Температура вольфрама: Вольфрам | Plansee

alexxlab | 06.07.1974 | 0 | Разное

Содержание

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!

Температура плавления вольфрама: точное значение

Температура плавления вольфрама: точное значение + порошковый метод производства вольфрама + 2 метода формирования компактного металла из порошка + физические/химические свойства элемента + разбор маркировки + 6 областей применения вольфрама по типу сплавов.

Вольфрам считается самым тугоплавким металлом на Земле, что делает его незаменимым в некоторых областях промышленности и повседневной жизни. Параллельно, из-за оговорённого свойства, заниматься обработкой металла крайне сложно.

В сегодняшней статье мы расскажем какова температура плавления вольфрама + нюансы изготовления металла в рамках РФ и за границей.

Разбор химического элемента


Вольфрам расположен на 74 позиции таблицы Менделеева, а обозначение – латинская «W». В классическом представлении мы видим серебристое твердое вещество с беловатым оттенком. (-9) Ом*метр.В ряде напряжений у вольфрама место за водородом.Звуковая скорость внутри вольфрама отожженного типа составляет 4 300 метров в секунду.Не растворяется в кислотных средах серного и соляного типов, но растворим в пероксидах на основе водорода.При превышении температурной отметки в 1 600 градусов Цельсия, увеличивает пластичность и становится ковким.Если имеется окисляющее вещество, выступает как реагент. Когда значение в градусах Цельсия повышается до 550, процессы протекают в разы быстрее.

Чистый вольфрам не встречается. Его кларки имеются в поверхности земной коры в концентрации 0.00014%. Средние значения по содержанию среди различных пород скачут в промежутке 0.1-2.0 граммов на тонну. Классификация элемента по маркировке представлена в таблице ниже.

Нюансы работы с вольфрамовыми электродами ЭВТ-15


МаркировкаПримесьРоль примеси
«ВЧ»Чистый металлПримеси нет
«ВА»Внедрение алюминия и кремнещелочиУвеличение устойчивости формы при высоких температурах. Повышение послеотжигной прочности и увеличение температурного режима первичной рекристаллизации
«ВМ»Кремнещелоч + торийПовышение рекристализационной структуры и прочности при влиянии высоких температур.
«ВТ»Окись торияУвеличение эмиссионных качеств
«ВИ»Окись иттрияУвеличение эмиссионных качеств
«ВЛ»Окись лантанаУвеличение эмиссионных качеств
«ВР»РенийПовышение уровня пластичности, прочности при влиянии высоких температур, удельного сопротивления и т.э.д.с.
«ВРН»Примеси без присадок-
«МВ»МолибденУвеличение параметра стойкости + параллельное увеличение пластичности материала после отжига.

Наибольшими месторождениями руд вольфрама обладают Канада с Китаем. Небольшие залежи имеются также в России и Корее. В год добывают порядка 60 тысяч тонн тугоплавкого металла. Доля Китая в этом составляет 40%+. Лидерами импорта выступает США, Япония и Германия, а экспортеры – Китай, Южная Корея и Австралия.

О направлениях использования вольфрама расскажет таблица ниже.


Область примененияОсобенности
СпецстальВ данном случае вольфрам является либо ключевым компонентом, либо выступает легирующей добавкой. К специальным сталям с вольфрамными вкраплениями относят быстрорежущие (до 23% W), инструментальные (до 2%), и хромвольфраммарганцевые (до 1.5%). Из спецсталей
Сплавы твердого типаОснова из карбида в связке с вольфрамом – добавка с большими показателями тугоплавкости, прочности + стойкости к износу. Долевое вхождение чистого вольфрама составляет от 85% до 95%. Сплавы твердого типа используются с целью элементов буров компонентов для резки.
Сплавы на износЗдесь на всю используется свойство тугоплавкости вольфрама. Популярными сплавками с устойчивостью к жару являются вариации с вкраплениями хрома или кобальта. Сплав используют как наплавки для поверхностей, что сильно изнашиваются. В частности, автомобильные запчасти.
Сплавы «тяжелого» и контактного типаВ категорию относят сплавы, содержащие купрум или аргентум. Материал эффективно себя проявляет в процессе производства компонентов для будильников, электродов на сварку и тому подобного.
ОсвещениеВольфрамовая проволока – это основа для нитей накаливания, что повсеместно применяются нами в быту. Помимо этого, тонкие прутики из сплава металла применяются как электронагревающий компонент для печей с высоким температурным режимом. Работа оговоренных деталей протекает в вакуумной сфере или других газообразных инертных средах на основе водорода.
Электродные составляющие в сварках«W» – основа для дуговой сварки. Материал выдерживает колоссальные температуры, что позволяет обрабатывать сваркой любой существующий металл.

В отношении распространенности, вольфрамовые прутки удерживают лидирующие позиции по количеству заготовок. Сырьевой основой для производства прутиков служит штабик. Оговоренные детали служат основой для сварочных работ в быту и промышленности. Недалеко ушла по популярности и вольфрамовая проволока. Далее будут описаны особенности изготовления непосредственно вольфрама + его заготовок.

Температура плавления вольфрама: точное значение + технология плавки


Вольфрам хорош, но не панацея промышленности. Из-за редкости элементосодержащих минералов, его добыча физически ограничена. Недостатки имеются и в свойствах элемента – окисление при скачке температуры выше 700 градусов или повышенная хрупкость из-за преодоления точки в 500 градусов Цельсия со знаком плюс.

Разновидности неплавящихся вольфрамовых электродов

1) Какова температура плавления вольфрама?

К тепловым параметрам можно отнести сразу несколько показателей химического элемента – удельную теплоту плавления, удельную теплоту испарения, температуру плавления и температуру кипения. Начнем с основного значения для промышленного использования металл – температура плавления вольфрама составляет 3 422 градуса по Цельсию или 3895 по Кельвину и 6 192 по Фаренгейту.

Важно: температура плавления сплавов вольфрама может отличаться от базового значения для чистого вещества в пределах 30%-40%, что накладывает определённые ограничения на области применения металлических веществ в некоторых областях промышленности.

Температура кипения вольфрама еще выше, и тяжела для понимания рядового человека – 5 555 градусов Цельсия или 5 828 Кельвина (10 031 Фаренгейта). Удельная теплота испарения 4 482 килоджоуля деленных на килограмм, а удельная теплота плавления – 286 килоджоулей на килограмм.

10 самых крепких металлов в мире

Где и как добыть вольфрам в бытовых приборах и другом оборудовании?

2) Промышленная технология производства и плавления вольфрама

Вольфрам расположен в списке редких металлов, куда входит также рубидий, молибден и прочие элементы. Большинство месторождений образовано из оксидов. Если рассчитать долевое содержание в рудах чистого вольфрама, то получится не более 2%, а в 90% случаев это значение вообще меньше единицы.

Обратите внимание: из-за высокой температуры плавления + химической стойкости элемента, его добыча в домашних условиях невозможна.

С целью добычи чистого вещества применяются специфичные методики, основанные на восстановительных процессах из оксидов. Напрямую с руды получить вольфрам не получится. Промежуточным этапом является переработка на химсоединения и дальнейшее обогащение. Шаги изготовления вольфрамового порошка описаны в таблице ниже.

ШагСутьОписание особенностей
1.ОбогащениеМинеральные руды элемента обогащают путем флотации, гравитации и сепарации. Итогом становится концентрированное соединение, где доля триоксида вольфрама составит от 53% до 66%. При обогащении параллельно происходит контроль долевого вхождения сопутствующих процессам примесей – меди, олова, висмута и прочих металлов.
2.Извлечение ангидрида из концентратовПолученный при обогащении триоксид вольфрама становится сырьем для изготовления высококонцентрированного металлического вольфрама либо его карбидной разновидности. Итоговая доля оксида вольфрама составит выше 99%. Для получения результата концентрат разлагают химическим путем, потом происходит выщелачивание и обработка до вольфрамовой технической кислоты.
3.Изготовление порошкаКонцентрат с высокой долей вольфрама восстанавливают посредством углерода/водорода, и в итоге получается металлический порошок вольфрама. Метод восстановления через углерод менее популярен, ибо в процессе происходит образование карбидов, которые негативно сказываются на физических свойствах готового порошка вольфрама. Благодаря контролю химсостава производитель способен по желанию менять размер с формой зерен, или даже сразу переводить порошок в гранулы.
4.Изготовление вольфрама компактного типаЗдесь уже из готового порошка формируются болванки для будущих изделий. Форма болванок – прутки, шарики/крупные гранулы или слитки.

В отношении плавки вольфрама, то здесь существует 2 технологии – порошковый метод и непосредственно расплавление. Второй способ в качестве основного оборудования использует электрические печи дугового типа, имеющие расходуемые электроды.

Особенности технологии и виды наплавки металла

Порошковая технология, более распространенная в мире, ибо она дает возможность предельно точно распределять вхождение присадок в вольфрамовые сплавы. У изначального сырья имеется ряд базовых требований по качеству, главным из которых является содержание примесей менее 0.05%.

Получение компактного вольфрама порошковым способом:

  1. Порошковый вольфрам прессуют в прямоугольные параллелепипеды.
  2. Заготовки спекают при низких (сравнительно низких для вольфрама) температурах.
  3. Повторное спекание заготовок по типу сварки.
  4. Механическая обработка заготовок для получения полуфабрикатных элементов, таких как прутки, слитки и проволока.

Получаемые в процесс прессовки штабики имеют низкий запас пластичности, потому, для ковки используется влияние высоких температур. Оговоренный метод не дает возможности делать из вольфрама заготовки крупных габаритов, что накладывает на производство значительные ограничения. Альтернатива – гидростатическое прессование. Способ позволяет получать не только габаритные заготовки, но и детали неправильной формы. Получаемые элементы отличаются высокой плотностью + не имеют трещин или других дефектов производства.

Плавка использоваться также для получения болванок весом от 400 кг и выше. Основные детали, для производства которых используется метод плавки – трубы и изделия сложной формы, что можно получить исключительно методом литья.

Правила плавки вольфрама:

  • использование только специализированного оборудования;
  • электродами служат или пакеты спеченных штабиков, либо заготовки, полученные путем гидростатического прессования;
  • плавить вольфрам можно только в вакууме или разреженной водородной атмосфере;
  • перед помещением в электрическую дуговую печь, вольфрам подвергается плавке в электронно-лучевой печи. Оговоренные действия необходимы для уменьшения кристаллической структуры вещества.

Итогом плавки становятся слитки вольфрама крупно или мелкозернистой структуры. Если производство требует исключительно мелкозернистые слитки металла, используется дуговая гарнисажная плавка, с последующим разливом вольфрама в изложницу.

Что можно вынести из сказанного выше? Температура плавления вольфрама не позволяет его добывать дома –это технологически сложный процесс, требующий знаний и навыков. При желании, можно воспользоваться заготовками компактного вольфрама, и выковать необходимую деталь на заказ или собственноручно.

теплоемкость, теплопроводность и т. д.

В таблицах представлены плотность вольфрама W, его теплопроводность и удельная теплоемкость, а также другие теплофизические свойства вольфрама при различных температурах  (в интервале от 100 до 4000 К).

Металлический вольфрам W — твердый и сложный в механической обработке металл с температурой плавления более 3400°C. По температуре плавления он занимает второе место после углерода (в виде графита или алмаза).

Теплопроводность вольфрама достаточно высока и при комнатной температуре составляет 163 Вт/(м·К), что превышает теплопроводность даже некоторых сплавов алюминия. Вольфрам достаточно тяжелый металл — плотность вольфрама равна 19250 кг/м3 при комнатной температуре.

