Где используют вольфрам: Вольфрам. Свойства, применение, марки. Соединения, сплавы вольфрама

alexxlab | 06.07.2021 | 0 | Разное

Содержание

Где применяется вольфрам

Мировое производство вольфрама – примерно 32 тыс. т в год. С начала нашего века оно не раз испытывало резкие взлеты и столь же крутые спады. На диаграмме видно, что пики на кривой производства в точности отвечают кульминационным моментам первой и второй мировых войн. И сейчас вольфрам является сугубо стратегическим металлом

Диаграмма мирового производства вольфрама (в тыс. т) в первой половине XX в.
Из вольфрамовой стали и других сплавов, содержащих вольфрам или его карбиды, изготовляют танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей.

Вольфрам – непременная составная часть лучших марок инструментальной стали. В целом металлургия поглощает почти 95% всего добываемого вольфрама. (Характерно, что она широко использует не только чистый вольфрам, но главным образом более дешевый ферровольфрам – сплав, содержащий 80% W и около 20% Fe; получают его в электродуговых печах).

Вольфрамовые 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 Na2WO4 придает тканям огнестойкость и водонепроницаемость, а вольфраматы щелочноземельных металлов, кадмия и редкоземельных элементов применяются при изготовлении лазеров и светящихся красок.

Прошлое и настоящее вольфрама дают все основания считать его металлом-тружеником.
Минералы и руды
Как получают вольфрам
Вольврам, его главные свойства
Химическая активность Вольфрама
Вольфрам образует следующие сплавы
Почему «вольфрам»?
«Вольфрам» или «тунгстен»?
Кто же открыл вольфрам?
Название «вольфрамовая бронза» обманчиво
Об изотопах вольфрама
Вольфрам и гелиотехника

Время последней модификации 1271962571

Вольфрам

Вольфрам
Атомный номер	74
Внешний вид простого вещества	Тугоплавкий прочный металл, стального цвета или белый
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	183,84 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	141 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	769,7 (7,98) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	[Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s²
Химические свойства
Ковалентный радиус	170 пм
Радиус иона	(+6e) 62 (+4e) 70 пм
Электроотрицательность (по Полингу)	1,7
Электродный потенциал	W ← W³⁺ 0,11 В W ← W⁶⁺ 0,68 В
Степени окисления	6, 5, 4, 3, 2, 0
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность	19300 кг/м³ 19,3 г/см³
Молярная теплоёмкость	24,27 Дж/(K·моль)
Теплопроводность	173 Вт/(м·K)
Температура плавления	3422 °C, 3695 K
Теплота плавления	191 кДж/кг 35 кДж/моль
Температура кипения	5555 °C, 5828 K
Теплота испарения	4482 кДж/кг 824 кДж/моль
Молярный объём	9,53 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированая
Параметры решётки	3,160 Å
Отношение c/a	n/a
Температура Дебая	310,00 K

W	74
183,84
4f¹⁴5d⁴6s²
Вольфрам

Вольфрам — химический элемент с атомным номером 74 в периодической системе, обозначается символом W (Wolframium), твёрдый серый переходный металл. Главное применение — как основа тугоплавких материалов в металлургии. Крайне тугоплавок, при стандартных условиях химически стоек.

Название Wolframium перешло на элемент с минерала вольфрамит, известного ещё в XVI в. под названием «волчья пена» — «Spuma lupi» на латыни, или «Wolf Rahm» по-немецки. Название было связано с тем, что вольфрам, сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков («пожирает олово как волк овцу»).

В настоящее время в США, Великобритании и Франции для вольфрама используют название «tungsten» (швед. tung sten — «тяжелый камень»).

Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 0,00013 г/т. Его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных — 0,00001, основных — 0,00007, средних — 0,00012, кислых — 0,00019.

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 CaWO

4). Вольфрамовые минералы обычно вкраплены в гранитные породы, так что средняя концентрация вольфрама составляет 1-2 %.

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

Получение

Процесс получения вольфрама проходит через стадию выделения триоксида WO₃ из рудных концентратов и последующем восстановлении до металлического порошка водородом при температуре ок. 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.

Физические свойства

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

Некоторые физические свойства приведены в таблице (см. выше). Другие физические свойства вольфрама:
— 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.

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

Химические свойства

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

Вольфрам имеет высокую коррозионную стойкость: при комнатной температуре не изменяется на воздухе; при температуре красного каления медленно окисляется в оксид вольфрама VI; в соляной, серной и плавиковой кислотах почти не растворим. В азотной кислоте и царской водке окисляется с поверхности. В смеси азотной и плавиковой кислоты растворяется, образуя вольфрамовую кислоту. Из соединений вольфрама наибольшее значение имеют: триоксид вольфрама или вольфрамовый ангидрид, вольфраматы, перекисные соединения с общей формулой Me₂WO_X, а также соединения с галогенами, серой и углеродом. Вольфраматы склонны к образованию полимерных анионов, в том числе гетерополисоединений с включением других переходных металлов.

Применение

Металлический вольфрам

Нить накаливания

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 используется 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 вольфрама, ввиду его высокой температуры плавления, получают методом порошковой металлургии. 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.
Карбид вольфрама (зачастую наряду или вместо карбида титана) используют как наполнитель в твёрдых сплавах — керметах (бытовое название «победит»), где матрицей служит кобальт (5-16 %).

Соединения вольфрама

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).

Другие сферы применения

Искусственный радионуклид ¹⁸⁵W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества. Стабильный ¹⁸⁴W 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).

Рынок вольфрама

Цены на металлический вольфрам чистотой около 99 % в 2007 году составили в среднем 30—35 долларов США за килограмм.

Биологическая роль

Вольфрам не играет биологической роли. Пыль вольфрама, как и большинство металлической пыли, раздражает органы дыхания.

Изотопы

Природный вольфрам состоит из пяти изотопов (¹⁸⁰W, ¹⁸²W, ¹⁸³W, ¹⁸⁴W и ¹⁸⁶W). Искусственно созданы и идентифицированы ещё 27 радионуклидов. В 2003 открыта чрезвычайно слабая радиоактивность природного вольфрама (примерно два распада на грамм элемента в год), обусловленная α-активностью ¹⁸⁰W, имеющего период полураспада 1,8×10¹⁸ лет.

Применение вольфрама

Вольфрам в современной технике играет исключительно важную роль. Он применяется в сталелитейной промышленности, при производстве твердых сплавов , при производстве кислотоупорных и других специальных сплавов, в электротехнике, при производстве красителей, в качестве химических реактивов и пр.

Около 70% всего добываемого вольфрама идет на производство ферровольфрама, в виде которого он вводится в сталь. В наиболее богатых вольфрамом и наиболее распространенных вольфрамовых сталях( в быстрорежущих) вольфрам образует сложные вольфрамсодержащие карбиды, увеличивающие твердость стали, в особенности при повышенных температурах(красностойкость), Известно, что введение в практику работы металлообрабатывающих заводов резцов из стали, содержащей вольфрам, позволило во много раз увеличить скорости резания. В настоящее время резцы из быстрорежущей стали уступают место резцам из металлокерамических твердых сплавов, изготовляемых на основе карбида вольфрама с добавлением цементирующей добавки.В некоторые твердые сплавы вводятся также карбиды титана, тантала и ниобия. Современные скорости резания, достигнутые новаторами производства , получены именно с резцами из твердых сплавов.Сплавы вольфрама с другими металлами имеют самое разнообразное применение: никельвольфрамохромовый сплав отличается кислотоупорными свойствами. Обращают на себя внимание сплавы вольфрама, обладающие повышенной жаропрочностью: например, добавка 1% ниобия, тантала, молибдена, образующих с вольфрамом твердый раствор, повышает температуру плавления металла выше 3300 °C., тогда как добавка 1% железа, весьма мало растворимого в вольфраме, понижает температуру плавления до 1640°C. В США широко развернуты исследования в этой области.

Металлический вольфрам находит разнообразное применение в электро-и рентгенотехнике. Из вольфрама изготовляют нити накала электрических ламп. Вольфрам для этой цели особенно пригоден благодаря большой тугоплавкости и очень малой летучести: при температурах порядка 2500°C, при которых работают нити накала , упругость паров вольфрама не достигает 1 мм рт.ст. Из металлического вольфрама изготовляют также нагреватели для электрических печей, выдерживающие температуры до 3000°C.Металлический вольфрам применяется для антикатодов рентгеновских трубок, для различных деталей электровакуумной аппаратуры, для радиоприборов, выпрямителей тока и.т.д. Тонкие вольфрамовые нити применяются в гальванометрах. Подобные же нити применяются для хирургических целей. Наконец, из металлического вольфрама изготовляются различные спиральные пружины, а также детали, для которых требуется материал, устойчивый по отношению к различным химическим воздействиям.

Соединения вольфрама применялись очень широко как красители. В Китае сохранились старинные, изделия из фарфора, окрашенного в необычный цвет “персика”, исследования показали, что краска содержит вольфрам.

Соли вольфрама применяются для придания огнестойкости некоторым тканям. Тяжелые дорогие шелка обязаны своей красотой вольфрамовым солям, которыми они пропитаны.

Чистые вольфрамовые препараты применяются в химическом анализе как реактивы на алкалоиды и другие вещества. Соединения вольфрама применяются также в качестве катализаторов.

Мы предлагаем следующую продукцию из вольфрама: вольфрамовую полосу, вольфрамовую проволоку, вольфрамовый пруток, вольфрамовый штабик.

Вольфрам что из него делают

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:

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

Разложение руды. Извлекаемый металл отделяется от основной массы перерабатываемого сырья. Он концентрируется в осадке или растворе.
Получение химического чистого соединения. Его выделение и очистка.
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.

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.
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.
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.
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 — 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

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

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 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).

Углерод имеет самую высокую температуру плавления среди всех химических элементов в таблице Менделеева. Но речь пойдет не о нём, а о вольфраме, который занимает второе место. Благодаря своим свойствам отлично подходит для производства самых разнообразных деталей и механизмов. Прочитав эту статью, Вы сможете узнать об этих свойствах, и самое главное о том, какие сферы и области применения вольфрама существуют.

Физико-химические свойства вольфрама

Вольфрам – тугоплавкий, неметаллический элемент серого цвета. Он пластичен и тверд. Его твердость в несколько раз выше свинца. Сплавы вольфрама имеют высокий показатель теплопроводности, хорошую коррозийную стойкость и высокую прочность. Вольфрам, химически активное вещество, которое может вступать в реакцию с различными химическими элементами, такими как бром, йод, селен, азот, сера. Уникальные свойства данного элемента позволяют применять вольфрам и его сплавы в самых различных сферах промышленности.

Применение вольфрама в промышленности

Вольфрам начали активно применять в различных сферах промышленности не так уж и давно. На протяжении долгого времени он не мог найти практического применения, но сейчас больше половины всего вольфрама идет на производство вольфрамовых сплавов различной прочности. Перечислим сферы и области применения вольфрама более подробно:

– электротехническая промышленность. Вольфрам незаменим в данной сфере, так как из его изготавливают нити накалывания электрических ламп, катоды рентгеновских трубок и различные детали для радиоламп.

– химическая промышленность. В данной сфере вольфрам применяют в качестве сырья для изготовления пигментов, красок и смазочных материалов. Помимо этого, данный неметаллический элемент применяют как катализатор.

– военная промышленность. Вольфрам был одним из основных сырьевых материалов в данной сфере во времена Первой Мировой войны. Его применяют для производства пуль, орудийной стали и бронебойных снарядов.

