрам - ВЧ.

Используемые в промышленности марки вольфрама обычно включают в себя некоторые добавки. Материал, легированный лантаном, обозначается как ВЛ, иттрием - ВИ. Указанные легирующие добавки еще более улучшают механические и технологические качества металла.

Сплавы с рением - ВР5, ВР20 - используются в производстве высокотемпературных термопар.

Легирование торием повышает эмиссионные свойства вольфрама, что особенно важно при изготовлении катодов мощных электровакуумных ламп. Данная добавка также улучшает способность к зажиганию электрической дуги при аргонно-дуговой сварке.

Сплавы вольфрама с медью и серебром используются для изготовления контактов сильноточной коммутационной аппаратуры. Медь и серебро при высокой электропроводности не обладают высокой механической прочностью. При прохождении высоких токов возможно расплавление контактных групп. Контакты из вольфрамовых сплавов свободны от этих недостатков, не смотря на несколько большее электрическое сопротивление.

Высокая плотность сплавов позволят использовать их для изготовления контейнеров для хранения радиоактивных веществ, экранов для защиты от γ-излучения.

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 — 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.

Интернет