Удельная теплоемкость вольфрама имеет относительно небольшую величину, как и у других металлов с высокой плотностью. Теплоемкость вольфрама зависит от температуры и изменяется, по данным таблицы, в диапазоне от 87 до 270 Дж/(кг·К) для твердого состояния этого металла.

Вольфрам имеет очень низкий коэффициент теплового линейного расширения (КТЛР), равный 4,43 ·10-6 1/град при комнатной температуре. Этот металл не окисляется при комнатной температуре, но при высоких температурах реагирует с кислородом, образуя триоксид вольфрама WO3 красного цвета.

В таблице ниже представлены следующие теплофизические свойства вольфрама: плотность d, удельная массовая теплоемкость Cp, температуропроводность a, коэффициент теплопроводности λ, удельное электрическое сопротивление ρ, функция Лоренца L/L0.

Свойства вольфрама даны в таблице в зависимости от температуры — в интервале от 100 до 3695 К для твердого состояния этого металла, а также при температуре до 4000 К для расплавленного (жидкого вольфрама).

Плотность вольфрама, его теплопроводность, теплоемкость и другие свойства

Теплопроводность и другие теплофизические свойства вольфрама W чистотой 99,9% представлены в таблице в интервале температуры от 100 до 2700 К. Даны следующие свойства чистого металлического вольфрама: плотность, удельная массовая теплоемкость, теплопроводность, коэффициент теплового расширения (КТР), удельное электрическое сопротивление.

По данным таблицы видно, что плотность вольфрама при нагревании уменьшается из-за его теплового расширения. Кроме того, при нагревании чистого вольфрама его теплопроводность уменьшается, а массовая теплоемкость увеличивается. Например, удельная теплоемкость вольфрама составляет 134,4 Дж/(кг·К) при комнатной температуре, а при его нагревании до 2100°C, его теплоемкость возрастает до величины 175 Дж/(кг·К).

Источники:

  1. В. Е. Зиновьев. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах.
  2. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1967. — 474 с.

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 CaWO4). 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 Me2WOX, 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.

Вольфрам | Электрод-Сервис

Вольфра́м — химический элемент с атомным номером 74 в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, обозначается символом W (лат. Wolframium). При нормальных условиях представляет собой твёрдый блестящий серебристо-серый переходный металл.

Вольфрам — самый тугоплавкий из металлов. Более высокую температуру плавления имеет только неметаллический элемент — углерод. При стандартных условиях химически стоек.

Содержание

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»).

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

В 1781 году знаменитый шведский химик Шееле, обрабатывая азотной кислотой минерал шеелит, получил жёлтый «тяжёлый камень» (триоксид вольфрама). В 1783 году испанские химики братья Элюар сообщили о получении из саксонского минерала вольфрамита как растворимой в аммиаке жёлтой окиси нового металла, так и самого металла. При этом один из братьев, Фаусто, был в Швеции в 1781 году и общался с Шееле. Шееле не претендовал на открытие вольфрама, а братья Элюар не настаивали на своём приоритете.

Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 1,3 г/т (0,0013 % 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.

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

Месторождения

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.

Процесс получения вольфрама проходит через подстадию 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.

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.

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.

Проявляет 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). Вольфрам в ряду напряжений стоит сразу после водорода, и в соляной, разбавленной серной и плавиковой кислотах почти нерастворим. В азотной кислоте и царской водке окисляется с поверхности. Растворяется в перекиси водорода.

Легко растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот:

Реагирует с расплавленными щелочами в присутствии окислителей:

Поначалу данные реакции идут медленно, однако при достижении 400 °C (500 °C для реакции с участием кислорода) вольфрам начинает саморазогреваться, и реакция протекает достаточно бурно, с образованием большого количества тепла.

Растворяется в смеси азотной и плавиковой кислоты, образуя гексафторвольфрамовую кислоту h3[WF6]. Из соединений вольфрама наибольшее значение имеют: триоксид вольфрама или вольфрамовый ангидрид, вольфраматы, перекисные соединения с общей формулой Me2WOX, а также соединения с галогенами, серой и углеродом. Вольфраматы склонны к образованию полимерных анионов, в том числе гетерополисоединений с включением других переходных металлов.

Главное применение вольфрама — как основа тугоплавких материалов в металлургии.

Металлический вольфрам

  • 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 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.
  • Вольфрам применяется в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления в качестве нагревательных элементов. Сплав вольфрама и рения применяется в таких печах в качестве термопары.

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). 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).

Другие сферы применения

Искусственный радионуклид 185W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества. Стабильный 184W используется как компонент сплавов с ураном-235, применяемых в твердофазных ядерных ракетных двигателях, поскольку это единственный из распространённых изотопов вольфрама, имеющий низкое сечение захвата тепловых нейтронов (около 2 барн).

Рынок вольфрама

Цены на металлический вольфрам (содержание элемента порядка 99 %) на конец 2010 года составляли около 40—42 долларов США за килограмм, в мае 2011 года составляли около 53—55 долларов США за килограмм. Полуфабрикаты от 58 USD (прутки) до 168 (тонкая полоса). В 2014 году цены на вольфрам колебались в диапазоне от 55 до 57 USD.

Вольфрам не играет значительной биологической роли. У некоторых архебактерий и бактерий имеются ферменты, включающие вольфрам в своем активном центре. Существуют облигатно-зависимые от вольфрама формы архебактерий-гипертермофилов, обитающие вокруг глубоководных гидротермальных источников. Присутствие вольфрама в составе ферментов может рассматриваться как физиологический реликт раннего архея — существуют предположения, что вольфрам играл роль в ранних этапах возникновения жизни.

Пыль вольфрама, как и большинство других видов металлической пыли, раздражает органы дыхания.

Основная статья: Изотопы вольфрама

Природный вольфрам состоит из смеси пяти изотопов (180W, 182W, 183W, 184W и 186W). Искусственно созданы и идентифицированы ещё 30 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.

  • Вольфрам — самый тугоплавкий металл. Температура плавления — 3422 °C, кипения — 5555 °C. Примерно такую же температуру имеет фотосфера Солнца. Критическая температура вольфрама равняется 13 610 °C. Это та температура, при которой вольфрам не может быть сконденсирован в виде жидкости из газа ни при каком давлении.
  • Плотность вольфрама почти равняется плотности золота: 19,25 г/см³ против 19,32 г/см³ соответственно.
  • В 2009 году рядом инвестиционных банков по отношению друг к другу были совершены мошеннические действия по подлогу слитков золота на позолоченные вольфрамовые.

 

: Металлургия: образование, работа, бизнес :: MarkMet.ru

СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛЬФРАМА

Вольфрам (W) —тяжелый металл серебристо-серого цвета. Элемент открыт в 1781 г. Название получил от минерала вольфрамита. Название минерала происходит от немецких слов «вольф» — (волк) и «ран» (пена). В сочетании эти слова дают «волчья пена». Присутствие этого «пожирающего олово» минерала в оловянных рудах мешало выплавке олова.

Атомная масса

183,92

Плотность при 20°С, г/см3

19,35

Температура, °С:

 

плавления

3337

кипения

6000

Удельная теплоемкость, кал/г

1,09

Коэффициент теплопроводности при 20 °С, кал/(см·сек·град)

0,4

Коэффициент линейного расширения при 20 °С, 1/град

43*10-6

Удельное электросопротивление, Ом*мм2/м

0,0503

Временное сопротивление при растяжении, кГ/мм2

35

Твердость  НВ

300

При комнатной температуре вольфрам обладает высокой коррозионной стойкостью в воде и на воздухе, а также в кислотах и щелочах. Он заметно начинает окисляться при 400—500°С и интенсивно окисляется при более высоких температурах. Вольфрам образует два устойчивых окисла: WO3 и WO2. С водородом вольфрам не взаимодействует практически до самого плавления, а с азотом начинает реагировать лишь при температурах >2000°С. Твердый углерод и некоторые содержащие его газы при 1100—1200°С реагируют с вольфрамом, образуя карбиды WC и W2C. С хлором вольфрам образует хлориды WC12, WC14, WC15, WC16.

Вольфрам быстро растворяется в смесях плавиковой и азотной кислот, а также в расплавленных щелочах при доступе воздуха и особенно в присутствии окислителей.

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

Температура перехода вольфрама из пластичного состояния в хрупкое и обратно зависит от степени чистоты и состояния металла (нагартованный, рекристаллизованный). Нагартованный вольфрам технической чистоты имеет температурный порог хладноломкости около 300 - 400°С, а рекристаллизованный — около 500°С.

Склонность вольфрама к окислению при высоких температурах делает необходимым нагревать его перед горячей обработкой давлением н нагревательных печах с защитной атмосферой. Вольфрам, нагретый до высоких температур, быстро охлаждается, поэтому горячая обработка его давлением должна производиться быстро. Температура конца деформации вольфрама должна быть значительно выше порога хрупкости.

Вольфрам широко используют в радиоламповой, радиотехнической и электронновакуумной промышленности для изготовления нитей накаливания, нагревателей и экранов высокотемпературных вакуумных печей, электрических контактов, катодов рентгеновских трубок. В металлургии вольфрамом легируют стали и используют при изготовлении твердых сплавов, в химической) промышленности из него изготовляют краски и катализаторы, в ракетах и ракетной технике — изделия, работающие при очень высоких температурах, в атомной промышленности— тигли для хранения радиоактивных материалов.

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

Широко распространены сплавы на основе вольфрама с рением. Добавка рения 1(до 20—25%) снижает температуру перехода вольфрама в хрупкое состояние, резко повышает его пластичность при нормальной температуре и улучшает технологические свойства. Сплавы получают методом порошковой металлургии и плавлением в электродуговых вакуумных печах. Из этих сплавов изготовляют термопары, электрические контакты.

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

При нагревании вольфрама на его поверхности образуется порошкообразный окисел желтого цвета, который заметно испаряется при температурах >800°С. Поэтому вольфрам может быть использован как высокопрочный материал при высоких температурах только при надежной защите поверхности изделия от воздействия окисляющей среды или при работе в нейтральной среде или в вакууме. Разработка надежных высокотемпературных покрытий вольфрама находится практически еще в начальной стадии. Для кратковременной защиты вольфрама от окисления при 2000—3000°С применяют керамические эмалевидные покрытия, содержащие тугоплавкие соединения в качестве основного заполнителя и тугоплавкое связующее стекло.

Вольфрам | Chemwatch

Что такое вольфрам?

Вольфрам, также известный как Вольфрам, является химическим элементом и редким металлом. Он существует в окружающей среде естественным образом и не может быть сформирован или разрушен. Цвет может варьироваться от белого до серого в зависимости от чистоты (при этом белый является наиболее чистым) и коммерчески доступен в форме порошка или твердого вещества. Температура плавления вольфрама самая высокая среди металлов и он способен противостоять коррозии. В порошкообразном виде он легко воспламеняется, и даже при контакте с воздухом возможны взрывы.

Для чего используется вольфрам?

Вольфрам используется в производстве ламп накаливания, печатных плат. Он также используется в сплавах, таких как сталь, поскольку он отлично добавляет прочности. 

Твердый сплав, возможно, является наиболее важным применением вольфрама - он используется для производства режущих инструментов, таких как лезвия и сверла; которые должны быть тверже и прочнее, чем материал, который они режут. 

Опасности, связанные с вольфрамом

Вольфрам, переносимый по воздуху, может легко стать угрозой безопасности

Основной путь воздействия вольфрама - вдыхание вольфрамовой пыли при; добыча из руды, а также производство и измельчение твердого сплава. Вдыхание вызывает раздражение легких и слизистой оболочки.

Воздействие на кожу вызовет раздражение, а воздействие вольфрама на глаза вызовет покраснение и слезотечение.