– автомобильная промышленность. Вольфрам выступает в качестве легированного элемента некоторых видов стали. Он придает стали уникальных свойств и позволяет использовать её для производства автомобильных прочных рессор. Более подробно об этом можно узнать в нашей статье «Сферы и области применения стали».

– железнодорожная промышленность. Вольфрамовая сталь применяется для производства железнодорожных рельс и вагонов. Такие рельсы могут выдержать очень большие нагрузки. Кроме того, их срок эксплуатации намного больше, чем из других видов стали.

– металлургическая промышленность. Наиболее важное предназначение вольфрама в металлургии – это легирование им сталей, а также производство твердых сплавов.

Применение сплавов вольфрама

Вольфрам способен образовывать сплавы с кобальтом, железом, никелем и другими металлами. Как уже было сказано, вольфрам может вступать в реакции с различными химическими элементами и тем самым устранять негативное действие некоторых из них (серы, фосфора) в сплавах. В результате получаем вольфрамовые сплавы – твердые, химически стойкие и упругие.

К примеру, сплавы вольфрама с бором и углеродом по твердости очень близки к алмазам- самым твердым минералам.

Некоторые сплавы пригодны для производства деталей, которые можно использовать для работы при повышенных температурах. Сплавы вольфрама с молибденом применяют для производства сопел реактивных самолётов и проволоки. Военная промышленность активно использует тяжелые сплавы вольфрама для создания танков, гранат, оружия, снарядов. Вольфрам стал отличной заменой свинца в данной сфере.

Мы перечислили основные сферы и области применения вольфрама, и, как видно, этот химический элемент остается востребованным на протяжении многих лет в самых разных отраслях промышленности. Уникальные свойства вольфрама говорят о том, что в будущем он может стать популярнее вдвойне и его станут использовать в совершенно новых сферах.

Температура плавления и другие свойства вольфрама: характеристики и применение

К группе металлов, отличающихся высокими показателями тугоплавкости, относится и вольфрам. Он был открыт в Швеции химиком по имени Шееле. Именно ему удалось первому в 1781 году из минерала вольфрамит выделить оксид неизвестного металла. Вольфрам в чистом виде ученому удалось получить по прошествии 3 лет.

Описание

Вольфрам относится к группе материалов, которые часто используются в различных отраслях промышленности. Он обозначается буквой W и в таблице Менделеева имеет порядковый номер 74. Для него характерен светло-серый цвет. Одно из его характерных качеств — высокая тугоплавкость. Температура плавления вольфрама составляет 3380 градусов Цельсия. Если рассматривать его с точки зрения применения, то самыми важными качествами этого материала являются:

плотность;
температура плавления;
электрическое сопротивление;
коэффициент линейного расширения.

Вычисляя его характерные качества, необходимо выделить высокую точку кипения, которая находится на уровне 5 900 градусов Цельсия. Еще одна его особенность — малая скорость испарения. Она невысока даже в температурных условиях 2000 градусов Цельсия. По такому свойству, как электропроводность этот металл в 3 раза превосходит такой распространенный сплав, как медь.

Факторы, ограничивающие применение вольфрама

Есть ряд факторов, которые ограничивают применение этого материала:

высокая плотность;
значительная склонность к ломкости в условиях низких температур;
малое сопротивление окислению.

По своему внешнему виду вольфрам имеет сходство с обычной сталью. Его основное применение связано главным образом с производством сплавов с высокими прочностными характеристиками. Этот металл поддается обработке, но только если его предварительно нагреть. В зависимости от выбранного типа обработки нагрев производится до определенной температуры. Например, если стоит задача выковать прутки из вольфрама, то заготовку необходимо предварительно нагреть до температуры 1450-1500 градусов Цельсия.

На протяжении 100 лет вольфрам не применялся в промышленных целях. Его использование при производстве различной техники сдерживалось его высокой температурой плавления.

Начало его промышленного применения связано с 1856 годом, когда он впервые стал использоваться для легирования инструментальных марок стали. При их производстве в состав стали добавлять вольфрам общей долей до 5%. Присутствие этого металла в составе стали позволило повысить скорость резки на токарных станках с 5 до 8 м в минуту.

Развитие промышленности во второй половине XIX века характеризуется активным развитием отрасли производства станков. Спрос на оборудование с каждым годом постоянно возрастал, что требовало от машиностроителей получения качественных характеристик машин, а помимо этого повышения их рабочей скорости. Первым импульсом в деле повышения скорости резки стало использование вольфрама.

Уже в начале XX века скорость резки была доведена до 35 метров в минуту. Добиться этого удалось за счет легирования стали не только вольфрамом, но и другими элементами:

молибденом;
хромом;
ванадием.

В дальнейшем скорость резания на станках возросла до 60 метров в минуту. Но, несмотря на такие высокие показатели, специалисты понимали, что есть возможность улучшить эту характеристику. Какой способ выбрать для повышения скорости резания, специалисты долго не думали. Они прибегли к использованию вольфрама, но уже в виде карбидов в союзе с другими металлами и их видами. В настоящее время вполне обычной является скорость резания металла на станках 2000 метров в минуту.

Свойства вольфрама

Как и у любого материала, у вольфрама имеются свои особые свойства, благодаря которым он попал в группу стратегических металлов. Выше мы уже сказали о том, что одним из достоинств этого металла является высокая тугоплавкость. Именно благодаря этому свойству материал можно использовать для изготовления нитей накаливания.

Температура плавления у него находится на уровне 2500 градусов Цельсия. Но только этим качеством положительные свойства этого материала не ограничиваются. Имеются у него и другие преимущества, о которых следует сказать. Одно из них — высокая прочность, демонстрируемая в условиях обычных и повышенных температур. Например, когда железо и сплавы, изготовленные на его основе, нагреваются до температуры 800 градусов Цельсия, происходит снижение прочности в 20 раз. В таких же условиях прочность вольфрама уменьшается только в три раза. В условиях 1500 градусов Цельсия прочность железа практически сведена к нулю, а вот у вольфрама она находится на уровне железа при обыкновенной температуре.

В наши дни 80% производимого в мире вольфрама используется главным образом при изготовлении стали высокого качества. Более половины марок стали, используемых машиностроительными предприятиями, содержат в своем составе вольфрам. Они применяют их в качестве основного материала для деталей турбин, редукторов, а также используют такие материалы для изготовления компрессорных машин. Из машиностроительных сталей, содержащих вольфрам, изготавливаются валы, зубчатые колеса, а также цельнокованый ротор.

Кроме этого их применяют для изготовления коленчатых валов, шатунов. Добавление в состав машиностроительный стали, кроме вольфрама и других легирующих элементов, повышает их прокаливаемость. Кроме этого, обеспечивается возможность для получения мелкозернистой структуры. Наряду с этим, у производимых машиностроительных сталей увеличиваются такие характеристики, как твердость и прочность.

При производстве жаропрочных сплавов использование вольфрама является одним из обязательных условий. Необходимость применения именно этого металла обусловлена тем, что он является единственным, который в состоянии выдерживать существенные нагрузки в условиях высоких температур, превышающих величину плавления железа. Вольфрам и соединения на основе этого металла отличаются высокой прочностью и обладают хорошими показателями упругости. В этом плане они превосходят другие металлы, входящие в группу тугоплавких материалов.

Минусы

Однако, перечисляя преимущества вольфрама, нельзя не отметить и недостатки, которые присущи этому материалу.

В качестве главного можно называть его низкое сопротивление окислению при температурных условиях выше 700 градусов Цельсия. Поэтому для материалов из вольфрама необходимо дополнительно обеспечить соответствующую защиту.
Другой недостаток сплавов на основе вольфрама заключается в их низкой пластичности в условиях температуры 500 градусов Цельсия.
Вольфрам — дефицитный материал, что также можно считать недостатком этого металла.

Вольфрам, который выпускается в настоящее время, содержит в составе торий 2%. Такой сплав называется торированный вольфрам. Для него характерен предел прочности 70 МПа при температуре 2420 градусов Цельсия. Хотя значение этого показателя невысоко, но отметим, что только 5 металлов вместе с вольфрамом не меняют своего твердого состояния в условиях такой температуры.

В эту группу входят молибден, у которого температура плавления составляет 2625 градусов. Еще один металл — технеций. Однако сплавы на его основе в ближайшее время вряд ли будут производиться. Рений и тантал не обладают высокой прочностью при таких условиях температуры. Поэтому вольфрам — единственный материал, который в состоянии обеспечить достаточную прочность при высоких температурных нагрузках. По той причине, что он относится к числу дефицитных, если имеется возможность для его замены, то производители используют альтернативу ему.

Однако при производстве отдельных компонентов нет материалов, которые могли бы полноценно заменить вольфрам. Например, при изготовлении нитей накаливания электроламп и анодов дуговых ламп постоянного тока применяется только вольфрам, поскольку подходящих заменителей просто нет. Также его используют при изготовлении электродов для аргонодуговой и атомно-водородной сварки. Также с применением этого материала изготавливается нагревательный элемент, используемый в условиях от 2000 градусов Цельсия.

Применение

Вольфрам и сплавы, изготавливаемые на его основе, получили широкое распространение в различных отраслях промышленности. Их используют при производстве авиационных двигателей, применяют в сфере ракетостроения, а также для производства космической техники. В этих сферах с использованием этих сплавов изготавливают реактивные сопла, вставки критических сечений в двигателях ракет. Кроме этого, подобные материалы используются в качестве основных для изготовления сплавов ракет.

Производство сплавов из этого металла имеет одну особенность, которая связана с тугоплавкостью этого материала. В условиях высоких температур многие металлы меняют свое состояние и превращаются в газы или сильно летучие жидкости. Поэтому для получения сплавов, в составе которых присутствует вольфрам, используют методы порошковой металлургии.

Такие методы предполагают прессование смеси порошков металлов, последующее спекание и дальнейшее подвергание их дуговой плавке, осуществляемой в электродных печах. В отдельных случаях спекаемый вольфрамовый порошок дополнительно пропитывают жидким раствором какого-либо другого металла. Таким образом, получаются псевдосплавы из вольфрама, меди, серебра, используемые для контактов в электрических установках. По сравнению с медными, долговечность у таких изделий выше в 6-8 раз.

У этого металла и сплавов из него имеются большие перспективы для дальнейшего расширения сферы применения. Прежде всего, необходимо отметить, что в отличие от никеля эти материалы могут работать на «огненных» рубежах. Использование вместо никеля вольфрамовых изделий приводит к тому, что у энергетических установок повышаются параметры работы. А это приводит к возрастанию КПД оборудования. Кроме того, изделия на основе вольфрама легко выдерживают эксплуатацию в тяжелых условиях. Таким образом, можно уверенно заявлять о том, что группу таких материалов в ближайшее время вольфрам продолжит возглавлять.

Вольфрам в электротехнике

Вольфрам поспособствовал и процессу усовершенствования электрической лампы накаливания. До периода 1898 года в этих электроосветительных приборах использовалась угольная нить.

она была простой в изготовлении;
её производство было недорогим.

Единственным недостатком угольной нити было то, что срок службы у неё был небольшой. После 1898 года у угольной нити накаливания ламп появился конкурент в виде осмия. Начиная с 1903 года, для производства электрических ламп стали использовать тантал. Однако уже в 1906 году вольфрам вытеснил эти материалы и стал применяться для изготовления нитей для ламп накаливания. Используют его и в наши дни при изготовлении современных электрических лампочек.

Чтобы обеспечить этому материалу высокие показатели жаростойкости, на поверхность металла наносят слой рения и тория. В некоторых случаях нить накаливания из вольфрама изготавливается с добавлением рения. Связано это с тем, что в условиях высоких температур этот металл начинает испаряться, а это приводит к тому, что нить из этого материала становится тоньше. Добавление в состав рения приводит к уменьшению эффекта испарений в 5 раз.