Тошнота может возникнуть при проглатывании большого количества вольфрама, но вольфрам не считается очень токсичным в небольших количествах. 

Безопасность вольфрама

При вдыхании вольфрама отнесите их из загрязненной зоны к ближайшему источнику свежего воздуха и следите за их дыханием. Если у них проблемы с дыханием, ослабьте воротники, галстуки или ремни, чтобы снизить давление. Выполните СЛР, если они не дышат.

В случае контакта с кожей; промойте пораженный участок большим количеством воды с мылом. Перед повторным ношением загрязненную одежду необходимо выстирать. Если симптомы не исчезнут, обратитесь к врачу.

При попадании в глаза снимите контактные линзы и промойте глаза водой не менее 15 минут (не забудьте под веками). 

При проглатывании вольфрама не вызывайте рвоту. Ослабьте тесную одежду, такую ​​как воротник, галстук или пояс. Выполните СЛР, если они не дышат.

Безопасное обращение с вольфрамом

Поскольку вольфрам легко воспламеняется и легко воспламеняется, поблизости от химического вещества следует располагать огнетушители. 

Должна быть обеспечена надлежащая вентиляция, чтобы содержание пыли в воздухе не превышало рекомендуемых пределов воздействия. 

Средства индивидуальной защиты (СИЗ), включая: При работе с вольфрамом рекомендуется использовать защитные очки, фартуки, респираторы и перчатки. 

5 интересных фактов о вольфраме

В чем уникальность вольфрама - от его названия до точки плавления

Благодаря долгой истории Metal Cutting по поставке чистого вольфрама и производству металлических деталей из этого замечательного материала, мы особенно ценим этот элемент, его свойства и возможности.

Так что, просто для удовольствия, мы подумали, что рассмотрим некоторые из наиболее интересных, а иногда и любопытных фактов о вольфраме.

1.Что в имени?

Происхождение названия «вольфрам» и история того, почему символ элемента в периодической таблице - W, - это международная загадка. Сам элемент был обнаружен еще в 1783 году двумя испанскими химиками, братьями Хуаном Хосе и Фаусто Эльхуяром, в образцах минерала под названием вольфрамит.

Сегодня во многих странах мира вольфрам называют германским названием «вольфрам», в честь минерала вольфрамита. Итак, легко увидеть, откуда появился химический символ W - хотя, если вы похожи на нас, вы можете задаться вопросом, почему элемент не был назван «фаустонит» или существует ли испанское слово для обозначения вольфрамита.

Однако название вольфрам - это то, что сегодня используется в США, на английском, французском и других языках. Этот термин произошел от шведских слов tung и sten , означающих «тяжелый камень», и является старым шведским названием минерала шеелита, еще одного источника вольфрамовой руды.

Но по иронии судьбы, tungsten НЕ используется в качестве названия элемента в Швеции или других скандинавских странах. Там, как и в большинстве германских и славянских языков, используют название вольфрам или вольфрам.

Вольфрам / вольфрам / вольфрам до сих пор добывают в основном из вольфрамита и шеелита. Из всех металлов в чистом виде вольфрам имеет:

  • Наивысшая точка плавления (6192 ° F или 3422 ° C)
  • Самое низкое давление пара (при температурах выше 3000 ° F или 1650 ° C)
  • Наивысшая прочность на разрыв

Итак, называете ли вы его вольфрамом или любым другим именем, этот диапазон свойств означает, что вольфрам используется во многих отраслях и изделиях по всему миру, от высокоскоростных режущих инструментов и реактивных газотурбинных двигателей до боеприпасов, освещения и даже рыболовных грузов. .

2. Диаметр вольфрамовой проволоки выражается в миллиграммах.

Вы могли слышать, как люди описывают диаметр вольфрама как 14,7 мг, 3,05 мг, 246,7 мг и так далее.

Это потому, что в старые времена из-за отсутствия инструментов для точного измерения очень тонкой проволоки - скажем, от 0,001 дюйма до 0,020 дюйма в диаметре - принято было брать 200 мм (около 8 дюймов) вольфрамовой проволоки, взвешивать ее, и подставьте вес в математическую формулу, чтобы определить диаметр.

Для расчета диаметра (D) вольфрамовой проволоки на основе веса на единицу длины формула:

D = 0.71746 x квадратный корень (вес мг / длина 200 мм)

Стандартный допуск диаметра составляет ± 3% от измерения веса, хотя возможны более жесткие допуски в зависимости от области применения изделия из проволоки. Этот метод также предполагает, что проволока имеет постоянный диаметр без значительных изменений, сужения или других конических эффектов в любом месте диаметра.

3. Большая часть вольфрамовой проволоки бывает легированной - нужна она вам или нет!

И снова эта практика восходит к старым временам, а именно, временам, когда основным назначением вольфрамовой проволоки были нити для лампочек.Проблема заключалась в том, что лампочки испускали раскаленные добела температуры, которые вызывали провисание первых нитей накала, что приводило к выходу лампы из строя.

В результате экспериментов возникла идея добавить оксид алюминия, кремнезем и калий для изменения механических свойств вольфрамовой проволоки. Добавки добавляли на стадии перемешивания порошка.

Интересно, что в процессе горячей обжимки и горячего волочения вольфрамовой проволоки оксид алюминия и кремнезем выделяются из газа, а калий остается. Благодаря этому элементу проволока не провисала при высоких температурах.

Добавление этих присадок на стадии смешивания порошка при производстве вольфрамовой проволоки относится к тому времени, когда не было других значительных применений для проволоки, кроме нитей накаливания лампочек. Хотя сегодня существует множество других применений вольфрамовой проволоки - и хотя лампы накаливания уходят в прошлое, - использование легирующих добавок в производстве вольфрамовой проволоки продолжается.

4. Вольфрам и карбид вольфрама НЕ взаимозаменяемы.

Карбид вольфрама известен своей износостойкостью; Фактически, его можно разрезать только алмазным инструментом.Но хотя карбид вольфрама действительно содержит много вольфрама, обычная практика добавления кобальта в качестве связующего делает его цементированным карбидом и придает карбиду вольфрама свойства, которые сильно отличаются от свойств чистого вольфрама.

(Существуют карбиды без связки, обладающие преимуществами химической стойкости, но это тема для другого блога.)

Чистый вольфрам обладает многими полезными свойствами; однако он также известен своей сложностью в обработке.Попробуйте использовать алмазные инструменты, и чистый вольфрам просто загрузит или «склеит» алмазный круг.

Metal Cutting специализируется на методах, которые очень эффективны для резки чистого вольфрама, но, что интересно, эти же методы бесполезны при резке карбида вольфрама. Например, заказчик может сказать нам, что у него есть или ему нужна вольфрамовая трубка, но после дальнейшего расследования мы можем выяснить, что у него действительно есть или нужен карбид вольфрама в форме трубки.

Чистый вольфрам просто не может быть превращен в трубу, за исключением окончательных размеров сверления пистолетом - и это предполагает, что деталь имеет подходящее отношение длины к внутреннему диаметру.Это также предполагает, что у клиента много денег и он не хочет много этих кропотливо производимых деталей.

Карбид вольфрама, с другой стороны, можно прессовать и спекать в трубчатые формы, но это тоже не дешевый или объемный процесс. И, в отличие от других металлов, ни вольфрам, ни карбид вольфрама нельзя втягивать в трубы.

5. Высокая температура плавления вольфрама затрудняет получение жидкого вольфрама.

Люди иногда спрашивают, можно ли получить жидкий вольфрам, и отвечают… ну, это сложно.Очевидно, что вольфрам, имеющий самую высокую температуру плавления среди всех известных металлов, равную 6192 ° F, будет очень трудно расплавить.

Теоретически все можно расплавить, если приложить достаточно тепла. Однако для коммерческих целей высокая температура плавления вольфрама делает жидкий вольфрам практически невозможным.

Проблема просто в том, какой тип контейнера может вместить большое количество жидкого вольфрама? На практике все, что вы попытаетесь использовать, расплавится из-за высокой температуры вольфрама.

Поэтому вольфрам получают в неликвидном состоянии методом порошковой металлургии. В промышленных масштабах изделия из вольфрама - от чистого вольфрама до нескольких возможных сплавов, таких как тяжелые сплавы, медь-вольфрам и серебряный вольфрам - производятся путем прессования и спекания до получения почти чистой формы.

Для деформируемых изделий после прессования и спекания следует обжатие, повторная вытяжка и отжиг. Это дает характерную вытянутую зернистую структуру, которая сохраняется на готовом продукте, будь то большой стержень или очень тонкая проволока.

Единственным известным элементом с более высокой температурой плавления, чем у вольфрама, является углерод при температуре 6422 ° F (3550 ° C). Однако даже углерод нельзя использовать для удержания жидкого вольфрама, потому что при высоких температурах они будут реагировать с образованием карбида вольфрама.

Экспериментально жидкий вольфрам был получен с использованием сверхпроводящих медных тиглей, в которых тепло отводится от поверхности тигля, так что оно остается нетронутым. Но опять же, для коммерческих объемов это непрактично.

Это означает, что каждый когда-либо произведенный продукт из вольфрама никогда не находился в жидком состоянии. В металлургическом отношении это имеет решающее значение для всего, что происходит после.

Как складываются факты 1-5?

Обладая уникальными и интересными свойствами, вольфрам является одним из наиболее широко используемых тугоплавких металлов. (И нет, это не редкоземельный элемент, хотя по политическим причинам вольфрам был сгруппирован с элементами, которые попадают в заголовки газет, но это тема для другого раза.)

Компания Metal Cutting Corporation, поставляющая специализированные изделия из вольфрамовой проволоки и катанки с 1967 года, а также эксклюзивный дистрибьютор Nippon Tungsten Co., Ltd. в Северной Америке, может помочь вам раскрыть тайны вольфрама для ваших приложений.

Понимание цветовой температуры - Нил Осеман

Доступна обновленная версия этой статьи.

Когда я писал свою последнюю запись, в которой упоминал диапазон цветовых температур в кадре, мне пришло в голову, что некоторые читатели могут найти объяснение этой концепции полезным.Что такое цветовая температура и почему разные источники света имеют разные цвета?

Ответ более буквальный, чем вы можете ожидать. Он основан на простом принципе: чем горячее горит что-то, тем более синий свет он излучает. (Помните из уроков химии, как кончик синего пламени всегда был сладким пятном горелки Бунзена?)

Лампы накаливания излучают оранжевый свет - приглушите его, и он станет еще более оранжевым.

Цветовая температура измеряется в градусах Кельвина по шкале температур, которая начинается с абсолютного нуля (-273 ° C), самой низкой физически возможной температуры во Вселенной.Чтобы преобразовать градусы Цельсия в кельвин, просто добавьте 273. Итак, температура здесь, в Херефорде, сейчас составляет 296 кельвинов (23 ° C).

Нить накала вольфрамовой лампы накаливания достигает температуры примерно 3200 К (2927 ° C). Это означает, что излучаемый им свет имеет оранжевый цвет. Температура поверхности Солнца составляет около 5 778 К (5505 ° C), поэтому оно дает нам гораздо более синий свет.

Цветовая температура не обязательно совпадает с фактической температурой. Атмосфера не нагревается до 7100К, но свет неба (в отличие от солнца) такой же синий, как что-то горящее при такой температуре.

Цифровые камеры имеют настройку, называемую «баланс белого», которая компенсирует эти различия цветовых температур и заставляет их казаться белыми. Типичные настройки включают в себя вольфрам, дневной свет, тень и ручную настройку, что позволяет откалибровать баланс белого, держа белый лист бумаги перед объективом в качестве ориентира.

Диаграмма цветовой температуры

Сегодня существует множество типов искусственного света, помимо вольфрама - два основных типа - флуоресцентный и светодиодный. В киноиндустрии и то, и другое может быть получено со вкусом, подходящим для дневного света или вольфрама, хотя за пределами отрасли (если вы работаете с существующими практическими источниками) температура может резко варьироваться.

Существует также проблема зеленого / пурпурного цвета света. Классическим примером является то, что люминесцентные лампы - особенно старые - могут заставлять людей выглядеть зеленым и нездоровым. Если вы покупаете люминесцентные лампы для освещения сцены, проверьте CRI (индекс цветопередачи) на упаковке и выберите лампу с наибольшим числом, которое вы можете найти для наиболее полного спектра светоотдачи.

«Волшебный фонарь» для цифровых зеркальных фотоаппаратов Canon позволяет не только установить нужную цветовую температуру, но и настроить баланс зеленого / пурпурного для компенсации флуоресцентного освещения.Но если два источника света выдают разные температуры и / или CRI, никакая балансировка белого не может сделать их одинаковыми.

Слева: предустановка баланса белого при дневном свете (5600K). Справа: предустановка баланса белого вольфрама (3,200K)

Классический практический пример всего этого - человек, стоящий в комнате с окном с одной стороны и настольной лампой с другой. Установите баланс белого камеры на дневной свет, и сторона лица у окна будет выглядеть правильно, но другая сторона выглядит неприятно оранжевой (вверху слева) или, возможно, желто-зеленой, если в лампе есть энергосберегающая лампочка.Измените баланс белого на вольфрамовый или флуоресцентный, и вы откорректируете эту сторону лица объекта, но дневная сторона теперь будет выглядеть синей (вверху справа) или пурпурной.

Вот тут-то и пригодятся гели, но это тема другого дня.

Прелесть современного цифрового кинематографа в том, что вы можете увидеть, как он выглядит в видоискателе, и при необходимости отрегулировать его. Но чем больше вы понимаете теорию, которую я изложил выше, тем лучше вы сразу ее усвоите и сэкономите время на съемочной площадке.

It's Elemental - Элемент Tungsten

Что в названии? От шведского слова tung sten , 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) - 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.

Интернет-кампус ZEISS Microscopy | Ксеноновые дуговые лампы

Введение

Источники света накаливания, в том числе более старые версии с вольфрамовой и углеродной нитью, а также новые, более совершенные вольфрамово-галогенные лампы, успешно используются в качестве высоконадежных источников света в оптической микроскопии на протяжении многих десятилетий и продолжают оставаться одними из них. выбранные механизмы освещения для различных методов визуализации. Старые лампы, оснащенные вольфрамовой проволочной нитью и заполненные инертным газом аргоном, часто используются в студенческих микроскопах для светлопольного и фазово-контрастного изображения, и эти источники могут быть достаточно яркими для некоторых приложений, требующих поляризованного света.Вольфрамовые лампы относительно недороги (по сравнению со многими другими источниками света), их легко заменить, и они обеспечивают адекватное освещение в сочетании с диффузионным фильтром из матового стекла. Эти особенности в первую очередь ответственны за широкую популярность источников света накаливания во всех формах оптической микроскопии. Вольфрамово-галогенные лампы, наиболее совершенная конструкция в этом классе, генерируют непрерывное распределение света в видимом спектре, хотя большая часть энергии, излучаемой этими лампами, рассеивается в виде тепла в инфракрасных длинах волн (см. Рисунок 1).Из-за относительно слабого излучения в ультрафиолетовой части спектра вольфрамово-галогенные лампы не так полезны, как дуговые лампы и лазеры, для исследования образцов, которые необходимо освещать с длинами волн менее 400 нанометров.

Несколько разновидностей вольфрамово-галогенных ламп в настоящее время являются источником освещения по умолчанию (и предоставляются производителем) для большинства учебных и исследовательских микроскопов, продаваемых по всему миру. Они отлично подходят для исследования в светлом поле, микрофотографии и цифровой визуализации окрашенных клеток и срезов тканей, а также для многочисленных применений отраженного света для промышленного производства и разработки.В поляризованных световых микроскопах, используемых для идентификации частиц, анализа волокон и измерения двойного лучепреломления, а также в рутинных петрографических геологических приложениях, обычно используются вольфрамово-галогенные лампы высокой мощности для обеспечения необходимой интенсивности света через скрещенные поляризаторы. Стереомикроскопы также используют преимущества этого повсеместного источника света как в моделях начального, так и в продвинутых моделях. Для визуализации живых клеток с помощью методов усиления контраста (в основном дифференциального интерференционного контраста ( DIC ) и фазового контраста) в составных микроскопах проходящего света наиболее распространенным источником света, который в настоящее время используется, является вольфрамово-галогенная лампа мощностью 100 Вт. .В долгосрочных экспериментах (обычно требующих от сотен до тысяч снимков) эта лампа особенно стабильна и при нормальных условиях эксплуатации подвержена лишь незначительным уровням временных и пространственных колебаний выходной мощности.

Первые коммерческие лампы накаливания с вольфрамовой нитью были представлены в начале 1900-х годов. Эти передовые нити, которые можно было наматывать, скручивать и эксплуатировать при очень высоких температурах, оказались гораздо более универсальными, чем их предшественники на основе углерода и осмия.Углеродные лампы страдают от быстрого испарения нити накала при температурах выше 2500 ° C и, следовательно, должны работать при более низких напряжениях для получения света с относительно низкой цветовой температурой (желтоватый). Напротив, вольфрам имеет температуру плавления приблизительно 3380 ° C и может быть нагрет почти до этой температуры в стеклянной оболочке для получения света, имеющего более высокую цветовую температуру и срок службы, чем любой из предыдущих материалов, используемых для нити ламп. Основная проблема с вольфрамовыми лампами заключается в том, что во время нормальной работы нить накала постоянно испаряется с образованием газообразного вольфрама, который медленно уменьшает диаметр нити накала и в конечном итоге затвердевает на внутренней стороне стеклянной колбы в виде почерневшего, покрытого сажей отложений.Со временем мощность лампы уменьшается, поскольку остатки осажденного вольфрама на стенках внутренней оболочки становятся толще и поглощают все большее количество более коротких видимых длин волн. Точно так же потеря вольфрама из нити накала уменьшает диаметр, делая ее настолько тонкой, что в конечном итоге она выходит из строя.

Вольфрамово-галогенные лампы были впервые разработаны в начале 1960-х годов путем замены традиционной стеклянной колбы на кварцевую колбу с более высокими характеристиками, которая была больше не сферической, а трубчатой.Кроме того, внутри оболочки были запечатаны незначительные количества паров йода. Замена стекла с более низкой температурой плавления на кварцевое была необходима, потому что цикл регенерации галогена лампы (подробно описанный ниже) требует, чтобы оболочка поддерживалась при высокой температуре (превышающей допустимую для обычного стекла), чтобы предотвратить образование галогеновых соединений вольфрама. от затвердевания на внутренней поверхности. Из-за новых компонентов эти усовершенствованные лампы первоначально назывались термином: иодид кварца .Хотя лампы, содержащие галогены, представляли собой значительное улучшение по сравнению с обычными вольфрамовыми лампами, которые они заменили, новые лампы имели легкий розоватый оттенок, характерный для паров йода. Кроме того, кварц легко подвергается воздействию слабых щелочей, образующихся во время работы, что приводит к преждевременному выходу из строя самой оболочки. В последующие годы соединения брома заменили йод, и оболочка была изготовлена ​​из более новых сплавов боросиликатного стекла для производства вольфрамово-галогенных ламп с еще более длительным сроком службы и более высокой мощностью излучения.

Цикл регенерации галогена

Как обсуждалось ранее, в традиционных лампах накаливания испаренный газообразный вольфрам из нити накала переносится через паровую фазу и непрерывно осаждается на внутренних стенках стеклянной колбы. Этот артефакт затемняет внутренние стенки колбы и постепенно снижает светоотдачу. Чтобы поддерживать потери света на минимально возможном уровне, обычные вольфрамовые лампы накаливания помещают в большие колбы, имеющие достаточную площадь поверхности, чтобы минимизировать толщину осажденного вольфрама, который накапливается в течение срока службы лампы.Напротив, трубчатая оболочка в вольфрамово-галогенных лампах заполнена инертным газом (азотом, аргоном, криптоном или ксеноном), который во время сборки смешивается с небольшим количеством галогенового соединения (обычно бромистого водорода; HBr ). и следовые уровни молекулярного кислорода. Соединение галогена служит для инициирования обратимой химической реакции с вольфрамом, испаренным из нити, с образованием газообразных молекул оксигалогенида вольфрама в паровой фазе. Температурные градиенты, образующиеся в результате разницы температур между горячей нитью накала и более холодной оболочкой, способствуют перехвату и рециркуляции вольфрама в нить накала лампы благодаря явлению, известному как цикл регенерации галогена (проиллюстрирован на рисунке 2).Таким образом, испаренный вольфрам реагирует с бромистым водородом с образованием газообразных галогенидов, которые впоследствии повторно осаждаются на более холодных участках нити, а не накапливаются медленно на внутренних стенках оболочки.

Цикл регенерации галогена можно разделить на три критических этапа, которые показаны на рисунке 2. В начале работы оболочка лампы, наполняющий газ, парообразный галоген и нить накала изначально находятся в равновесии при комнатной температуре. Когда к лампе подается питание, температура нити накала быстро повышается до ее рабочей температуры (в районе 2500–3000 ° C), в результате чего также нагревается наполняющий газ и оболочка.В конце концов, оболочка достигает стабильной рабочей температуры, которая колеблется от 400 до 1000 C, в зависимости от параметров лампы. Разница температур между нитью накала и оболочкой создает температурные градиенты и конвекционные токи в заполняющем газе. Когда температура оболочки достигает примерно 200–250 ° C (в зависимости от природы и количества паров галогена), начинается цикл регенерации галогена. Атомы вольфрама, испарившиеся из нити накала (см. Рис. 2 (а)), вступают в реакцию с парами газообразного галогена и следовыми количествами молекулярного кислорода с образованием оксигалогенидов вольфрама (рис. 2 (б)).Вместо того, чтобы конденсироваться на горячих внутренних стенках оболочки, оксигалогенидные соединения циркулируют конвекционными токами обратно в область, окружающую нить, где они разлагаются, оставляя элементарный вольфрам, повторно осаждающийся на более холодных областях нити (рис. 2 (c)). ). После освобождения от связанного вольфрама соединения кислорода и галогенидов диффундируют обратно в пар, чтобы повторить цикл регенерации. Непрерывная рециркуляция металлического вольфрама между паровой фазой и нитью обеспечивает более равномерную толщину проволоки, чем это было бы возможно в противном случае.

Преимущества цикла регенерации галогенов включают возможность использования меньших по размеру конвертов, которые поддерживаются в чистом состоянии без отложений в течение всего срока службы лампы. Поскольку колба меньше, чем в обычных вольфрамовых лампах, дорогой кварц и родственные стеклянные сплавы могут быть более экономичными при производстве. Более прочные кварцевые оболочки позволяют использовать более высокое внутреннее давление газа, чтобы помочь в подавлении испарения нити накала, тем самым позволяя увеличивать температуру нити, что дает более световой выход, и смещает профили излучения, чтобы обеспечить большую долю более желательных длин волн видимого диапазона.В результате вольфрамово-галогенные лампы сохраняют свою первоначальную яркость на протяжении всего срока службы, а также преобразуют электрический ток в свет более эффективно, чем их предшественники. С другой стороны, вольфрам, испарившийся и повторно осаждаемый в цикле регенерации галогена, не возвращается на свое первоначальное место, а скорее скатывается на самых холодных участках нити, что приводит к неравномерной толщине. В конечном итоге лампы выходят из строя из-за уменьшения толщины нити накала в самых жарких регионах. В противном случае вольфрамово-галогенные лампы могут иметь практически бесконечный срок службы.