В наше время вольфрам активно применяется не только при производстве электротехники, но и различной военно-промышленной продукции. Его добавление в оружейную сталь обеспечивает высокую эффективность материалам такого вида. Кроме того, он позволяет улучшить характеристики броневой защиты, а также сделать более эффективными бронебойные снаряды.

Заключение

Вольфрам — один из востребованных материалов, применяемых в металлургии. Добавление его в состав производимых сталей обеспечивает повышение их характеристик. Они становятся более стойкими к термическим нагрузкам, а кроме этого повышается температура плавления, что особенно важно для изделий, используемых в экстремальных условиях при высоких температурах. Использование при производстве различного оборудования, изделий и элементов, узлов из этого металла или сплавов на его основе позволяет улучшить характеристики оборудования и повысить КПД их работы. Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

ПромМетиз +7 (812) 385-76-07 Вольфрам

Общие сведения.

Вольфрам – это металл, находящийся под номером 74 в периодической таблице Менделеева. Название элемента пришло из средних веков и образовано от минерала, из которого происходила добыча. Следует отметить тот интересный факт, что на данный момент, США и ряд стран ЕС используют другое имя для вольфрама – «tungsten».

Учёным известно около двух десятков минералов, в которых присутствует высокая или средняя концентрация данного вещества. Для разработки месторождений используются практически все существующие способы. Этот фактор зависит от конкретных условий. Несмотря на современные методики, получение вольфрама из концентратов не представляется возможным, ввиду некоторых химических особенностей. Для выделения элемента выполняют несколько переходных реакций.

Физические и химические свойства.

Цвет вольфрама – светло-серый, с незначительным отливом. Отличительной особенностью является невероятно высокая температура плавления. Данный показатель находится на втором месте, сразу после углерода, и составляет от 3380 до 3420 градусов по Цельсию. Большинство металлов теряют свои качества при увеличении температур, но это не относится к вольфраму. Он сохраняет свои механические свойства даже при значительном нагреве. Это позволяет активно использовать вольфрам в качестве добавки, повышающей термические характеристики сплавов. Данный металл имеет высокое значение плотности: 1 кубометр весит более 19 тонн. Вольфрам прекрасно смешивается с другими металлами, что позволяет получить большое количество сплавов. Основной проблемой является необходимость провести разогрев до температуры перехода в жидкое состояние.

Химические свойства вольфрама позволяют ему не вступать в реакцию с большим количеством элементов и соединений, в том числе, весьма активных. Например, данный металл не реагирует с фтором вплоть до 600 градусов по Цельсию. Это определяет ещё несколько направлений использования элемента в промышленности. Чтобы начались химические реакции вольфрама, создаются оптимальные для этого условия: металл используют в виде порошка, а температуру существенно поднимают.

История металла.

Довольно длительное время под вольфрамом подразумевали один из минералов, в котором содержался этот элемент. Весьма быстро кузнецы обнаружили, что из этой руды получается куда меньше олова, чем из других. Именно тогда было сделано предположение, что она богата другим металлом. Только в 1783 году два брата-химика из Испании смогли выделить вольфрам и классифицировать его. При этом, всего за несколько лет, другие исследователи из Швеции обнаружили металл с аналогичными свойствами, но не обнародовали свои результаты.

Применение.

Вольфрам имеет довольно широкое применение в современном мире. Так, мировое производство данного элемента составляет порядка 30 тысяч тон ежегодно. При этом, показатель постоянно растёт. Поскольку находятся новые сферы, а также развиваются старые направления использования.

Основная область применения вольфрама – создание тугоплавких сталей и некоторых других сплавов. Даже минимальная по своему процентному соотношению добавка способствует увеличению температуры плавления. Дополнительно, подобный сплав сохраняет свои характеристики даже при высоких температурах.

Вольфрам используется и в других направлениях: создание быстрорежущих сталей, во флуоресцентных устройствах, в качестве элементов накала осветительных приборов. Е стоит забывать о применении конструкционных материалов из данного металла.

Что можно приготовить из кальмаров: быстро и вкусно

Из всех используемых на сегодняшний день материалов самым тугоплавким можно назвать вольфрам. Он находится на 74 позиции периодической системы Менделеева, а также обладает множеством сходных особенностей с хромом и молибденом, которые находятся с ним в одной группе. На внешний вид вольфрам представлен в виде твёрдого вещества серого оттенка, с особым серебристым отблеском.

История открытия химического элемента

Вольфрам был открыт шведским химиком Карлом Шееле. Аптекарь по профессии, Шееле в своей маленькой лаборатории провел много замечательных исследований. Он открыл кислород, хлор, барий, марганец. Незадолго до смерти, в 1781 году, Шееле – к этому времени уже член Стокгольмской Академии наук – обнаружил, что минерал тунгстен (впоследствии названный шеелитом) представляет собой соль неизвестной тогда кислоты. Спустя два года испанские химики братья д’Элуяр, работавшие под руководством Шееле, сумели выделить из этого минерала новый элемент – вольфрам, которому суждено было произвести переворот в промышленности. Однако это произошло через целое столетие.

В земной коре такой элемент находится в довольно маленьком количестве. В свободном виде он не встречается и может располагаться лишь в качестве минералов. В промышленном масштабе используют лишь его оксиды .

Характеристики металла

Особенная плотность металла даёт ему необычные характеристики. У него довольно невысокая скорость испарения, высокая точка кипения. По значению электрической проводимости вещество обладает низкими показателями, в отличие от меди сразу в три раза. Именно большой показатель плотности вольфрама ограничивает области его применения. Кроме всего этого, на применение вещества сильно влияет его повышенный показатель ломкости при низкой температуре, неустойчивостью окислению кислородом воздуха при воздействии незначительной температуры.

По внешним особенностям вещество имеет сильные сходства со сталью. Оно используется для активного изготовления различных сплавов, которые характеризуются высокой прочностью. Процесс обработки вольфрама происходит только во время воздействия повышенных температур .

19 300 – это показатель плотность вольфрама кг/м 3 при нормальных условиях использования. Металл способен создавать объёмно-концентрическую кубическую решётку. Обладает неплохим показателем теплоёмкости. Высокий температурный показатель плавления, который доходит до отметки в 3380 градусов Цельсия. На механические особенности оказывает особое влияние его предварительная обработка. Если учитывать то, что плотность вольфрама 20 с 19,3 г/см3, то его можно легко довести до состояния монокристаллического волокна. Такое свойство следует применять во время получения из него особой проволоки . В условиях комнатной температуры металл обладает незначительным показателем пластичности.

Марки элемента

Маркировки бывают следующие:

Не только показатель вольфрама, но и специальные добавки, применяются в металлургии, а также отражаются на марки такого металла. К примеру, ВА включает в себя полноценную смесь вольфрама с алюминием, а также кремнием. Для получения такой марки характерна повышенная температура начального процесса рекистраллизации, прочность после отжига.
ВЛ характеризуется добавлением вещества в виде присадки оксида лантана, которая значительно увеличивает эмиссионные показатели металла.
МВ – это сплав молибдена и вольфрама. Такой состав повышает общую прочность, которая продолжает сохранять особую пластичность металла после отжига.

Основные особенности

Для использования вольфрама в промышленности важно, чтобы он соответствовал таким показателям, как:

электрическое сопротивление;
общая температура плавления;
коэффициент линейного расширения.

Чистое вещество имеет сильную пластичность, а также не может раствориться в специальном растворе кислоты без предварительного нагрева хотя бы до 500 градусов Цельсия. Оно способно очень быстро вступить в полноценную реакцию с углеродом, в результате которой произойдёт образование карбида вольфрама, имеющего высокий показатель прочности. А также такой металл известен своими оксидами, самым распространённым считается вольфрамовый ангидрид. Его главной особенностью можно назвать то, что он может формировать порошок в состояние компактного металла, побочное развитие низших оксидов.

Главные характеристики , которые делают использование вещества затруднительным:

высокий показатель плотности;
ломкость, а также склонность к процессу окисления при воздействии низких температур.

Кроме этого, высокий показатель кипения , а также место испарения значительно затрудняют процесс добычи полезного металла и материалов из него.

Использование вольфрама

Использование вольфрама встречается в следующих областях:

Жаропрочные и износостойкие сплавы основываются на тугоплавкости вещества. В промышленности такие соединения химического вещества используются с хромом и кобальтом, которые по-другому именуются стеллитами. Их путём наплавки наносят на изнашиваемую область деталей у промышленных автомобилей.
Тяжёлые и контактные сплавы – это смеси из серебра, меди, а также вольфрама. Их можно назвать очень эффективными контактными компонентами, именно по этой причине и применяются для производства рабочих деталей рубильников, электродов для создания точечной сварки, а также изготовления выключателей.
В качестве проволоки, кованных изделий, а также ленты вольфрам используется в радиотехнике, в создании специальных электрических ламп, а также рентгенотехники. Именно такой химический элемент считается наилучшим металлом для изготовления спиралей, а также особых нитей для накаливания.
Вольфрамовые прутики и проволока нужны для создания специальных электрических нагревателей для печей высокотемпературного типа. Нагреватели из вольфрама могут работать в атмосфере инертного газа, в вакууме, а также в водороде.

Сплавы, которые включают в себя вольфрам

На сегодняшний день можно найти большое количество однофазных сплавов из вольфрама. Это подразумевает использование как одного, так и сразу нескольких компонентов. Наибольшей популярностью пользуются соединения вольфрама, а также молибдена. Легирование таким веществам значительно повышает общую прочность вольфрама во время его активного растяжения. А также к однофазным сплавам можно отнести такие системы, как: графий, ниобий, цирконий.

Но при этом наибольшую пластичность элементу может придать рений, который сохраняет остальные показатели на характерном для него уровне. Но практическое использование такого соединения ограниченно особыми проблемами и в процессе добычи Re.

Так как металл можно назвать наиболее тугоплавким веществом, получить такие сплавы очень трудно традиционным путём. При температуре плавления вольфрама остальные металлы начинают активно закипать, а в некоторых случаях доходят до газообразного состояния. Современные технологии помогают получать большое число сплавов при помощи технологии электролиза. К примеру, вольфрам – никель – кобальт, который применяется не для изготовления целых деталей, а для того, чтобы нанести дополнительный слой защиты на менее прочные материалы и поверхности.

А также в промышленности всё ещё популярен метод получения вольфрамовых сплавов, которые применяют методы порошковой металлургии. В это время стоит создавать особые условия для протекания технологических процессов, который будет включать в себя наличие специального вакуума. Особенности взаимодействия остальных металлов и вольфрама делают наиболее предпочтительными соединения не парного типа, а с применением 3, 4-х и большего числа веществ.

Такие необычные сплавы будут отличаться от остальных особой прочностью и твёрдостью, но малейшее отклонение от процентного содержания веществ в металле того либо другого элемента может привести к развитию особой хрупкости у полученного сплава.

Способы получения вещества

Вольфрам, как и большое количество других элементов из редкой группы, нельзя просто так найти в природе. Именно по этой причине добыча такого металла не применяется в строительстве больших промышленных зданий. Сам процесс получения такого металла условно разделён на несколько стадий:

добыча руды, которая включает в свой состав такой редкий металл;
создание полноценных условий для дальнейшего выделения вольфрама из перерабатываемых компонентов;
концентрирование материала в качестве раствора или же осадка;
процесс очищения полученного вида химического соединения;
процесс получения более чистого вещества.