Ранние исследования показали, что добавление фторидных солей к парам, запечатанным внутри вольфрамово-галогенных ламп, дает на выходе самый высокий уровень видимых длин волн, а также осаждение вторичного вольфрама на участках нити накала с более высокими температурами. Это открытие вселило надежду на то, что вольфрамовые нити могут иметь более однородную толщину в течение значительного увеличения срока службы этих ламп. Кроме того, смещение выходного профиля излучения лампы для включения большего количества видимых длин волн было весьма желательно по сравнению с более низкими цветовыми температурами, обеспечиваемыми аналогичными лампами, имеющими альтернативные галогенные соединения (йодид, хлорид и бромид).К сожалению, было обнаружено, что фторидные соединения агрессивно воздействуют на стекло (обратите внимание, что фтористоводородная кислота обычно используется для травления стекла), что приводит к преждевременному разрушению оболочки. Таким образом, фторидные соединения не подходят для коммерческих ламп. Как следствие, обсуждаемые выше бромидные соединения по-прежнему являются предпочтительным реагентом для производства вольфрамово-галогенных ламп, но производители ламп продолжают исследовать применение новых смесей заполняющего газа и галогенов для этих очень полезных источников света.

Спектральный выход и цветовая температура

Вольфрамово-галогенные лампы накаливания работают как тепловые излучатели, что означает, что свет генерируется путем нагрева твердого тела (нити накала) до очень высокой температуры. Таким образом, чем выше рабочая температура, тем ярче будет свет. Все лампы на основе вольфрама демонстрируют спектральные профили излучения, напоминающие профили излучения излучателя с черным телом, а спектральный выходной профиль вольфрамово-галогенных ламп качественно аналогичен профилям ламп накаливания с вольфрамовой и углеродной нитью накаливания.Большая часть излучаемой энергии (до 85 процентов) находится в инфракрасной и ближней инфракрасной областях спектра, при этом 15-20 процентов попадают в видимую область (от 400 до 700 нанометров) и менее 1 процента - в ультрафиолетовых длинах волн. (ниже 400 нм). Мягкая стеклянная оболочка обычных ламп накаливания поглощает большую часть ультрафиолетового излучения, генерируемого вольфрамовой нитью, но оболочка из плавленого кварца в вольфрамово-галогенных лампах поглощает очень мало излучаемого ультрафиолетового света выше 200 нанометров.

Значительная часть электроэнергии, потребляемой накаленными вольфрамовыми проволочными волокнами, выводится в виде электромагнитного излучения, охватывающего диапазон длин волн от 200 до 3000 нанометров. Математически полное излучение увеличивается как четвертая степень температуры проволоки, что смещает спектральное распределение в сторону все более коротких (видимых) длин волн в колоколообразном профиле по мере увеличения температуры (см. Рисунки 1 и 3). Несмотря на то, что пиковые длины волн имеют тенденцию перераспределяться из ближнего инфракрасного диапазона ближе к видимой области с более высокими температурами нити накала, точка плавления вольфрама не позволяет большей части выходного излучения смещаться в видимую область спектра.При наивысших практических рабочих температурах пиковое излучение составляет примерно 850 нанометров, причем около 20 процентов общего выходного излучения приходится на видимый свет. Инфракрасные волны, составляющие большую часть выходного сигнала, должны рассеиваться как нежелательное тепло. В результате, по сравнению со спектром дневного света (5000+ K), излучаемого ртутными, ксеноновыми и металлогалогенными дуговыми лампами, в галогенидных лампах всегда преобладают красные участки спектра.

В случае идеального радиатора с черным телом воспринимаемая цветовая температура равна истинной (измеренной) температуре материала радиатора.Однако на практике общее излучение обычных источников излучения (таких как лампы накаливания) меньше, чем можно было бы ожидать от черного тела. Цветовая температура выражается в Кельвинах ( K ), в то время как фактическая измеренная температура более практично выражается в градусах Цельсия ( C ). Два числа различаются на 273,15 линейных единиц градусов, при этом значение Кельвина равно Цельсию плюс 273,15. Более высокие цветовые температуры соответствуют более белому свету , который больше напоминает солнечный свет, тогда как более низкие цветовые температуры имеют тенденцию смещать цвета в сторону желтых и красноватых оттенков.Вольфрам не является истинным черным телом в том смысле, что полное испускаемое излучение меньше, чем могло бы наблюдаться в идеальном случае, однако вольфрам является лучшим излучателем (и более точно приближается к истинному черному телу) в более короткой видимой области длин волн, чем в более длинные волны. Для значительной части видимого диапазона длин волн цветовая температура вольфрама выше, чем эквивалентная истинная температура в градусах Цельсия. Таким образом, для измеренной температуры нити накала 3000 C цветовая температура составляет примерно 3080 K.Предел цветовой температуры вольфрама определяется температурой плавления, которая составляет чуть более 3350 ° C или приблизительно 3550 K.

Таким образом, в качестве излучателей накаливания вольфрамово-галогенные лампы генерируют непрерывный спектр света, который простирается от центрального ультрафиолета до видимого и инфракрасного диапазонов длин волн (см. Рисунки 1 и 3). По сравнению со спектром излучения солнечного света и теоретическим излучателем черного тела 5800 К (как показано на рис. 3 (а)), в вольфрамово-галогенных лампах всегда преобладают более длинноволновые области.Однако по мере увеличения температуры нити в вольфрамово-галогенной лампе профиль излучения света смещается в сторону более коротких длин волн, так что по мере приближения температуры к предельной точке плавления вольфрама доля видимых длин волн, излучаемых лампой, существенно увеличивается. Этот эффект проиллюстрирован на рисунке 3 (b) путем нормализации выходного распределения излучения лампы при цветовых температурах 2800 K и 3300 K на тот же световой поток. В дополнение к значительно меньшей доле излучения в инфракрасном диапазоне, кривая 3300 K показывает гораздо больший выход в видимом диапазоне длин волн.

Фотометрические характеристики

Фотометрические характеристики для оценки характеристик источников света несколько необычны в том смысле, что две системы единиц существуют параллельно для определения важных переменных, связанных с яркостью и спектральным выходом. Физическая фотометрическая система рассматривает свет исключительно как электромагнитное излучение с точки зрения яркости (яркости), связанной с единицами длины и угла и измеряемой в ваттах. Физиологическая фотометрическая система учитывает способ, которым гипотетический человеческий глаз оценивает источник света.Поскольку каждый человеческий глаз несколько по-разному реагирует на видимый спектр света, стандартный глаз определен международным соглашением. Основной характеристикой этого стандарта является чувствительность к разным цветам света, основанная на максимальном отклике на 550-нанометровый (зелено-желтый) свет, измеряемом в единицах люмен и , а не ваттах. Физиологическая система подойдет, если датчиком света является человеческий глаз, цифровая камера, фотопленка или какое-либо другое устройство, которое реагирует аналогичным образом.Однако эта система выйдет из строя, если анализируемый свет попадет в ультрафиолетовую или инфракрасную область, невидимую для человеческого глаза. В этом случае для измерений и анализа необходимо использовать физическую фотометрическую систему.

Технические характеристики вольфрамово-галогенной лампы для микроскопии

Номинальная
Мощность
(Вт)
Номинальное
Напряжение
(В)
Световой
Поток
(лм)
Нить накала
Размер
Ш x В (мм)
Средний
Срок службы
(часы)
10 6 150 1.5 х 0,7 300
20 6 480 2,3 х 0,8 100
30 6 765 1,5 x 1,5 100
30 12 750 2.6 х 1,3 50
50 12 1000 3,0 x 3,0 1100
100 12 3600 4,2 x 2,3 2000
Таблица 1

В таблице 1 представлены электрические характеристики, размеры нити накала, типичный срок службы и фотометрическая мощность некоторых из самых популярных вольфрамово-галогенных ламп, используемых в настоящее время в оптической микроскопии.Среди наиболее важных терминов, используемых для сравнения этих ламп, - световой поток , который представляет собой общий излучаемый свет, измеренный в люмен (). Световой поток увеличивается пропорционально его физическому фотометрическому эквиваленту в ваттах. Другая важная величина, известная как сила света , - это та часть светового потока, которая измеряется телесным углом в одном направлении. Сила света в единицах кандел и используется для оценки характеристик лампы в оптической системе.Лампы также оцениваются по световой эффективности () при использовании люмен на ватт электрической мощности (относящейся к физическим и физиологическим системам) для определения эффективности, с которой электрическая мощность преобразуется в видимое излучение. Теоретический максимум световой отдачи составляет 683 люмен на ватт, но на практике вольфрамово-галогенные лампы обычно достигают предела в 37 люмен на ватт. Чтобы более четко понять электрические характеристики вольфрамово-галогенных ламп, обычно можно применять следующие обобщения: на каждые 5 процентов изменения напряжения, подаваемого на лампу, срок службы либо удваивается, либо сокращается вдвое, в зависимости от того, находится ли напряжение. уменьшилось или увеличилось.Кроме того, каждые 5 процентов изменения напряжения сопровождаются 15-процентным изменением светового потока, 8-процентным изменением мощности, 3-процентным изменением тока и 2-процентным изменением цветовой температуры.

Рефлекторные лампы

Большое разнообразие конструкций вольфрамово-галогенных ламп включает встроенные отражатели, которые служат для эффективного сбора фронтов световых волн, излучаемых лампой, и их упорядоченного направления в систему освещения. Эти предварительно собранные блоки, получившие название от рефлекторных ламп (см. Рисунок 4), нашли широкое применение в качестве внешних осветителей для приложений стереомикроскопии.Свет от осветителя может быть направлен в любую область образца с помощью гибкого оптоволоконного световода. Рефлекторные лампы сильно различаются по конструкции в зависимости от характеристик и геометрии рефлектора, а также от положения лампы внутри рефлектора. Тем не менее, все лампы с отражателем включают однотактные лампы, которые устанавливаются в центре оптической оси отражателя с цоколем, вклеенным в вершину отражателя. Конфигурация нити накала обычно определяется характеристиками луча, необходимыми для конкретной оптической системы, для которой предназначена лампа.В рефлекторных лампах используются все конструкции нити накала, включая поперечную, осевую и плоскую.

Рефлекторные лампы обычно подключаются к патронам с молибденовыми штырями, выступающими наружу из задней части рефлектора и устанавливаемыми с керамическими крышками. В некоторых случаях используются специальные кабельные соединения, чтобы пространственно отделить электрический контакт от источника тепла (лампы). Поскольку рефлекторные лампы обычно встраиваются как часть точно выровненной оптической системы, электрическое соединение только изредка используется как часть крепления.Существует несколько методов установки отражателей, в том числе установка держателя на переднем крае отражателя, использование давления на заднюю часть крышки отражателя, центрирование края отражателя в конусе и регулировку края отражателя на угловом упоре. В большинстве случаев конструкция основания рефлектора и механизм крепления используются для обозначения конкретного класса рефлекторной лампы. Внешний диаметр переднего отверстия рефлектора является определяющим критерием для рефлекторных ламп, и производители установили два основных размера.Они обозначены как MR 11 и MR 16 , причем буквы представляют собой аббревиатуру для металлического отражателя , а цифры относятся к диаметру отражателя в восьмых долях дюйма. Таким образом, рефлекторная лампа MR 16 имеет диаметр приблизительно 50 миллиметров, тогда как лампы MR 11 имеют диаметр почти 35 миллиметров.