Более сложным будет процесс изготовления компактного материала, например, вольфрамовой проволоки. Главная трудность такого вещества будет заключена в том, что запрещено допускать даже малейшее попадание в него особых примесей, которые способны резко ухудшить плавкие свойства и прочность металла.

При помощи такого металла происходит активное создание нити накаливания, нагревателей, экраны вакуумных печей, рентгеновские трубки, которые нужны для использования в условиях повышенной температуры.

Сталь, легированная вольфрамом, обладает высокими качествами прочности. Готовая продукция из таких разновидностей сплавов применяется для создания инструментов широкого использования: бурение скважин, медицина, изделия для качественной обработки материалов в процессе машиностроения (особые режущие пластины). Главным достоинством таких соединений станет особая устойчивость к истиранию, небольшая вероятность развития трещин во время эксплуатации вещи. Самой известной в процессе строительства считается марка стали с применением вольфрама, которая имеет название победит.

Химическая промышленность также нашла в себе место для использования металла. Из него можно производить краски, пигменты и катализаторы.

Атомная промышленность применяет тигли из этого металла, а также специализированные контейнеры для хранения наиболее радиоактивных отходов.

О нанесении покрытия из элемента уже было указано выше. Оно используется для нанесения на такие материалы, которые работают при воздействии высоких температур в восстановительной, а также нейтральной среде, как специальная защитная плёнка.

А также есть такие прутки, которые применяются и в других сварках. Так как вольфрам неизменно продолжает оставаться самым тугоплавким металлом, то во время проведения сварочных работ он применяется со специальными присадочными проволоками.

Вольфрам в быту можно применять, главным образом, в электротехнической цели.

Именно его стоит использовать в качестве основного компонента (легирующий элемент) в процессе производства быстрорежущей стали. В среднем показатель содержания вольфрама варьируется от девяти до двадцати процентов. Кроме всего этого, он находится в составе инструментальной стали.

Такие разновидности стали используются во время производства свёрл, штампов, пуансонов и фрез. К примеру, быстрорежущие стали P6 M5 говорят о том, что сталь была легирована молибденом и кобальтом. Кроме этого, вольфрам включает в себя магнитные стали, которые стоит разделять на вольфрамокобальтовые и вольфрамовые разновидности.

Вещество в повседневной жизни в чистом виде почти невозможно встретить. Карбид вольфрама представлен в качестве соединения металла с углеродом. Соединение таких веществ отличается высокой твёрдостью, износостойкостью, а также тугоплавкостью. На базе карбида вольфрама можно создавать инструментальные, производительные твёрдые сплавы , которые имеют около 90 процентов вольфрама и около 10 процентов кобальта. Из твёрдых сплавов можно изготавливать режущие части как бугровых, так и режущих инструментов.

Главная область использования вольфрама – это сварка металлов. Из сварки можно создавать особые электроды, которые используют для другого типа сплавки. Получаемые электроды можно назвать неплавящимися.

Видео

Интересные факты о вольфраме вы можете узнать из этого видео.

Вольфрам относится к тугоплавким металлам, которые сравнительно мало распространены в земной коре. Так, содержание в земной коре (в %) вольфрама примерно 10 -5 , рения 10 -7 , молибдена 3.10 -4 , ниобия 10 -3 , тантала 2.10 -4 и ванадия 1,5.10 -2 .

Тугоплавкие металлы являются переходными элементами и располагаются в IV, V, VI и VII группах (подгруппа А) периодической системы элементов. С увеличением атомного номера возрастает температура плавления тугоплавких металлов в каждой из подгрупп.

Элементы VA и VIA групп (ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден и вольфрам) являются тугоплавкими металлами с объемно-центрированной кубической решеткой в отличие от других тугоплавких металлов, имеющих гранецентрированную и гексагональную плотно упакованную структуру.

Известно, что главным фактором, определяющим кристаллическую структуру и физические свойства металлов и сплавов, является природа их межатомных связей. Тугоплавкие металлы характеризуются высокой прочностью межатомной связи и, как следствие, высокой температурой плавления, повышенной механической прочностью и значительным электрическим сопротивлением.

Возможность исследования металлов методом электронной микроскопии позволяет изучать структурные особенности атомного масштаба, выявляет взаимосвязи между механическими свойствами и дислокациями, дефектами упаковки и др.большую плотность вольфрама можно рассматривать как отрицательный показатель, все же повышенная прочность при высоких температурах позволяет снизить массу изделий из вольфрама за счет уменьшения их размеров.

Плотность тугоплавких металлов в большой степени зависит от их состояния. Например, плотность спеченного штабика вольфрама колеблется в пределах 17,0-18,0 г/см 3 , а плотность кованого штабика со степенью деформации 75% составляет 18,6-19,2 г/см 3 . То же наблюдается и у молибдена: спеченный штабик имеет плотность 9,2-9,8 г/см 3 , кованый со степенью деформации 75% -9,7-10,2 г/см 3 и литой 10,2 г/см 3 .

Некоторые физические свойства вольфрама, тантала, молибдена и ниобия для сравнения приведены в табл. 1. Теплопроводность вольфрама составляет менее половины теплопроводности меди, но она намного выше, чем у железа или никеля.

Тугоплавкие металлы групп VA, VIA, VIIА периодической системы элементов по сравнению с другими элементами имеют меньший коэффициент линейного расширения. Наименьший коэффициент линейного расширения имеет вольфрам, что указывает на высокую стабильность его атомной решетки и является уникальным свойством этого металла.

Вольфрам имеет теплопроводность примерно в 3 раза меньшую, чем электропроводность отожженной меди, но она выше, чем у железа, платины и фосфоритной бронзы.

Для металлургии большое значение имеет плотность металла в жидком состоянии, так как эта характеристика определяет скорость движения по каналам, процесс удаления газообразных и неметаллических включений и влияет на образование усадочной раковины и пористости в слитках. У вольфрама эта величина выше, чем у других тугоплавких металлов. Однако другая физическая характеристика – поверхностное натяжение жидких тугоплавких металлов при температуре плавления – отличается меньше (см. табл. 1). Знание этой физической характеристики необходимо при таких процессах, как нанесение защитных покрытий, при пропитке, плавку и литье.

Важным литейным свойством металла является жидкотекучесть. Если для всех металлов эта величина определяется при заливке жидкого металла в спиральную форму при температуре заливки выше температуры плавления на 100-200° С, то жидкотекучесть вольфрама получена экстраполяцией эмпирической зависимости этой величины от теплоты плавления.

Вольфрам устойчив в различных газовых средах, кислотах и некоторых расплавленных металлах. При комнатной температуре вольфрам не взаимодействует с соляной, серной и фосфорной кислотами, не подвергается воздействию растворенной азотной кислоты и в меньшей степени, чем молибден, реагирует на смесь азотной и фтористоводородной кислот. Вольфрам обладает высокой коррозионной стойкостью в среде некоторых щелочей, например в среде гидроокиси натрия и калия, в которых проявляет стойкость до температуры 550° С. При действии расплавленного натрия он устойчив до 900° С, ртути – до 600°С, галлия до 800 и висмута до 980° С. Скорость коррозии в этих жидких металлах не превышает 0,025 мм/год. При температуре 400-490° С вольфрам начинает окисляться в среде воздуха и в кислороде. Слабая реакция происходит при нагреве до 100°С в соляной,азотной и плавиковой кислотах. В смеси плавиковой и азотной кислот идет быстрое растворение вольфрама. Взаимодействие с газовыми средами начинается при температурах (°С): с хлором 250, с фтором 20. В углекислом газе вольфрам окисляется при 1200° С, в аммиаке реакция не происходит.

Закономерность окисления тугоплавких металлов определяется в основном температурой. Вольфрам до 800-1000° С имеет параболическую закономерность окисления, а свыше 1000° С – линейную.

Высокая коррозионная стойкость в жидкометаллических средах (натрий, калий, литий, ртуть) позволяет применять вольфрам и его сплавы в энергетических установках.

Прочностные свойства вольфрама зависят от состояния материала и температуры. Для кованых прутков вольфрама предел прочности после рекристаллизации меняется в зависимости от температуры испытаний от 141 кгс/мм 2 при 20° С до 15,5 кгс/мм 2 при 1370° С. Полученный методом порошковой металлургии вольфрам при изменении температуры от 1370 до 2205° С имеет? b = 22,5?6,3 кгс/мм 2 . Прочность вольфрама особенно увеличивается в процессе холодной деформации. Проволока диаметром 0,025 мм имеет предел прочности 427 кгс/мм 2 .

Твердость деформированного технически чистого вольфрама HВ 488, отожженного НВ 286. При этом такая высокая твердость сохраняется вплоть до температур, близких к точке плавления, и в значительной степени зависит от чистоты металла.

Модуль упругости приближенно связан с атомным объемом температуры плавления

где T пл – абсолютная температура плавления; V aТ – атомный объем; К – константа.

Отличительной особенностью вольфрама среди металлов является также высокая объемная деформация, которая определяется из выражения

где Е – модуль упругости первого рода, кгс/мм 2 ; ?-коэффициент поперечной деформации.

Табл. 3 иллюстрирует изменение объемной деформации для стали, чугуна и вольфрама, рассчитанной по приведенному выше выражению.

Пластичность технически чистого вольфрама при 20 е С составляет менее 1 % и растет после зонной электронно-лучевой очистки от примесей, а также при легировании его добавкой 2% окиси тория. С увеличением температуры пластичность повышается.

Большая энергия межатомных связей металлов групп IV, V, VIA определяет их высокую прочность при комнатной и повышенных температурах. Механические свойства тугоплавких металлов существенно зависят от их чистоты, способов получения, механической и термической обработки, вида полуфабрикатов и других факторов. Большая часть сведений о механических свойствах тугоплавких металлов, опубликованных в литературе, получена на недостаточно чистых металлах, так как плавку в условиях вакуума начали применять сравнительно недавно.

На рис. 1 показана зависимость температуры плавления тугоплавких металлов от положения в периодической системе элементов.

Сравнение механических свойств вольфрама после дуговой плавки и вольфрама, полученного методом порошковой металлургии, показывает, что хотя их предел прочности отличается незначительно, однако более пластичным оказывается вольфрам дуговой плавки.

Твердость по Бринеллю вольфрама в виде спеченного штабика составляет НВ 200-250, а прокатанного нагартованного листа НВ 450-500, твердость молибдена равна соответственно НВ 150- 160 и НВ 240-250.

Легирование вольфрама проводят с целью повышения его пластичности, для этого используют прежде всего элементы замещения. Все больше внимания уделяют попыткам повысить пластичность металлов группы VIA добавками небольших количеств элементов групп VII и VIII. Повышение пластичности объясняют тем, что при легировании переходных металлов добавками в сплаве создается неоднородная электронная плотность вследствие локализации электронов легирующих элементов. При этом атом легирующего элемента изменяет силы межатомной связи в прилегающем объеме растворителя; протяженность такого объема должна зависеть от электронной структуры легирующего и легируемого металлов.

Трудность создания вольфрамовых сплавов состоит в том, что пока не удается при повышении прочности обеспечить необходимую пластичность. Механические свойства вольфрамовых сплавов, легированных молибденом, танталом, ниобием и окисью тория (при кратковременных испытаниях), приведены в табл. 4.

Легирование вольфрама молибденом позволяет получать сплавы, которые по своим прочностным свойствам превосходят нелегированный вольфрам вплоть до температур 2200° С (см. табл. 4). При повышении содержания тантала с 1,6 до 3,6% при температуре 1650°С прочность увеличивается в 2,5 раза. Это сопровождается уменьшением удлинения в 2 раза.

Разработаны и осваиваются дисперсионно упрочненные и сложнолегированные сплавы на основе вольфрама, которые содержат молибден, ниобий, гафний, цирконий, углерод. Например, следующие составы: W – 3% Mo – 1 % Nb; W – 3% Mo – 0,1% Hf; W – 3% Mo – 0,05% Zr; W – 0,07% Zr – 0,004% B; W – 25% Mo – 0,11 % Zr – 0,05% C.

Сплав W – 0,48% Zr-0,048% С имеет? b = 55,2 кгс/мм 2 при 1650° С и 43,8 кгс/мм 2 при 1925° С.

Высокие механические свойства имеют вольфрамовые сплавы, содержащие тысячные доли процента бора, десятые доли процента циркония, и гафния и около 1,5% ниобия. Прочность этих сплавов на разрыв при высоких температурах составляет 54,6 кгс/мм 2 при 1650° С, 23,8 кгс/мм 2 при 2200° С и 4,6 кгс/мм 2 при 2760° С. Однако температура перехода (около 500° С) таких сплавов из пластического состояния в хрупкое достаточно высока.

В литературе имеются сведения о сплавах вольфрама с 0,01 и 0,1% С, которые характеризуются пределом прочности, превышающим в 2-3 раза предел прочности рекристаллизованного вольфрама.

Рении существенно повышает жаропрочность сплавов вольфрама (табл. 5).

Очень давно и в широких масштабах применяется вольфрам и его сплавы в электротехнической и электровакуумной технике. Вольфрам и его сплавы являются основным материалом для изготовления нитей накаливания, электродов, катодов и других элементов конструкций мощных электровакуумных приборов. Высокая эмиссионная способность и светоотдача в накаленном состоянии, низкая упругость пара делают вольфрам одним из важнейших материалов для этой отрасли. В электровакуумных приборах для изготовления деталей, работающих при низких температурах, не проходящих предварительную обработку при Температуре выше 300° С, применяют чистый (без присадок) вольфрам.

Присадки различных элементов существенно изменяют свойства вольфрама. Это дает возможность создавать сплавы вольфрама с необходимыми характеристиками. Например, для деталей электровакуумных приборов, которые требуют применения непровисающего вольфрама при температурах до 2900° С и с высокой температурой первичной рекристаллизации, используют сплавы с кремнещелочными или алюминиевыми присадками. Кремнещелочные и ториевые присадки повышают темпера-туру рекристаллизации и увеличивают прочность вольфрама при высоких температурах, что позволяет изготовлять детали, работающие при температуре до 2100° С в условиях повышенных механических нагрузок.

Катоды электронных и газоразрядных приборов, крючки и пружины генераторных ламп с целью повышения эмиссионных свойств изготовляют из вольфрама с присадкой окиси тория (например, марок ВТ-7, ВТ-10, ВТ-15, с содержанием окиси тория соответственно 7, 10 и 15%).

Высокотемпературные термопары изготовляют из сплавов вольфрама с рением. Вольфрам без присадок, в котором допускается повышенное содержание примесей, применяют при изготовлении холодных деталей электровакуумных приборов (вводы в стекло, траверсы). Электроды импульсных ламп и холодные катоды газоразрядных ламп рекомендуется делать из сплава вольфрама с никелем и барием.

Для работы при температурах выше 1700° С следует применять сплавы ВВ-2 (вольфрамониобиевые). Интересно отметить, что при кратковременных испытаниях сплавы с содержанием ниобия от 0,5 до 2% имеют предел прочности при 1650°С в 2-2,5 раза выше нелегированного вольфрама. Наиболее прочным является сплав вольфрама с 15% молибдена. Сплавы W-Re-Th O 2 обладают хорошей обрабатываемостью по сравнению со сплавами W – Re; добавление двуокиси тория делает возможной такую обработку, как точение, фрезерование, сверление.

Легирование вольфрама рением повышает его пластичность, прочностные же свойства с ростом температуры становятся примерно одинаковыми. Добавки в сплавы вольфрама мелкодисперсных окислов повышают их пластичность. Кроме того, эти добавки значительно улучшают обрабатываемость резанием.

Сплавы вольфрама с рением (W – 3% Re; W – 5% Re; W – 25% Re) применяют для измерения и контроля температуры до 2480° С при производстве стали и в других видах техники. Увеличивается применение сплавов вольфрама с рением при изготовлении антикатодов в рентгеновских трубках. Молибденовые антикатоды, покрытые этим сплавом, работают под большой нагрузкой и имеют более длительный срок службы.

Высокая чувствительность вольфрамовых электродов к изменению концентрации водородных ионов позволяет применять их для потенциометрического титрования. Такие электроды используют для контроля воды и различных растворов. Они просты по конструкции и имеют малую величину электрического сопротивления, что делает перспективным их применение в качестве микроэлектродов при исследовании кислотостойкости приэлектродного слоя в электрохимических процессах.

Недостатками вольфрама являются его низкая пластичность (?

Ряд деталей для электротехнической промышленности и сопловые вкладыши двигателей изготовляют из вольфрама, пропитанного медью или серебром. Взаимодействие тугоплавкой твердой фазы (вольфрама) с пропитывающим металлом (медью или серебром) такое, что взаимная растворимость металлов практически отсутствует. Краевые углы смачивания вольфрама жидкой медью и серебром достаточно малы по причине большой поверхностной энергии вольфрама, и этот факт улучшает проникновение серебра или меди. Вольфрам, пропитанный серебром или медью, производили первоначально двумя методами: полным погружением заготовки из вольфрама в расплавленный металл или частичным погружением подвешенной заготовки из вольфрама. Есть также методы пропитки с использованием гидростатического давления жидкости или вакуумного всасывания.

Изготовление из вольфрама электротехнических контактов, пропитанных серебром или медью, осуществляют следующим образом. Сначала производят прессование порошка вольфрама и его спекание при определенных технологических режимах. Затем полученную заготовку пропитывают. В зависимости от полученной пористости заготовки меняется доля пропитывающего вещества. Так, содержание меди в вольфраме может меняться от 30 до 13% при изменении удельного давления прессования от 2 до 20 тс/см 2 . Технология получения пропитанных материалов довольно проста, экономична, и качество таких контактов выше, так как один из компонентов дает материалу высокую твердость, эрозионную стойкость, большую температуру плавления, а другой повышает электропроводность.

Хорошие результаты получают при применении пропитанного вольфрама медью или серебром для изготовления сопловых вкладышей твердотопливных двигателей. Повышение таких свойств пропитанного вольфрама, как теплопроводность и электропроводность, коэффициента термического расширения, значительно увеличивает долговечность двигателя. Кроме того, испарение пропитывающего металла из вольфрама во время работы двигателя имеет положительное значение, снижая тепловые потоки и уменьшая эрозионное воздействие продуктов сгорания.

Порошок вольфрама применяют при изготовлении пористых материалов для деталей электростатического ионного двигателя. Применение вольфрама для этих целей позволяет улучшить его основные характеристики.

Теплоэрозионные свойства сопел, изготовленных из вольфрама, упрочненного дисперсными окислами ZrO2, MgO2, V2O3, НfO 2 , повышаются по сравнению с соплами из спеченного вольфрама. После соответствующей подготовки на поверхность вольфрама для снижения высокотемпературной коррозии наносят гальванические покрытия, например покрытие никелем, которое выполняют в электролите, содержащем 300 г/л сернокислого натрия, 37,5 г/л борной кислоты при плотности тока 0,5-11 А/дм 2 , температуре 65° С и рН = 4.

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 цинком, магнием, кальцием, ртутью. Вольфрам растворим в тантале и ниобии, а с хромом и молибденом 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 сплавах. 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 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.

Химический элемент — вольфрам.

Перед тем как описать производство вольфрама, необходимо совершить короткий экскурс в историю. Название этого металла переводится с немецкого как «волчьи сливки», происхождение термина уходит в позднее Средневековье.

При получении олова из различных руд было замечено, что в некоторых случаях оно теряется, переходя в пенистый шлак, «словно волк пожирает свою добычу».

Метафора прижилась, дав название позднее полученному металлу, в настоящее время оно используется во многих языках мира. Но в английском, французском и некоторых других языках вольфрам называется по-другому, от метафоры «тяжелый камень» (по-шведски tungsten). Шведское происхождение слова связано с опытами знаменитого шведского химика Шееле, впервые получившего окись вольфрама из руды, впоследствии названной его именем (шеелит).

Шведский химик Шееле, открывший вольфрам.

Промышленное производство металлического вольфрама можно разделить на 3 этапа:

обогащение руды и получение вольфрамового ангидрита;
восстановление до порошкового металла;
получение монолитного металла.

Обогащение руды

В свободном состоянии в природе вольфрам не встречается, присутствует лишь в составе различных соединений.

вольфрамиты
шеелиты

Эти руды часто имеют в составе в незначительных количествах и другие вещества (золото, серебро, олово, ртуть и др.), несмотря на очень низкое содержание дополнительных минералов, порой попутное извлечение их при обогащении экономически целесообразно.

Обогащение начинается с дробления и измельчения породы. Затем материал поступает на дальнейшую обработку, методы который зависят от типа руды. Обогащение вольфрамитовых руд обычно производится гравитационным методом, суть которого – в использовании совокупно действующих сил земного притяжения и центробежной силы, минералы разделяются по химико-физическим свойствам – плотности, размерам частиц, смачиваемости. Так отделяется пустая порода, а до требуемой чистоты концентрат доводится с помощью магнитной сепарации. Содержание вольфрамита в полученном концентрате составляет от 52 до 85%.
Шеелит, в отличие от вольфрамита, не является магнитным минералом, поэтому магнитная сепарация к нему не применяется. Для шеелитовых руд алгоритм обогащения иной. Основным методом служит флотация (процесс разделения частиц в водной суспензии) с последующим использованием электростатической сепарации. Концентрация шеелита может на выходе составлять до 90%. Руды бывают и комплексными, содержащими вольфрамиты и шеелиты одновременно. Для их обогащения используются методы, сочетающие в себе гравитационные и флотационные схемы.

Если необходимо дальнейшее очищение концентрата до установленных норм, применяют различные процедуры в зависимости от типа примесей. Для снижения примеси фосфора шеелитовые концентраты обрабатывают на холоде соляной кислотой, одновременно при этом удаляются кальцит и доломит. Для удаления меди, мышьяка, висмута применяют обжиг с последующей обработкой кислотами. Существуют и другие методы очистки.

Для того чтобы перевести вольфрам из концентрата в растворимое соединение, используется несколько различных методов.

Например, спекают концентрат с избытком соды, получая таким способом вольфрамит натрия.
Может использоваться и другой метод – выщелачивание: вольфрам извлекают содовым раствором под давлением при высокой температуре с последующей нейтрализацией и осаждением.
Еще один способ – обработка концентрата газообразным хлором. При таком процессе образуется хлорид вольфрама, который затем отделяется от хлоридов других металлов методом возгонки. Полученный продукт можно превратить в окисел вольфрама или пустить непосредственно на переработку в элементарный металл.

Основным результатом различных методов обогащения является получение триоксида вольфрама. Далее, именно он идет на производство металлического вольфрама. Из него же получают карбид вольфрама, который является главной составляющей многих твердых сплавов. Существует еще один продукт непосредственной переработки вольфрамовых рудных концентратов – ферровольфрам. Он обычно выплавляется для нужд черной металлургии.

Восстановление вольфрама

Полученный триоксид вольфрама (вольфрамовый ангидрит) на следующем этапе необходимо восстановить до состояния металла. Восстановление чаще всего производится широко применяемым водородным методом. В печь подается движущаяся емкость (лодочка) с триоксидом вольфрама, температура по ходу движения повышается, навстречу подается водород. По мере восстановления металла происходит увеличение насыпной плотности материала, объем загрузки емкости уменьшается более чем вдвое, поэтому на практике используется прогон в 2 этапа, через разные типы печей.

На первой стадии из триоксида вольфрама образуется диоксид, на второй из диоксида получают чистый вольфрамовый порошок.
Затем порошок просеивают через сетку, крупные частицы дополнительно перемалывают для получения порошка с заданным размером зерен.

Иногда для восстановления вольфрама используют углерод. Этот метод несколько упрощает производство, но требует более высоких температур. Кроме того, уголь и содержащиеся в нем примеси вступают в реакцию с вольфрамом, образуя различные соединения, приводящие к загрязнению металла. Есть ряд других методов, применяющихся в производстве по всему миру, но по совокупности параметров восстановление водородом имеет наиболее высокую применимость.

Получение монолитного металла

Если первые две стадии промышленного производства вольфрама хорошо известны металлургам и применяются очень давно, то для получения монолита из порошка потребовалась разработка особой технологии. Большинство металлов получают простой плавкой и затем отливают в формы, с вольфрамом ввиду главного его свойства – тугоплавкости – такая процедура невозможна. Метод получения компактного вольфрама из порошка, предложенный в начале XX века американцем Кулиджем, с различными вариациями применяется и в наше время. Суть метода – порошок превращается в монолитный металл под воздействием электрического тока. Вместо обычной плавки для получения металлического вольфрама приходится проходить несколько этапов. На первом из них порошок прессуют в специальные бруски-штабики. Затем эти штабики подвергаются процедуре спекания, причем делается это в две стадии:

1. Сначала при температуре до 1300ºС штабик предварительно спекается для увеличения его прочности. Процедура осуществляется в специальной герметичной печи с непрерывной подачей водорода. Водород применяют для дополнительного восстановления, он проникает в пористую структуру материала, и при дополнительном воздействии высокой температуры между кристаллами спекаемого штабика создается чисто металлический контакт. Штабик после этого этапа значительно упрочняется, теряя в размерах до 5%.
2. Затем приступают к основной стадии – сварке. Этот процесс проводится при температуре до 3 тысºC. Штабик закрепляется зажимными контактами, и через него пропускается электрический ток. На этом этапе также применяется водород – он нужен для предотвращения окисления. Сила тока применяется очень высокая, для штабиков сечением 10х10 мм требуется ток около 2500 А, а для сечения 25х25 мм – около 9000 А. Напряжение при этом используется сравнительно небольшое, от 10 до 20 В. Для каждой партии монолитного металла вначале сваривается пробный штабик, с его помощью производят калибровку режима сварки. Продолжительность сварки зависит от размеров штабика и составляет обычно от 15 минут до часа. Этот этап, как и первый, тоже приводит к уменьшению размера штабика.

Плотность и зернистость полученного металла зависят от первоначальной зернистости штабика и от максимальной температуры сварки. Потеря размеров после двух этапов спекания составляет до 18% по длине. Окончательная плотность составляет 17–18,5 г/см².

Для получения вольфрама высокой очистки применяют различные присадки, испаряющиеся в процессе сварки, например окислы кремния и щелочных металлов. По мере нагрева эти присадки улетучиваются, увлекая вместе с собой другие примеси. Этот процесс способствует дополнительной очистке. При использовании правильного температурного режима и отсутствии следов влаги в водородной атмосфере при спекании с помощью таких присадок степень очистки вольфрама можно довести до 99,995%.

Производство изделий из вольфрама

Полученный из первоначальной руды после описанных трех этапов производства монолитный вольфрам обладает уникальным набором свойств. Помимо тугоплавкости, ему присущи очень высокая стабильность геометрических размеров, сохранение прочности при высоких температурах и отсутствие внутреннего напряжения. Вольфрам также имеет хорошую пластичность и ковкость. Дальнейшее производство чаще всего заключается в вытягивании проволоки. Это технологически относительно несложные процессы.

Заготовки поступают в ротационно-ковочную машину, где происходит обжатие материала.
Затем методом волочения получают проволоку различного диаметра (волочение – это протягивание прута на специальном оборудовании через сужающиеся отверстия). Так можно получить тончайшую вольфрамовую проволоку с суммарной степенью деформации 99,9995%, при этом прочность ее может достигать 600 кг/мм².

Вольфрам начали использовать для нитей накала электрических ламп еще до разработки способа производства ковкого вольфрама. Русский ученый Лодыгин, ранее запатентовавший принцип применения нити накала для лампы, в 1890 годах предложил использовать в качестве такой нити скрученную в спираль вольфрамовую проволоку. Как же получали вольфрам для подобных проволок? Сначала приготовляли смесь вольфрамового порошка с каким-либо пластификатором (например парафином), затем из этой смеси выпрессовывали тонкую нить через отверстие заданного диаметра, просушивали и прокаливали в водороде. Получалась довольно хрупкая проволока, прямолинейные отрезки которой прикрепляли к электродам лампы. Были попытки получить компактный металл и другими методами, однако, во всех случаях хрупкость нитей оставалась критически высокой. После работ Кулиджа и Финка изготовление вольфрамовой проволоки обрело прочную технологическую базу, и промышленное применение вольфрама стало стремительно нарастать.

Лампа накаливания, изобретенная русским ученым Лодыгиным.

Мировой рынок вольфрама

Объемы производства вольфрама составляют около 50 тыс. т в год. Лидером в производстве, как и в потреблении, является Китай, производит эта страна примерно 41 тыс. т в год (Россия, для сравнения, производит 3,5 тыс. т). Важным фактором в настоящее время является переработка вторичного сырья, обычно это лом карбида вольфрама, стружки, опилки и остатки порошкового вольфрама, такая переработка обеспечивает около 30% мирового потребления вольфрама.

Нити из сгоревших ламп накаливания практически не перерабатываются.

Мировой рынок вольфрама в последнее время демонстрирует спад спроса на вольфрамовые нити. Это обусловлено развитием альтернативных технологий в области освещения – люминесцентные и светодиодные лампы агрессивно заменяют обычные лампы накаливания как в быту, так и в промышленности. По прогнозам специалистов, применение вольфрама в этом секторе в ближайшие годы будет снижаться на 5% в год. Спрос же на вольфрам в целом не снижается, падение применимости в одном секторе компенсируется ростом в других, в том числе инновационных отраслях.

Вольфрам – Информация об элементе, свойства и применение

Расшифровка:

Химия в ее элементе: вольфрам

(Promo)

Вы слушаете «Химию в ее стихии», представленную вам журналом Chemistry World , журналом Королевского химического общества.

(Конец промо)

Крис Смит

Здравствуйте, на этой неделе сверхзвуковые стали, быстрые формулы автомобилей и разочарование испанских ученых.Но о чем они спорят? Вот Кэтрин Холт.

Кэтрин Холт

Что в имени? Как мы вообще решаем, как называть элемент? Одно и то же имя элемента на всех языках? Это имеет значение? А кто решает?

Ответ на последний вопрос прост – окончательное решение о наименовании элементов принимает IUPAC – Международный союз теоретической и прикладной химии. Ответ на остальные вопросы, в основном, зависит от обстоятельств! Возьмем, к примеру, элемент 74 – или, как мы называем его по-английски, – вольфрам.Вы когда-нибудь задумывались, почему его символ – W? Химики во многих европейских странах не должны задаваться вопросом, почему – потому что они называют это Вольфрамом. Путаница двух названий возникает из ранней минералогии. Название «вольфрам» происходит от старого шведского названия «тяжелый камень» – названия известного вольфрамсодержащего минерала. Название «вольфрам» происходит от другого минерала, вольфрамита, который также имеет высокое содержание элемента, который мы называем вольфрамом.

До недавнего времени оба названия – вольфрам и вольфрам – были включены в «Номенклатуру неорганической химии – Рекомендации ИЮПАК» или «Красную книгу», как ее называют в кругах ИЮПАК.Однако в 2005 году термин «вольфрам» был исключен, и вольфрам стал единственным официальным названием этого элемента ИЮПАК. Однако вольфрам не сдался без боя! В частности, испанские химики были недовольны этим изменением – не в последнюю очередь потому, что их соотечественникам братьям Делуяр приписывают открытие этого элемента и его выделение из минерала вольфрамита. В своей первоначальной статье братья Делуяр запросили название вольфрам для недавно изолированного элемента, сказав: «Мы назовем этот новый металлический вольфрам, взяв его название из материала, из которого он был извлечен.это название больше подходит, чем вольфрам … потому что вольфрамит – это минерал, который был известен задолго до …, по крайней мере, среди минералогов, а также потому, что название вольфрам принято почти во всех европейских языках … .. “

Хотя это может быть убедительным аргументом, ИЮПАК утверждает, что его рабочий язык – английский, и поэтому вольфрам является наиболее подходящим названием. Они подчеркивают, что студентам придется изучить некоторую историю химии, чтобы понять, почему символ элемента – W.То же самое верно и для ряда других элементов, таких как калий, ртуть и серебро, символы которых не имеют никакого отношения к их английским названиям.

Однако мне кажется маловероятным, что такое красочное название, как вольфрам, будет забыто. Если вам интересно, считается, что оно произошло от немецкого слова «волчья пена». Много веков назад среднеевропейские оловоплавильные фабрики заметили, что когда в оловянной руде присутствует определенный минерал, их выход олова значительно снижается. Они назвали этот минерал «волчьей пеной», потому что, по их словам, он пожирал олово так же, как волк пожирает овцу! Таким образом, со временем эта вольфрамсодержащая руда получила название «вольфрамит».

В отличие от полумифической роли вольфрама в ранней металлургии, в наши дни применение вольфрама является высокотехнологичным, благодаря его твердости, стабильности и высокой температуре плавления. В настоящее время они используются в качестве электродов, нагревательных элементов и эмиттеров поля, а также в качестве нитей в лампочках и электронно-лучевых трубках. Вольфрам обычно используется в сплавах тяжелых металлов, таких как быстрорежущая сталь, из которых изготавливаются режущие инструменты. Он также используется в так называемых «суперсплавах» для образования износостойких покрытий.Его плотность делает его полезным в качестве балласта в самолетах и автомобилях Формулы-1 и, что еще более спорно, в качестве сверхзвуковой шрапнели и бронебойных боеприпасов в ракетах.

Мне кажется, что название вольфрам, или «тяжелый камень», оправдано этими применениями, в которых используются его прочность и плотность. Я рад, однако, что рождение химии в деятельности этих древних металлургов и минералогов до сих пор отмечается использованием символа W для элемента 74. Это гарантирует, что мы никогда не забудем, что было время, не так давно назад, когда многие химические процессы можно было объяснить только с помощью метафор.

Крис Смит

Я всегда помнил, что вольфрамовая буква W означает неправильный символ, но можете ли вы вспомнить одну букву алфавита, которая не используется в периодической таблице? Теперь есть над чем задуматься. А пока большое спасибо Кэтрин Холт из UCL.

На следующей неделе мы познакомимся с элементом, который был представлен миру, справедливости ради, довольно необычным способом.

Брайан Клегг

Первый намек на существование америция был сделан не в статье для известного журнала, а в детской радиовикторине 1945 года.Сиборг появился в качестве гостя на шоу MBC Quiz Kids, где один из участников спросил его, производят ли они какие-либо другие новые элементы, а также плутоний и нептуний. Поскольку через пять дней Сиборг должен был официально объявить об открытии америция, он отказался от его существования вместе с 96-м элементом.

Крис Смит

И Брайан Клегг расскажет историю радиоактивного элемента америций и того, как он удерживается. Я надеюсь, что вы сможете присоединиться к нам в безопасности дома на следующей неделе в Химии в ее стихии.Я Крис Смит, спасибо за внимание и до свидания.

(промо)

(конец промо)

вольфрам | Использование, свойства и факты

Возникновение, свойства и использование

Количество вольфрама в земной коре оценивается в 1,5 частей на миллион, или примерно 1,5 грамма на тонну породы. Китай – доминирующий производитель вольфрама; в 2016 году он произвел более 80 процентов всего добытого вольфрама и содержал почти две трети мировых запасов.Вьетнам, Россия, Канада и Боливия производят большую часть остатка. Вольфрам не встречается в виде свободного металла. Он примерно так же богат, как олово или молибден, на которые он похож, и вдвое меньше, чем уран. Хотя вольфрам встречается в виде вольфрамита-дисульфида вольфрама, WS ₂, наиболее важными рудами в данном случае являются вольфраматы, такие как шеелит (вольфрамат кальция, CaWO ₄), столзит (вольфрамат свинца, PbWO ₄) и вольфрамит. – твердый раствор или смесь или оба изоморфных веществ вольфрамат двухвалентного железа (FeWO ₄) и марганцевый вольфрамат (MnWO ₄).

Для вольфрама руды концентрируются с помощью магнитных и механических процессов, а затем концентрат плавится с щелочью. Неочищенные расплавы выщелачивают водой, получая растворы вольфрамата натрия, из которых при подкислении осаждается водный триоксид вольфрама, а затем оксид сушат и восстанавливают до металла водородом.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Вольфрам довольно устойчив к воздействию кислот, за исключением смесей концентрированной азотной и плавиковой кислот, и он может быстро подвергаться воздействию щелочных окисляющих расплавов, таких как плавленые смеси нитрата калия и гидроксида натрия или пероксида натрия; водные щелочи, однако, не действуют.Он инертен по отношению к кислороду при нормальной температуре, но легко соединяется с ним при нагревании красного цвета с образованием триоксидов и подвергается действию фтора при комнатной температуре с образованием гексафторидов.

Металлический вольфрам имеет блеск от никелево-белого до сероватого цвета. Среди металлов он имеет самую высокую температуру плавления при 3410 ° C (6170 ° F), самую высокую прочность на разрыв при температурах более 1650 ° C (3002 ° F) и самый низкий коэффициент линейного теплового расширения (4,43 × 10 ^{). −6} на ° C при 20 ° C [68 ° F]).Вольфрам обычно хрупкий при комнатной температуре. Однако чистый вольфрам можно сделать пластичным путем механической обработки при высоких температурах, а затем из него можно получить очень тонкую проволоку. Вольфрам сначала был коммерчески использован в качестве материала нити накала лампы, а затем использовался во многих электрических и электронных устройствах. Он используется в форме карбида вольфрама для изготовления очень твердых и вязких штампов, инструментов, калибров и бит. Много вольфрама идет на производство вольфрамовых сталей, а некоторые из них использовались в аэрокосмической промышленности для изготовления горловин сопел ракетных двигателей и входных поверхностей передней кромки.(Для получения информации о добыче, извлечении и применении вольфрама, см. обработка вольфрама.)

Природный вольфрам представляет собой смесь пяти стабильных изотопов: вольфрама-180 (0,12 процента), вольфрама-182 (26,50 процента), вольфрама-183 (14,31 процента), вольфрама-184 (30,64 процента) и вольфрама-186 (28,43 процента). ). Кристаллы вольфрама изометричны и, как показывает рентгеноструктурный анализ, имеют объемно-центрированную кубическую форму.

Соединения

Вольфрам относительно инертен с химической точки зрения.Однако были получены соединения, в которых элемент имеет степень окисления от 0 до +6. Состояния выше +2, особенно +6, являются наиболее распространенными. В состояниях +4, +5 и +6 вольфрам образует множество комплексов.

Наиболее важным соединением вольфрама является карбид вольфрама (WC), который отличается своей твердостью (9,5 по шкале Мооса, где максимум, алмаз, равен 10). Он используется отдельно или в сочетании с другими металлами для придания износостойкости чугуну и режущим кромкам пил и сверл.Вольфрам также образует твердые, тугоплавкие и химически инертные межузельные соединения с бором, азотом и кремнием при прямой реакции с этими элементами при высоких температурах.

It’s Elemental – Элемент Вольфрам

Что в имени? От шведского слова tungsten , что означает «тяжелый камень». Химический символ вольфрама происходит от его более раннего германского названия Wolfram . Название Вольфрам происходит от минерала вольфрамита, в котором он был обнаружен.Вольфрамит означает «пожиратель олова», поскольку минерал препятствует плавлению олова.

Сказать что? Вольфрам произносится как TUNG-sten .

Вольфрам был открыт Хуаном Хосе и Фаусто Эльхуяром, испанскими химиками и братьями, в 1783 году в образцах минерала вольфрамита ((Fe, Mn) WO ₄). Сегодня вольфрам в основном получают из вольфрамита и шеелита (CaWO ₄) с использованием того же основного метода, который был разработан Хосе и Эльхуяром. Вольфрамовые руды измельчаются, очищаются и обрабатываются щелочами с образованием триоксида вольфрама (WO ₃).Затем триоксид вольфрама нагревают углеродом или газообразным водородом (H ₂), образуя металлический вольфрам и диоксид углерода (CO ₂) или металлический вольфрам и водяной пар (H ₂ O).

Чистый вольфрам – это светло-серый или беловатый металл, достаточно мягкий, чтобы его можно разрезать ножовкой, и достаточно пластичный, чтобы его можно было протянуть в проволоку или выдавить в различные формы. При загрязнении другими материалами вольфрам становится хрупким, и с ним трудно работать. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлических элементов и используется для изготовления нитей для ламп накаливания, люминесцентных ламп и телевизионных трубок.Вольфрам расширяется почти с той же скоростью, что и боросиликатное стекло, и используется для изготовления уплотнений металл-стекло. Вольфрам также используется в качестве мишени для производства рентгеновских лучей, в качестве нагревательных элементов в электрических печах, а также в частях космических кораблей и ракет, которые должны выдерживать высокие температуры.

Вольфрам легирован сталью для образования вязких металлов, устойчивых при высоких температурах. Сплавы вольфрама и стали используются для изготовления таких изделий, как высокоскоростной режущий инструмент и сопла ракетных двигателей.

Карбид вольфрама (WC) – это чрезвычайно твердое соединение вольфрама.Он используется в наконечниках сверл, высокоскоростных режущих инструментах и в горном оборудовании. Дисульфид вольфрама (WS ₂) – это сухая смазка, которую можно использовать при температурах до 500 ° C. Вольфрам образует соединения с кальцием и магнием, которые обладают фосфоресцентными свойствами и используются в люминесцентных лампах.

Каковы применения вольфрама?

Вольфрам получил свое название от шведского «Tung Sten», что переводится как «тяжелый камень». Вольфрам – это металл серо-белого цвета.Этот металл устойчив и обладает высокой устойчивостью к кислотам и щелочам. Вольфрам обладает самой высокой температурой плавления среди металлов. Эти свойства делают вольфрам ценным для многих применений, включая электротехническое, производственное, строительное и химическое.

Нить накала

Нить накаливания ламп – одно из самых известных применений вольфрама. Наибольшее коммерческое применение вольфрам находит в производстве ламп. Вольфрам способен выдерживать очень высокие температуры и имеет чрезвычайно низкое давление пара, свойства, которые способствуют увеличению яркости и долгому сроку службы лампы.Бытовые лампы, автомобильные лампы и рефлекторные лампы, используемые в проекторах и прожекторах, являются некоторыми примерами применений, в которых используются вольфрамовые нити. В специальных лампах, таких как лампы для освещения видеокамер, указателей взлетно-посадочных полос аэропортов, медицинского оборудования и оптоволоконных систем, также используется вольфрам.

Сплавы

При смешивании с другими металлами вольфрам дает сплавы с особыми свойствами, которые могут использоваться в различных областях. Сплавы кобальта и хрома с вольфрамом называются стеллитами, которые демонстрируют отличные износостойкие свойства.Стеллиты используются в подшипниках, поршнях и седлах клапанов, а также там, где требуются материалы с высокими износостойкими свойствами. При смешивании с высокими концентрациями вольфрама, молибдена, тантала и рения металлы никель, железо или кобальт образуют суперсплавы. Суперсплавы обладают рядом особых свойств, включая устойчивость к высоким температурам, высокую коррозионную стойкость и отличные сварочные свойства. Применения суперсплавов включают морские транспортные средства, лопатки турбин авиационных двигателей, а также лопатки и лопатки турбин в стационарных источниках питания.

Вольфрам и сталь

Добавление вольфрама делает сталь более прочной. Вольфрам увеличивает твердость стали и увеличивает режущую способность. Вольфрам является основным легирующим компонентом сталей, используемых для изготовления инструментов и строительства. Стальные сплавы с вольфрамом используются для резки и изготовления металлических деталей. По существу, важно, чтобы эти стальные сплавы обладали превосходной твердостью в широком диапазоне температур.

Лабораторные применения

Вольфрам находит множество применений в лабораториях.Он служит реагентом в виде вольфрамата натрия высокой чистоты в биохимическом анализе. Как метавольфрамат натрия, металл используется в минералогии для приготовления тяжелых жидкостей для разделения минералов на основе их плотности. Гранулы вольфрама высокой чистоты используются в качестве ускорителя в процессе определения углерода и серы в металлах.

Вольфрам (W) – химические свойства, воздействие на здоровье и окружающую среду

Вольфрам – это блестящий серебристо-белый металл. Объемный металл устойчив к воздействию кислорода, кислот и щелочей.Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления из всех металлов.

Применения

Вольфрам используется в нити накаливания ламп накаливания, а также в электрических контактах и электродах для дуговой сварки. Вольфрам используется в сплавах, таких как сталь, которым он придает большую прочность. Карбид цемента является наиболее важным применением вольфрама: его основной компонент – карбид вольфрама (WC). Он обладает прочностью по сравнению с нашим чугуном и является отличным режущим инструментом для обработки стали.Рентгеновские трубки для медицинского использования имеют вольфрамовую эмиттерную катушку, а экран, используемый для просмотра рентгеновских лучей, основан на вольфраматных люминофорах кальция и магния для преобразования рентгеновских лучей в синий видимый свет. Вольфрам также используется в технологии микрочипов и жидкокристаллических дисплеях.

Вольфрам в окружающей среде

В росистых почвах, которые были проанализированы на его содержание, было обнаружено очень мало вольфрама, хотя вокруг рудоперерабатывающего завода в России были обнаружены уровни до 2000 ppm.Концентрация элемента в природных водах очень низкая.

Существует несколько минералов вольфрама, наиболее важные из которых – шеелит и вольфрамит. Основным районом добычи полезных ископаемых является Китай, на который сегодня приходится более двух третей мировых запасов. Другие места с действующими вольфрамовыми рудниками – это Россия, Австрия, Боливия, Перу и Португалия. Мировая добыча составляет около 40 000 тонн в год, а запасы оцениваются примерно в 5 миллионов тонн. Вольфрам также перерабатывается и удовлетворяет 30% спроса.

Было показано, что вольфрам действует, противодействуя действию важного микроэлемента, молибдена. Длительный производственный опыт показал, что пневмокониоз не развивается у рабочих, подвергающихся только воздействию W или его нерастворимых соединений (при концентрациях в воздухе порядка 5 мг / м3).