Вольфрамово-галогенные отражатели предназначены для фокусировки или коллимирования света, излучаемого лампой, как показано на рисунке 4.Фокусирующие отражатели концентрируют свет в небольшом пятне (фокусной точке) в центральной оптической оси на определенном расстоянии от отражателя (см. Рисунок 4 (b)). Отражатель этого типа имеет эллиптическую геометрию, что требует, чтобы нить накала лампы располагалась в первой фокусной точке эллипсоида, чтобы проецируемое световое пятно концентрировалось во второй фокусной точке. При проектировании светильников для фокусирующих отражателей важнейшим критерием является установка лампы на надлежащем расстоянии от входной апертуры оптической системы.Коллимирующие отражатели имеют параболическую геометрию, чтобы генерировать параллельный луч света, характеристики луча которого определяются параметрами лампы и размером отражателя (см. Рисунок 4 (c)). Угол выхода луча в первую очередь определяется размером нити накала лампы и свободным отверстием отражателя. В большинстве случаев осевая нить накала с круглым сердечником обеспечивает осесимметричный луч.

Отражатели обычно изготавливаются из стекла, но некоторые из них также изготавливаются из алюминия.Их внутренние стенки могут быть гладкими или иметь фасетки для контроля распределения света. Внутренняя структура варьируется от мелких, едва заметных зерен до крупных, выложенных плиткой граней (см. Рис. 4 (а)). В стеклянных отражателях внутренняя поверхность куполообразного отражателя покрывается (обычно осаждением из паровой фазы) для получения требуемых отражающих свойств. Стабильность размеров стеклянных отражателей превосходит стабильность металлических отражателей, а возможность выбора конкретных материалов покрытия, в том числе тех, которые могут изменять спектральный характер отраженного света, делает эти отражатели гораздо более универсальными.Металлические отражатели намного проще и дешевле изготавливать, но они ограничены в управлении спектральным выходом и более подвержены колебаниям геометрических допусков во время работы.

Если требуется весь спектр излучения, излучаемого лампой, или в случаях, когда полезен инфракрасный свет, оптимальным выбором будут металлические отражатели или стеклянные отражатели с тонким золотым покрытием. Однако там, где необходимо использовать определенные отражательные свойства для выбора длин волн посредством интерференции, оптимальными являются дихроичные тонкопленочные покрытия на стеклянных отражателях.Эти покрытия состоят примерно из 40-60 очень тонких слоев, каждый из которых составляет всего четверть длины волны света, и состоят из чередующихся материалов, имеющих высокий и низкий показатель преломления. Точная настройка толщины и количества слоев позволяет разработчикам генерировать широкий спектр выходных спектральных характеристик. Среди ламп с дихроичным отражателем наиболее полезным для микроскопии является отражатель холодного света , потому что только видимый свет в диапазоне длин волн от 400 до 700 нанометров направляется в оптическую систему (рис. 4 (d)).Инфракрасные волны излучаются через заднюю часть отражателя и отводятся от фонаря с помощью электрического вентилятора. Применение подходящих отражателей холодного света снижает общую тепловую нагрузку на систему освещения и дает свет, который можно записывать с помощью пленочных и цифровых камер.

Конструкция вольфрамово-галогенной лампы

Базовая анатомия одноцокольной вольфрамово-галогенной лампы, обычно используемой для освещения в оптической микроскопии, показана на рисунке 5.Общая длина измеряется от конца штифта основания до точки герметичной выхлопной трубы. Важным критерием расположения лампы по отношению к системе коллекторных линз является длина светового центра (рис. 5 (а)), при которой центр нити накала соответствует определенной плоскости отсчета в цоколе лампы. Другими важными параметрами являются диаметр колбы (самая толстая часть оболочки), ширина основания (обычно немного больше диаметра колбы) и размеры поля нити накала (высота и ширина).Эффективный размер источника освещения, используемого при проектировании выходной оптической системы, определяется высотой и шириной нити накала (поле нити накала). Допуски и положение поля накала имеют решающее значение и не должны отклоняться более чем на 1 миллиметр от оси симметрии лампы (определяемой плоскостью штырей основания и центральной линией лампы). Допуски по полю нити разработаны для конкретной архитектуры нити и должны измеряться, когда нить накала горячая.

Чрезмерно высокие рабочие температуры вольфрамово-галогенных ламп требуют существенно более прочных и толстых прозрачных колб, чем обычные вольфрамовые и угольные лампы.Стекло из кварцевого стекла из кварцевого стекла является стандартным материалом, используемым при производстве вольфрамово-галогенных ламп, поскольку этот материал может выдерживать температуру оболочки до 900 C и рабочее давление до 50 атмосфер. В целом оптическое качество кожухов кварцевых ламп значительно ниже, чем у ламп из дутого стекла, используемых для производства обычных ламп накаливания. Этот артефакт связан с тем, что кварц труднее обрабатывать (в первую очередь из-за более высокой температуры плавления).Кварц, предназначенный для огибающих ламп, начинается с цилиндрической трубки, которую сначала обрезают до нужной длины, прежде чем присоединить меньшую выхлопную трубу. Позже в процессе производства, после того, как нить накала и выводные штыри вставлены и зажаты, оболочка заполняется соответствующим газом и галогеновым соединением, прежде чем выхлопная труба будет удалена и запломбирована в процессе, называемом наконечник , который оставляет видимый дефект на конверте. Вольфрамово-галогенные лампы, используемые в микроскопии, обычно имеют выступающее пятно, расположенное в верхней части оболочки в области, которая не влияет на оптическое качество света, излучаемого лампой (рис. 5 (а)).Предварительно изготовленные внутренние конструктивные элементы лампы (нить накала, соединитель из фольги и штыри) вставляются в трубчатый кварц до того, как свинцовые штыри герметично запечатываются в оболочке путем защемления. Форма внешней поверхности зажима обеспечивает максимальную механическую прочность.

После защемления выводов штыря (этот процесс проводится, когда оболочка промывается инертным газом, чтобы избежать окисления), колба заполняется через выхлопную трубу соответствующим газом, содержащим 0.От 1 до 1,0 процента галогенового соединения. Инертный наполняющий газ может быть ксеноном, криптоном, аргоном или азотом, а также смесью этих газов, имеющей наивысший средний атомный вес, совместимый с желаемым сопротивлением дуге. Галоген, используемый для вольфрамово-галогенных ламп, используемых в микроскопии, обычно представляет собой HBr, CH 3 Br или CH 2 Br 2 . Высокое внутреннее давление в лампе достигается за счет заполнения оболочки до желаемого давления и погружения лампы в жидкий азот для конденсации заполняющего газа.После герметизации выхлопной трубы на выходе наполняющий газ расширяется по мере того, как он нагревается до температуры окружающей среды. В высокоэффективных вольфрамово-галогенных лампах, производимых Osram (Сильвания, США), используется технология Xenophot , в которой газ криптон заменяется ксеноном, который имеет более высокую атомную массу, чем криптон и другие газы-наполнители. Ксенон обеспечивает лучшее подавление испарения вольфрама, обеспечивает более высокую температуру нити накала и увеличивает световую отдачу примерно на 10 процентов (что соответствует увеличению цветовой температуры примерно на 100 K).Лампы Xenophot продаются с использованием аббревиатуры HLX , которая образована от терминов H алоген, L напряжение тока и X энон. Большинство вольфрамово-галогенных ламп, используемых в исследовательских микроскопах, оснащены лампами Osram / Sylvania HLX или их эквивалентами.

Вольфрам всегда используется для изготовления проволочных нитей в современных лампах накаливания. Чтобы быть пригодной для вольфрамово-галогенных ламп, необработанная вольфрамовая проволока должна пройти сложный процесс легирования и термообработки, чтобы придать пластичность, необходимую для обработки, и гарантировать, что нить накала не деформируется в течение длительных периодов высокой температуры во время работы лампы.Провод также необходимо тщательно очистить, чтобы предотвратить выброс вредных газов после герметизации лампы. Длина нити накала определяется рабочим напряжением, при более высоком напряжении требуется большая длина. Диаметр определяется уровнями мощности лампы и желаемым сроком службы. Для высоких уровней мощности требуются более толстые волокна, которые к тому же механически прочнее. Геометрия нити в значительной степени определяет фотометрические свойства вольфрамово-галогенных ламп. Лампы, используемые в микроскопии, обычно имеют геометрию нити с плоским сердечником, при которой проволока сначала наматывается в форме прямоугольного стержня, а затем зажимается поперек длинной оси.Вместо диаметра и длины нити с плоским сердечником измеряются по длине и ширине плоской стороны нити и по толщине прямоугольной формы. Характеристики светового излучения ламп накаливания с плоским сердечником значительно отличаются от характеристик излучения других геометрических форм. Наиболее значительная часть излучаемого света излучается перпендикулярно плоской поверхности нити накала, которая совмещена с собирающей оптикой для максимальной пропускной способности. В некоторых конструкциях ламп используется специальная нить накала с плоским сердечником, у которой светоизлучающая поверхность имеет квадратную форму.Эти лампы являются предпочтительными источниками освещения в микроскопии проходящего света.

Одним из критических факторов при производстве вольфрамово-галогенных ламп является герметизация внутренних элементов, чтобы изолировать их от внешней атмосферы. Подводящие провода (молибденовые штыри; рис. 5 (b)) выходят из цоколя лампы через уплотнение, чтобы установить и закрепить лампу в гнезде, подключенном к источнику питания. Наиболее важным аспектом создания уплотнения является разница в коэффициентах теплового расширения кварцевых и вольфрамовых нитей накала.Кварц имеет очень низкий коэффициент расширения, тогда как у вольфрама намного выше. Без надлежащего уплотнения подводящие провода быстро расширились бы, когда лампа стала горячей, и разбили бы окружающее стекло. В современных вольфрамово-галогенных лампах очень тонкая молибденовая фольга (шириной от 2 до 4 миллиметров и толщиной от 10 до 20 микрометров; рис. 5 (b)) заделана в кварц, и каждый конец фольги приварен к коротким соединительным проводам из молибдена, которые в свою очередь приварены к нити накала и подводящему штифту.Молибден используется в уплотнении, потому что острые края позволяют надежно врезать его в кварц во время операции зажима. Лампы, используемые для микроскопии, имеют односторонние основания, имеющие либо молибденовые штыри, выступающие из зажима, либо вольфрамовые штыри, которые изнутри связаны с молибденовой фольгой, как описано выше. Расстояние между штифтами стандартизовано и составляет от 4 до 6,35 миллиметра (обозначено как G4 и G6.35; G для стекла). Диаметр штифта колеблется от 0.От 7 до 1 миллиметра.

Поскольку технология производства вольфрамово-галогенных ламп настолько развита на данный момент, срок службы обычной лампы внезапно заканчивается, обычно при включении холодной нити накаливания лампы. В течение среднего срока службы современные вольфрамово-галогенные лампы не чернеют и претерпевают лишь незначительные изменения в фотометрических выходных характеристиках. Как и в случае с другими лампами накаливания, срок службы вольфрамово-галогенной лампы определяется скоростью испарения вольфрама из нити накала.Если нить накала не имеет постоянной температуры по всей длине проволоки, а вместо этого имеет области с гораздо более высокой температурой, возникающие из-за неравномерной толщины или внутренних структурных изменений, то нить обычно выходит из строя из-за преждевременного обрыва в этих областях. Даже несмотря на то, что испаренный вольфрам возвращается в нить за счет цикла регенерации галогена (обсужденного выше), материал, к сожалению, откладывается на более холодных участках нити, а не в тех критических горячих точках, где обычно происходит утонение.В результате практически невозможно предсказать, когда какая-либо конкретная нить накаливания выйдет из строя в лампах, которые работают непрерывно. В тех лампах, которые часто включаются и выключаются, можно с уверенностью предположить, что они выйдут из строя в какой-то момент при включении.