Острые последствия для здоровья: Раздражает кожу и глаза при контакте. Вдыхание вызывает раздражение легких и слизистой оболочки. Раздражение глаз вызовет слезотечение и покраснение.Покраснение, шелушение и зуд – признаки воспаления кожи. Соблюдайте правила промышленной гигиены и всегда используйте защитное снаряжение при работе с этим составом.

Хронические последствия для здоровья: У этого продукта нет известных хронических эффектов. Неизвестно, что повторное или продолжительное воздействие этого соединения ухудшает состояние здоровья.

Все соединения вольфрама следует рассматривать как высокотоксичные. Металлическая пыль представляет опасность пожара и взрыва.

Порошок металлического вольфрама, вводимый животным, был показан в нескольких исследованиях как не совсем инертный.Одно исследование показало, что морские свинки, получавшие вольфрам перорально или внутривенно, страдали анорексией, коликами, нарушением координации движений, дрожью, одышкой и потерей веса. Предполагается, что этот продукт не представляет опасности для окружающей среды. Для этого продукта нет конкретных данных об экотоксичности.

Вернуться к таблице Менделеева.

Вольфрам: применение, применение – Metalpedia

Вольфрам: применение, применение-Металпедия

Твердосплавный сплав, также называемый твердым сплавом, является наиболее важным применением вольфрама, а его основным компонентом является карбид вольфрама (WC), твердость которого лишь немного ниже, чем у алмаза.Поскольку цементированные карбиды сочетают в себе высокую твердость и прочность карбида вольфрама с вязкостью и пластичностью связующего из металлических сплавов, таких как Co, Ni или Fe, они широко используются для производства продуктов для резки и горнодобывающей промышленности, таких как буровые коронки, высокоскоростная резка. инструменты, токарные инструменты и фрезы.

Вольфрам можно использовать как чистый металл или смешивать с другими металлами для изготовления сплавов. Поскольку вольфрамовые сплавы имеют тенденцию быть прочными и гибкими, устойчивы к износу и коррозии и хорошо проводят электричество, они используются в различных областях, например, сплавы вольфрама и стали используются в производстве сопел ракетных двигателей, которые должны иметь хорошую термостойкость. Свойства суперсплавы, содержащие вольфрам, используются в лопатках турбин, износостойких деталях и покрытиях, а высокоплотные сплавы вольфрама с никелем, медью или железом используются в высококачественных дротиках.

Вольфрам имеет высокую температуру плавления и низкое давление пара, поэтому он используется во многих высокотемпературных приложениях, таких как электрические лампы, электронно-лучевые трубки и нити для вакуумных трубок.
Поскольку вольфрам обладает проводящими свойствами и относительной химической инертностью, он также используется в электродах, например, в электронных микроскопах.
Устойчивость вольфрама к сильному нагреву также делает его идеальным материалом для электроники.Например, вольфрам используется в качестве соединительного материала в интегральных схемах между диэлектрическим материалом из диоксида кремния и транзисторами. Вольфрам также является одним из основных источников рентгеновских мишеней из-за его электронной структуры.

Вольфрамовые химические вещества используются в форме оксидов вольфрама, вольфраматов, вольфрамовой кислоты, кремневольфрамовой кислоты, фосфорновольфрамовой кислоты или сульфидов вольфрама. Эти химические вещества используются в нефтяной, смазочной, горнодобывающей, электронной и медицинской промышленности и т. Д., Например, сульфид вольфрама является высокотемпературным смазочным материалом, а также компонентом катализаторов гидрообессеривания, а оксид вольфрама используется для селективного каталитического восстановления (SCR). ) катализаторы угольных электростанций.

Помимо упомянутых выше применений, вольфрам имеет много других применений. Тепловое расширение вольфрама аналогично боросиликатному стеклу, поэтому его используют для изготовления уплотнений стекло-металл. Вольфрам также используется в ювелирных изделиях как заменитель золота или платины, поскольку его плотность аналогична плотности золота.
Поскольку оксиды вольфрама обладают двумя уникальными свойствами – интеркаляцией и поликонденсацией, у вольфрама есть большие возможности для использования в топливных элементах или энергосберегающих технологиях в будущем.

О нас Свяжитесь с нами
Metalpedia – это некоммерческий веб-сайт, цель которого – расширить знания о металлах и предоставить пользователям обширную справочную базу данных. Он в максимальной степени предоставляет пользователям достоверную информацию и знания. Если есть какое-либо нарушение авторских прав, пожалуйста, сообщите нам через нашу контактную информацию, чтобы незамедлительно удалить такой контент, нарушающий авторские права.

Вольфрам

Химический элемент вольфрам относится к переходным металлам. Он был открыт в 1779 году Питером Вулфом.

Зона данных

Классификация:	Вольфрам – переходный металл
Цвет:	серебристо-белый
Атомный вес:	183,84
Состояние:	цельный
Температура плавления:	3422 ^o C, 3695 K
Температура кипения:	5550 ^o C, 5823 K
Электронов:	74
Протонов:	74
Нейтроны в наиболее распространенном изотопе:	110
Электронные оболочки:	2,8,18,32,12,2
Электронная конфигурация:	[Xe] 4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²
Плотность при 20 ^o C:	19.3 г / см ³

Показать еще, в том числе: температуры, энергии, окисление,
реакции, соединения, радиусы, проводимости

Атомный объем:	9,53 см ³ / моль
Состав:	bcc: объемно-центрированный кубический
Твердость:	7,5 МОС
Удельная теплоемкость	0,13 Дж г ^-1 K ^-1
Теплота плавления	35.40 кДж моль ^-1
Теплота распыления	860 кДж моль ^-1
Теплота испарения	824,0 кДж моль ^-1
1 ^st энергия ионизации	770 кДж моль ^-1
2 ^nd энергия ионизации	1700 кДж моль ^-1
3 ^rd энергия ионизации	–
Сродство к электрону	78.6 кДж моль ^-1
Минимальная степень окисления	-2
Мин. общее окисление нет.	0
Максимальное число окисления	6
Макс. общее окисление нет.	6
Электроотрицательность (шкала Полинга)	2,36
Объем поляризуемости	11,1 Å ³
Реакция с воздухом	w / ht, ⇒ WO ₃
Реакция с 15 M HNO ₃	нет
Реакция с 6 M HCl	нет
Реакция с 6 М NaOH	–
Оксид (ов)	WO ₂, WO ₃ (оксид вольфрама)
Гидрид (ы)	–
Хлорид (ы)	WCl ₂, WCl ₄, WCl ₆
Атомный радиус	139 вечера
Ионный радиус (1+ ион)	–
Ионный радиус (2+ ионов)	–
Ионный радиус (3+ ионов)	–
Ионный радиус (1-ионный)	–
Ионный радиус (2-ионный)	–
Ионный радиус (3-ионный)	–
Теплопроводность	173 Вт м ^-1 K ^-1
Электропроводность	18.2 x 10 ⁶ S м ^-1
Температура замерзания / плавления:	3422 ^o C, 3695 K

Открытие вольфрама

В 1779 году ирландский химик Питер Вулф вывел о существовании нового элемента – вольфрама – из своего анализа минерала вольфрамита (минерал вольфрамат железа-марганца).

Вольфрам был выделен в виде оксида вольфрама (WO ₃) в 1781 году в Швеции Карлом В. Шееле из минерала шеелита (вольфрамата кальция).Однако у него не было подходящей печи для восстановления оксида до металла.

Вольфрам был окончательно выделен братьями Фаусто и Хуаном Хосе де Эльхуяр в 1783 году в Испании путем восстановления подкисленного вольфрамита древесным углем.

Название элемента происходит от шведского слова «вольфрам», означающего тяжелый камень.

Химический символ W происходит от первоначального названия элемента – Вольфрам.

Вольфрам – один из пяти основных тугоплавких металлов (металлов с очень высокой термостойкостью и износостойкостью).

Пять тугоплавких металлов – обратите внимание на их тесную взаимосвязь в периодической таблице.
Другие тугоплавкие металлы – ниобий, молибден, тантал и рений.

Вольфрам металлический. Фото Томихандорфа.

Телескоп большой площади (LAT) исследует космические лучи, отслеживая электроны и позитроны, которые они производят после столкновения со слоями вольфрама. Предоставлено: НАСА / Лаборатория концептуальных изображений Центра космических полетов имени Годдарда.

Галогенная лампа, более известная как вольфрамовая галогенная лампа.

Внешний вид и характеристики

Вредное воздействие:

Вольфрам считается малотоксичным.

Характеристики:

Вольфрам – очень твердый, плотный, серебристо-белый блестящий металл, который тускнеет на воздухе, образуя защитное оксидное покрытие. В виде порошка вольфрам имеет серый цвет.

Металл имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов, а при температурах выше 1650 ^o C также имеет самый высокий предел прочности на разрыв.Чистый вольфрам пластичен, а вольфрамовая проволока даже очень маленького диаметра имеет очень высокий предел прочности.

Вольфрам обладает высокой устойчивостью к коррозии. Он образует вольфрамовую кислоту (H ₂ WO ₄) или вольфрамовую кислоту из гидратированного оксида (WO ₃), и ее соли называются вольфраматами или вольфраматами.

Когда вольфрам присутствует в соединениях, он в основном находится в степени окисления VI.

Использование вольфрама

Вольфрам и его сплавы широко используются для изготовления нитей в старых (не энергосберегающих) электрических лампах и электронных лампах.

Вольфрам также используется в качестве нити накала в галогенных вольфрамовых лампах. В этих лампах используются галогены, такие как бром и йод, для предотвращения разрушения вольфрамовой нити накала и, следовательно, они более энергоэффективны, чем стандартные лампы накаливания.

Быстрорежущая сталь (которая может резать материал на более высоких скоростях, чем углеродистая сталь) содержит до 18% вольфрама.

Вольфрам используется в сплавах тяжелых металлов из-за его твердости и в высокотемпературных применениях, таких как сварка.

Карбид вольфрама (WC или W ₂ C) чрезвычайно твердый и используется для изготовления сверл. Его также используют для изготовления украшений из-за его твердости и износостойкости.

Численность и изотопы

Изобилие земной коры: 1,25 частей на миллион по весу, 0,1 частей на миллион по молям

Солнечная система изобилия: 4 части на миллиард по весу, 30 частей на триллион по молям

Стоимость, чистая: 11 долларов за 100 г

Стоимость, оптом: 2,95 доллара за 100 г

Источник: Вольфрам в природе не встречается в свободном виде.Основными рудами вольфрама являются вольфрамит (вольфрамат железа-марганца) и шеелит (вольфрамат кальция, CaWO ₃). В промышленных масштабах металл получают восстановлением оксида вольфрама водородом или углеродом.

Изотопы: Вольфрам состоит из 33 изотопов, период полураспада которых известен с массовыми числами от 158 до 190. Встречающийся в природе вольфрам представляет собой смесь пяти изотопов, и они находятся в указанных процентах: ¹⁸⁰ Вт (0,1%), ¹⁸² Вт (26,5%), ¹⁸³ Вт (14.3%), ¹⁸⁴ Вт (30,6%) и ¹⁸⁶ Вт (28,4%).

Список литературы

Цитируйте эту страницу

Для интерактивной ссылки скопируйте и вставьте одно из следующего:

  Вольфрам

или

  Факты о вольфрамовых элементах

Чтобы процитировать эту страницу в академическом документе, используйте следующую ссылку в соответствии с MLA:

«Вольфрам."Chemicool Periodic Table.