Вольфрамово-галогенные лампы и блоки питания

Вольфрамово-галогенные лампы могут работать от источников питания постоянного или переменного тока, но в большинстве исследовательских приложений микроскопии используются источники питания постоянного тока ( DC ).Самые современные источники питания для вольфрамово-галогенных ламп имеют специализированную схему, обеспечивающую стабилизацию тока и подавление пульсаций. Критическая фаза для вольфрамово-галогенной лампы - это когда напряжение впервые подается на холодную нить накала, период, когда сопротивление нити примерно в 20 раз ниже, чем при полной рабочей температуре. Таким образом, когда напряжение питания мгновенно подается на лампу при ее включении, течет очень высокий начальный ток (до 10 раз выше, чем в установившемся режиме; называемый броском тока , ток), который медленно падает по мере того, как температура нити накала и электрическое сопротивление увеличивать.Пиковый уровень тока достигается в течение нескольких миллисекунд после запуска, но обычно заканчивается примерно за полсекунды. К сожалению, высокий пусковой ток, возникающий при холодном запуске, отрицательно сказывается на ожидаемом сроке службы лампы. Специализированная схема источника питания (часто называемая схемой плавного пуска ) используется для компенсации высоких пусковых токов в самых передовых приложениях (включая микроскопию), в которых вольфрамово-галогенные лампы используются для проведения логометрических измерений.

На рисунке 6 показана типичная вольфрамово-галогенная лампа мощностью 100 Вт, используемая в микроскопии проходящего света. Лампа оснащена охлаждающими отверстиями, которые позволяют конвекционным потокам омывать лампу более прохладным воздухом во время работы. Металлический отражатель, покрывающий внутреннюю часть светильника, помогает сферическому отражателю направлять максимально возможный уровень светового потока в систему коллекторных линз для подачи на оптическую цепь микроскопа. Этот усовершенствованный фонарик содержит запасной патрон и сменный пластиковый инструмент, который оператор может использовать для захвата корпуса лампы во время переключения лампы.Регулировка положения лампы по отношению к оптической оси сферического отражателя и коллектора может быть выполнена с помощью винтов с внутренним шестигранником, которые перемещают основание. Лампа прикрепляется к осветителю микроскопа с помощью запатентованного монтажного фланца, который соединяет лампу с вертикальным или инвертированным микроскопом (хотя большинство ламп не могут быть заменены с одной марки микроскопа на другую). Инфракрасный (тепловой) фильтр перед системой коллекторных линз поглощает значительное количество нежелательного излучения, и дополнительные фильтры обычно могут быть вставлены в световой тракт (используя прорези держателя фильтра в осветителе микроскопа) для поглощения выбранных диапазонов видимых длин волн, регулировки цветовой температуры или добавить нейтральную плотность (уменьшение амплитуды света).Большинство ламп для микроскопии не оборудованы диффузионными фильтрами, но они часто требуются для достижения равномерного освещения по всему полю обзора и обычно помещаются производителем в осветительный прибор микроскопа.

Вольфрамовые сплавы с более низкой температурой спекания для космических исследований

Основные моменты

За последнее столетие температура спекания композиций на основе вольфрама снизилась с 2500 ° C до 1200 ° C.

Первоначально для увеличения плотности использовались прямой электрический разряд или искровое спекание.

Теперь сплавы W – Ni – Cu – Mn позволяют спекать при температурах, аналогичных спеканию стали.

Такие системы с более низкой температурой спекания имеют решающее значение для исследований в области обработки в условиях микрогравитации (уплотнение, искажение и укрупнение), чтобы соответствовать возможностям Международной космической станции.

Описаны испытания нового вольфрамового сплава, а также подготовка образца, необходимая для обеспечения значительной гибкости обработки для регулировки двугранного угла, соотношения твердое вещество: жидкость и времени выдержки до одного часа с параллельным наземным и обработка на основе микрогравитации.

Подробно описаны подготовка образцов, квалификационные испытания и запланированные эксперименты.

Abstract

В начале 1900-х годов температура спекания вольфрама составляла 2800 ° C или выше. В то время использовался прямой электрический разряд (самонагрев), чтобы вызвать уплотнение при спекании. Пониженная температура спекания вольфрама возникла при формировании радиационно-защитных конструкций. К 1938 г. температура спекания составляла 1500 ° C для вольфрама, легированного Ni – Fe или Ni – Cu с использованием жидкофазного спекания.Активированное спекание возникло между 1946 и 1961 годами и основывалось на низких концентрациях добавок Pd, Pt, Ni или других поздних переходных металлов, что позволяло уплотнение при температурах в диапазоне от 1200 до 1400 ° C. В 1991 году сплавы W – Ni – Mn были идентифицированы и стали предшественниками сплавов W – Ni – Cu – Mn, которые уплотняются при 1200 ° C, температуре, связанной со спеканием стали. Система W – Ni – Cu – Mn с более низкой температурой спекания в настоящее время имеет решающее значение для исследований в области обработки в условиях микрогравитации (уплотнение, деформация и укрупнение), поскольку она соответствует возможностям печи на Международной космической станции.Подробности экспериментов приведены в этой статье.

Графический реферат

Ограничения на температуры спекания в условиях микрогравитации компенсируются новыми вольфрамовыми сплавами, которые позволяют проводить исследования уплотнения и деформации с использованием более низких температур спекания. Эти системы обеспечивают температуру 1200 ° C вблизи плотных структур и предназначены для исследований в условиях критической микрогравитации на Международной космической станции. График показывает поведение при нагревании и охлаждении и плавлении матрицы для этого нового вольфрамового сплава, необходимое для проведения экспериментов.

  1. Скачать: Скачать полноразмерное изображение

Ключевые слова

Гравитация

Спекание

Плотность

Искажение

Вольфрам

Температура

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Посмотреть полный текст

Elsevier Ltd.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Низкотемпературная прочность и пластичность различных листов вольфрама

В этом исследовании мы использовали три вида вольфрамовых листов.Сначала мы исследовали микроструктуру, такую ​​как гранулометрический состав, с помощью оптического микроскопа. Во-вторых, мы провели испытания на трехточечный изгиб при температурах от 290 до 500 К. Затем мы исследовали поверхность излома поврежденного образца с помощью сканирующего электронного микроскопа. Наконец, проанализировав все эти результаты, мы оценили видимую прочность на межкристаллитный и трансгранулярный излом и обсудили прочность и пластичность вольфрама. Кроме того, мы сравнили механические свойства вольфрама и молибдена.

1. Введение

Обычно чистый молибден после перекристаллизации показывает определенную пластичность при комнатной температуре. Напротив, чистый вольфрам после рекристаллизации не деформируется пластически вблизи комнатной температуры, так как его температура перехода из пластичного в хрупкое состояние намного превышает 400 К [1]. Такая хрупкость вольфрама в основном объясняется высокой твердостью, которая приводит к высокому пределу текучести и затруднению пластической деформации. Однако подробное обсуждение такой разницы в прочности и пластичности вольфрама и молибдена до сих пор не проводилось.

Материалами, использованными в данном исследовании, являются чистый вольфрам, вольфрам с примесью K и вольфрам с примесью La. Все эти материалы подвергаются перекристаллизации в различных условиях. Во-первых, мы исследовали микроструктуру, такую ​​как средний размер зерна и распределение по размерам в образце после перекристаллизации, с помощью оптического микроскопа (ОМ). Во-вторых, мы провели испытания на трехточечный изгиб при температурах от 290 до 500 К и получили предел текучести и максимальную прочность. По температурным зависимостям текучести и максимальной прочности были оценены два параметра (критическое напряжение и критическая температура) [2, 3].Наконец, мы выполнили наблюдение поверхности излома поврежденного образца с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM). Анализируя эти экспериментальные данные, мы оценили видимую прочность межкристаллитного и / или транскристаллического разрушения. Кроме того, мы сравнили и обсудили разницу в механических свойствах вольфрама и молибдена.

2. Экспериментальные процедуры

В данном исследовании использовались три вида вольфрамовых листов. Один из них - чистый вольфрамовый лист (обозначен в тексте буквой «W»).Другими являются лист вольфрама, легированного K (K: около 50 массовых частей на миллион, обозначенный в тексте как «KDW») и лист вольфрама, легированного La (La 2 O 3 : около 1 мас.%, Обозначенный как «LDW»). " в тексте). Толщина этих листов около 1 мм. Материалы производятся методом порошковой металлургии, спечены, горячекатаны и сняты напряжения. Типичная зернистая структура этих материалов представляет собой волокнистую структуру. Перед следующими измерениями материалы были подвергнуты перекристаллизации в различных условиях.Лист чистого вольфрама нагревали при 1773 К в течение 3,6 тыс. Сек или при 2073 К в течение 3,6 тыс. Сек в вакууме менее 10 -5 торр. Два листа легированного вольфрама нагревали при 2073 К в течение 3,6 тыс. С в вакууме. В ходе испытания термическая обработка при 1773 K в течение 3,6 тыс. Сек. И при 2073 K в течение 3,6 тыс. Сек. Была обозначена как «r1» и «r2» соответственно. Например, вольфрам, легированный калием, после рекристаллизации при 2073 К в течение 3,6 тыс. С обозначается как «KDW (r2)».

Микроструктуру материала исследовали с помощью ОМ. Форма зерен примерно равноосная.Таким образом, мы измерили размер зерна в направлении, параллельном направлению окончательной прокатки, и определили средний размер зерна и его распределение.

Мы оценили механические свойства материала с помощью испытаний на трехточечный изгиб. Мы провели испытания при скорости деформации s -1 при температуре от примерно 290 K до 500 K. Мы получили предел текучести () и максимальную прочность (), используя следующее: и - нагрузка при пределе текучести и максимальная точка нагрузки соответственно.2 (= 16 мм) - пролет опоры. и - ширина и толщина образца соответственно. В этом исследовании типичная ширина и толщина образца составляли 4 мм и 1 мм соответственно. Здесь мы автоматически преобразовали прочность на изгиб () в прочность на разрыв (), используя следующее уравнение. Это уравнение было получено экспериментально [4]: ​​

Из температурной зависимости текучести и максимальной прочности мы оценили два параметра (критическое напряжение и критическую температуру) [2, 3].Эти параметры получены, как схематично показано на рисунке 1. Критическое напряжение - это напряжение, которое необходимо для создания и распространения микротрещин поочередно вдоль границ зерен или в матрице. Это напряжение соответствует кажущейся прочности на межкристаллитное разрушение поликристаллического материала. С другой стороны, критическая температура является выражением температуры перехода из пластичного в хрупкое состояние (DBTT), и величина, обратная этой температуре, соответствует низкотемпературной пластичности.Более высокое значение () означает, что материал более «пластичный» и даже при более низкой температуре.


Режим разрушения определяли следующим образом. Мы наблюдали поверхность излома образца, который хрупко разрушился при температуре около 290 К с помощью СЭМ. В этом исследовании мы представляем режим разрушения параметром PIF-value. Значение PIF представляет собой межкристаллитное значение и межзеренного перелома f и определяется как отношение площади межзеренного перелома к общей площади перелома.Например, высокое значение PIF означает, что границы зерен материала обычно очень слабые. Для молибдена со средним размером зерна 20–25 мкм м критическое напряжение () и режим разрушения (значение PIF) демонстрируют следующую зависимость [2, 3]: Здесь константа соответствует кажущейся прочности на трансгранулярное разрушение, поскольку значение при PIF-значении = 0 означает напряжение, которое необходимо для распространения микротрещин только в матрице.

3. Результаты
3.1. Размер зерна и его распределение

Гранулометрический состав материала показан на рисунках 2 (a) (W (r1)), 2 (b) (W (r2)), 2 (c) (KDW (r2). ) и 2 (г) (LDW (r2)). На рисунке также указан средний размер зерна. Распределение гранул W (r1) и KDW (r2) по размеру аналогично. Средние размеры зерен этих материалов почти одинаковы, а их распределение было относительно узким. Распределение размеров зерен W (r2) и LDW (r2) обычно отличается от W (r1) и KDW (r2). Первые материалы показывают гораздо больший размер зерна и гораздо более широкое распределение по размерам, чем последние.Сначала эти результаты предполагают, что в случае чистого вольфрама после нагрева при более высокой температуре произошло укрупнение зерна. Во-вторых, легирование K и La в определенной степени подавляло укрупнение зерна.

3.2. Прочность и пластичность

Температурные зависимости прочности показаны на Рисунке 3 (предел текучести) и Рисунке 4 (максимальная прочность).



Предел текучести чистого вольфрама существенно зависит от условий нагрева.Предел текучести W (r2), нагретого до 2073 К, обычно намного ниже, чем у W (r1), нагретого до 1773 К. Предел текучести KDW (r2) примерно такой же, как у W (r1). Предел текучести LDW (r2) немного ниже, чем у W (r1) и / или KDW (r2), но выше, чем у W (r2).

Максимальная прочность чистого вольфрама также существенно зависит от условий нагрева. Максимальная прочность W (r2) обычно намного ниже, чем у W (r1). Максимальная сила KDW (r2) и LDW (r2) находится в диапазоне от W (r1) до W (r2), хотя сила KDW (r2) выше, чем у LDW (r2).

Критическое напряжение и критическая температура сведены в Таблицу 1. Мы получили эти параметры, как уже показано на Рисунке 1. Во-первых, критическое напряжение приблизительно соответствует максимальной прочности. Критическое напряжение W (r1) намного выше, чем у W (r2). Критические напряжения KDW (r2) и LDW (r2) находятся в диапазоне от W (r1) до W (r2), хотя напряжение KDW (r2) выше, чем у LDW (r2). С другой стороны, критическая температура не обязательно следует за критическим напряжением или максимальной прочностью.Разница в критической температуре между материалами значительно меньше, чем в критическом напряжении. Этот результат хорошо интерпретируется, поскольку критическая температура определяется не только максимальной прочностью (критическим напряжением), но и пределом текучести. Напротив, критическое напряжение определяется почти только максимальной прочностью [2, 3].


Материалы Критическое напряжение Критическая температура Значение PIF
/ МПа
Вт (r1)585 430 85
W (r2) 370 450 60
KDW (r2)50 935050 9350
LDW (r2)475450 57

3.3. Режим разрушения

Типичные режимы разрушения различных вольфрамов показаны на рисунках 5 (a) (W (r1)), 5 (b) (W (r2)), 5 (c) (KDW (r2)) и 5 (г) (LDW (r2)). Типы разрушения W (r1) и KDW (r2) - это в основном межкристаллитные трещины. С другой стороны, режимы разрушения W (r2) и LDW (r2) представляют собой смесь межкристаллитного и транскранулярного разрушения. По данным наблюдения с помощью сканирующего электронного микроскопа с большим увеличением, поверхности межкристаллитных трещин W (r1) и W (r2) относительно чистые, за исключением нескольких очень маленьких пор.Общий вид поверхностей межкристаллитных трещин KDW (r2) аналогичен W (r1) и W (r2). С другой стороны, некоторые крупные включения распознаются на поверхностях межкристаллитных трещин LDW (r2). Учитывая температуру нагрева 2073 К, предполагается, что эти включения представляют собой частицы La 2 O 3 .

Используя фотографии поверхности трещин, мы определили PIF-значение. Средние значения также приведены в таблице 1. PIF-значения W (r1) и KDW (r2) достигают примерно 90%, как и у чистого молибдена после перекристаллизации [5].С другой стороны, PIF-значения W (r2) и LDW (r2) средние (около 60%).

4. Обсуждение
4.1. Зависимость предела текучести и критического напряжения от размера зерен

Хорошо известно, что на прочность материала существенно влияет микроструктура, такая как размер зерна. Например, соотношение Холла-Петча стоит между пределом текучести и размером зерна [6]. Таким образом, мы обсудили зависимость предела текучести и критического напряжения от размера зерна на этом занятии.

На рисунке 6 предел текучести, полученный при температуре около 500 К, нанесен на график зависимости, обратной величине квадратного корня из размера зерна ( d ). В этом исследовании в качестве размера зерна использовался средний размер зерна. Пунктирная линия на рисунке указывает на линейную зависимость между пределом текучести при 500 K и величиной, обратной величине зерна, о которой сообщили Йих и Ван [7]. Данные для различного вольфрама хорошо согласуются с линейной зависимостью, хотя данные LDW (r2) немного выше.Последний результат можно отнести к дисперсии включений, как показано на рисунке 5 (d).


На рисунке 7 критическое напряжение отложено в зависимости от обратной величины квадратного корня из размера зерна. В этом исследовании критическое напряжение соответствует прочности материала на излом при относительно низкой температуре. Нет данных о вкладе размера зерна в критическое напряжение или в трещиностойкость вольфрама. Поэтому мы применили результаты, полученные для молибдена с размером зерен 20–25 мкм м (сплошная зеленая линия) [8].Очевидно, что данные для вольфрама качественно согласуются с соотношением для молибдена.


4.2. Взаимосвязь между критическим напряжением и режимом разрушения

На рисунке 8 значение PIF нанесено на график зависимости от критического напряжения. Данные, полученные для молибдена с размером зерна 20–25 мкм мкм [5], также представлены на рисунке для справки. Кроме того, зеленая линия с наклоном 0,2 представляет линейную зависимость между критическим напряжением и режимом разрушения молибдена [5, 8].


Интересно, что данные W (r1) и KDW (r2) примерно согласуются с зеленой линией, полученной для молибдена. Отмечено, что все эти материалы имеют размер зерна почти 20–25 мкм мкм. Настоящий результат предполагает, во-первых, что взаимосвязь между значением PIF и критическим напряжением применима не только к молибдену, но также и к вольфраму. Во-вторых, прочность межкристаллитного разрушения KDW (r2) немного ниже, чем у W (r1), при этом их прочности на трансгранулярное разрушение эквивалентны друг другу.

Данные W (r2) и LDW (r2) отклоняются влево от линейной зависимости. Этот результат может быть объяснен вкладом размера зерен в прочность на межкристаллитное и трансгранулярное разрушение (константа в (3)), хотя вклад размера зерна в прочность на трансгранулярное разрушение для вольфрама еще не сообщалось. Одновременно укрупнение зерна вызывает снижение прочности трансгранулярного разрушения, а также снижение прочности межкристаллитного разрушения. В результате значение PIF практически не изменилось.

4.3. Графики критического напряжения и взаимной критической температуры

Как уже упоминалось, критическое напряжение соответствует кажущейся прочности межкристаллитного разрушения. С другой стороны, критическая температура является выражением температуры перехода из пластичного в хрупкое состояние (DBTT), а величина, обратная критической температуре, является мерой пластичности [2].

На рисунке 9 график зависимости критической температуры (пластичности) от критического напряжения.Данные, полученные для молибдена [5], также представлены на рисунке для сравнения. Сначала очевидно, что пластичность вольфрама обычно намного ниже, чем у молибдена. Этот результат в основном объясняется разницей в пределе текучести молибдена и вольфрама. Известно, что предел текучести вольфрама намного выше, чем у молибдена при данной температуре с эквивалентным размером зерна. Прямая линия на рисунке показывает температурную зависимость предела текучести.Во-вторых, прочность на межкристаллитное разрушение вольфрама почти равна прочности молибдена, если размер зерна такой же.


5. Обобщение результатов
(1) Предел текучести вольфрама в основном зависит от микроструктуры, такой как размер зерна. Предел текучести вольфрама при данной температуре намного выше, чем у молибдена. (2) Критическое напряжение вольфрама зависит не только от размера зерна, но и от прочности на межкристаллитное разрушение. Критическое напряжение вольфрама почти эквивалентно критическому напряжению молибдена, если размер зерна такой же.(3) Низкотемпературная пластичность вольфрама определяется как пределом текучести, так и максимальной прочностью (критическим напряжением). В результате пластичность вольфрама обычно намного ниже, чем у молибдена.
Благодарность

Авторы глубоко признательны доктору Томохиро Такида и A.L.M.T. Corp. по поставке чистого вольфрама и легированных вольфрамовых материалов.

Температура кипения вольфрама составляет 10 030 F и другие безумные факты

Плотность различных элементов отражает размер составляющих их атомов.Чем ниже вы попадаете в периодической таблице, тем крупнее и тяжелее атомы.

«Более тяжелые элементы, такие как вольфрам, имеют больше протонов и нейтронов в ядре и больше электронов на орбите вокруг ядра», - говорит Ньюзэм. «Это означает, что вес одного атома значительно увеличивается по мере того, как вы переходите по таблице Менделеева».

На практике, если вы держите кусок вольфрама в одной руке и такой же объем серебра или железа в другой руке, вольфрам будет намного тяжелее.В частности, плотность вольфрама составляет 19,3 грамма на кубический сантиметр. Для сравнения, серебро примерно вдвое меньше вольфрама (10,5 г / см 3 ), а железо почти на треть плотнее (7,9 г / см 3 ).

Плотность вольфрама может быть преимуществом в определенных областях применения. Его часто используют в бронебойных пулях, например, из-за его плотности и твердости. Военные также используют вольфрам для изготовления так называемого «кинетического бомбардировочного» оружия, которое стреляет из вольфрамового стержня, как воздушный таран, чтобы пробивать стены и броню танка.

Во время холодной войны ВВС якобы экспериментировали с идеей под названием «Проект Тор», которая должна была сбрасывать связку 20-футовых (6-метровых) вольфрамовых стержней с орбиты на вражеские цели. Эти так называемые «стержни от Бога» имели бы разрушительную силу ядерного оружия, но без ядерных осадков. Оказывается, запуск тяжелых стержней в космос обходился слишком дорого.

Только алмазы тверже карбида вольфрама

Чистый вольфрам не так уж и тверд - его можно разрезать ножовкой, но когда вольфрам сочетается с небольшим количеством углерода, он становится карбидом вольфрама, одним из самых твердых и твердых вещества на Земле.

«Когда вы добавляете небольшое количество углерода или других металлов в вольфрам, он фиксирует структуру и предотвращает ее легкую деформацию», - говорит Ньюсэм.

Карбид вольфрама настолько твердый, что его можно огранить только алмазами, и даже в этом случае алмазы работают, только если карбид вольфрама не полностью отвержден. Карбид вольфрама в три раза более жесткий, чем сталь, может служить до 100 раз дольше, чем сталь в сильно абразивных условиях, и имеет самую большую прочность на сжатие среди всех кованых металлов, что означает, что он не вмятины и не деформируется при сжатии с огромной силой. .

Наиболее частое применение карбида вольфрама - и конечная цель большей части добываемого вольфрама на планете - это специализированные инструменты, особенно буровые коронки. Любое сверло для резки металла или твердой породы должно выдерживать высокие уровни трения, не затупляясь и не ломаясь. Только алмазные сверла тверже карбида вольфрама, но они намного дороже.

Другие интересные применения вольфрама

Твердость, плотность и термостойкость вольфрама делают его идеальным для множества нишевых приложений:

  • Электронные микроскопы выстреливают поток электронов из специального наконечника эмиттера, сделанного из вольфрама.
  • Большинство сварных швов между металлом и стеклом выполняются из вольфрама, потому что вольфрам расширяется и сжимается с той же скоростью, что и боросиликатное стекло, наиболее распространенный вид стекла.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *