Применение высокой температуры плавления вольфрама

Вольфрам-никель-железо

Вольфрамовые сплавы

Вольфрам-никель-медь

Вольфрамовые сплавы

Вольфрамо-Молибденовые сплавы

Вольфрамовые сплавы
Сегодня вольфрамовые сплавы – это тяжелые сплавы на основе тугоплавкого металла, которые широко используются во многих отраслях промышленности. В каталоге представлены стандартные распространённые марки. Возможен заказ полуфабрикатов (порошка, гранул, слитков, кусков и проч.) либо изделий и деталей, готовых к использованию или сборке машин, техники, установок различной направленности.

Основные характеристики

Как самый тугоплавкий металл, вольфрам имеет специфические свойства:

• Температура плавления вольфрама — примерно соответствует температуре солнечной короны — 3422 °С.
• Вместе с этим, плотность чистого вольфрама ставит его в один ряд с наиболее плотными металлами. Его плотность практически равна плотности золота — 19,25 г/см3.
• Теплопроводность вольфрама зависит от температуры и составляет от 0,31 кал/см·сек·°С при 20°С до 0,26 кал/см·сек·°С при 1300°С.
• Теплоемкость также близка к золоту и составляет 0.15·103 Дж/(кг·К).

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

Вольфрамовая проволока

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

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

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

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

Вольфрам

Вольфрам относится к тугоплавким металлам, которые сравнительно мало распространены в земной коре. Так, содержание в земной коре (в %) вольфрама примерно 10-5, рения 10-7, молибдена 3•10-4, ниобия 10-3, тантала 2•10-4 и ванадия 1,5•10-2.
Тугоплавкие металлы являются переходными элементами и располагаются в IV, V, VI и VII группах (подгруппа А) периодической системы элементов. С увеличением атомного номера возрастает температура плавления тугоплавких металлов в каждой из подгрупп.

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

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

Возможность исследования металлов методом электронной микроскопии позволяет изучать структурные особенности атомного масштаба, выявляет взаимосвязи между механическими свойствами и дислокациями, дефектами упаковки и др. Полученные данные показывают, что характерные физические свойства, отличающие тугоплавкие металлы от обычных, определяются электронной структурой их атомов. Электроны могут в различной степени переходить от одного атома к другому, при этом вид перехода отвечает определенному типу межатомной связи. Особенность электронного строения определяет высокий уровень межатомных сил (связей), высокую температуру плавления, прочность металлов и их взаимодействие с другими элементами и примесями внедрения. У вольфрама химически активная оболочка по энергетическому уровню включает электроны 5 d и 6 s.

Из тугоплавких металлов наибольшую плотность имеет вольфрам — 19,3 г/см3. Хотя при использовании в конструкциях ^большую плотность вольфрама можно рассматривать как отрицательный показатель, все же повышенная прочность при высоких температурах позволяет снизить массу изделий из вольфрама за счет уменьшения их размеров.

Плотность тугоплавких металлов в большой степени зависит от их состояния. Например, плотность спеченного штабика вольфрама колеблется в пределах 17,0-18,0 г/см3, а плотность кованого штабика со степенью деформации 75% составляет 18,6-19,2 г/см3. То же наблюдается и у молибдена: спеченный штабик имеет плотность 9,2-9,8 г/см3, кованый со степенью деформации 75% -9,7-10,2 г/см3 и литой 10,2 г/см3.

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

Таблица 1

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

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

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

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

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

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

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

Содержание примесей в вольфраме технической чистоты меняется в зависимости от состояния металла. Порошок содержит примеси А1, С, Cr, Сu, Fe, Mg, Mn, Mo, Ni, Si, K, Na. В прутке же находится несколько меньше примесей.

Прочностные свойства вольфрама зависят от состояния материала и температуры. Для кованых прутков вольфрама предел прочности после рекристаллизации меняется в зависимости от температуры испытаний от 141 кгс/мм2 при 20° С до 15,5 кгс/мм2 при 1370° С. Полученный методом порошковой металлургии вольфрам при изменении температуры от 1370 до 2205° С имеет ?b = 22,5?6,3 кгс/мм2. Прочность вольфрама особенно увеличивается в процессе холодной деформации. Проволока диаметром 0,025 мм имеет предел прочности 427 кгс/мм2.

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

Модуль упругости приближенно связан с атомным объемом температуры плавления

где Tпл — абсолютная температура плавления; VaТ- атомный объем; К — константа.

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

где Е — модуль упругости первого рода, кгс/мм2; ?-коэффициент поперечной деформации.

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

Таблица 3

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

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

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

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

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

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

Таблица 4

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

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

Сплав W — 0,48% Zr-0,048% С имеет ?b = 55,2 кгс/мм2 при 1650° С и 43,8 кгс/мм2 при 1925° С.

Высокие механические свойства имеют вольфрамовые сплавы, содержащие тысячные доли процента бора, десятые доли процента циркония, и гафния и около 1,5% ниобия. Прочность этих сплавов на разрыв при высоких температурах составляет 54,6 кгс/мм2 при 1650° С, 23,8 кгс/мм2 при 2200° С и 4,6 кгс/мм2 при 2760° С. Однако температура перехода (около 500° С) таких сплавов из пластического состояния в хрупкое достаточно высока.

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

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

Таблица 5

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

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

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

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

Для работы при температурах выше 1700° С следует применять сплавы ВВ-2 (вольфрамониобиевые). Интересно отметить, что при кратковременных испытаниях сплавы с содержанием ниобия от 0,5 до 2% имеют предел прочности при 1650°С в 2-2,5 раза выше нелегированного вольфрама. Наиболее прочным является сплав вольфрама с 15% молибдена. Сплавы W-Re-Th O2 обладают хорошей обрабатываемостью по сравнению со сплавами W — Re; добавление двуокиси тория делает возможной такую обработку, как точение, фрезерование, сверление.

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

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

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

Недостатками вольфрама являются его низкая пластичность (?<1%), большая плотность, высокое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, плохая свариваемость, низкая ока-линостойкость и плохая обрабатываемость резанием. Однако легирование его различными элементами позволяет улучшить эти характеристики.

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

Изготовление из вольфрама электротехнических контактов, пропитанных серебром или медью, осуществляют следующим образом. Сначала производят прессование порошка вольфрама и его спекание при определенных технологических режимах. Затем полученную заготовку пропитывают. В зависимости от полученной пористости заготовки меняется доля пропитывающего вещества. Так, содержание меди в вольфраме может меняться от 30 до 13% при изменении удельного давления прессования от 2 до 20 тс/см2. Технология получения пропитанных материалов довольно проста, экономична, и качество таких контактов выше, так как один из компонентов дает материалу высокую твердость, эрозионную стойкость, большую температуру плавления, а другой повышает электропроводность.

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

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

Теплоэрозионные свойства сопел, изготовленных из вольфрама, упрочненного дисперсными окислами ZrO2, MgO2, V2O3, НfO2, повышаются по сравнению с соплами из спеченного вольфрама. После соответствующей подготовки на поверхность вольфрама для снижения высокотемпературной коррозии наносят гальванические покрытия, например покрытие никелем, которое выполняют в электролите, содержащем 300 г/л сернокислого натрия, 37,5 г/л борной кислоты при плотности тока 0,5-11 А/дм2, температуре 65° С и рН = 4.

Получение вольфрама

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

Вольфрамовые прутки

В основе большинства методов промышленного получения вольфрама лежит восстановление металла из его оксида. Первая стадия производства состоит в обогащении вольфрамосодержащей руды. Затем при помощи операций выщелачивания и восстановления получают оксид WO3, который восстанавливают до чистого металла в атмосфере водорода. Температура процесса составляет около 700 °С.

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

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

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

Вольфрам

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

Применение вольфрама

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

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

Сверла из вольфрама

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

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

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

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

Свойства

Вольфрам относится к переходным металлам. Имеет серебристо-серый цвет. В периодической таблице Менделеева расположен в VI группе и носит атомный № 74.
Физические свойства металла:

• плотность 19,25 г/см3;
• кристаллическая структура объемноцентрированная, кубическая;
• парамагнитен;
• температура плавления 3422 °C;
• цвет искры — желтый, дает пучок коротких прерывистых искр;
• число стабильных изотопов 4.

Некоторые свойства вольфрама уникальны. Тугоплавкость — визитная карточка вольфрама, ею он отличается от других металлов.

Рекомендуем: РУТЕНИЙ — загадочный, как русская душа

Не доказано: есть предположение, что сиборгий (изотоп нестабилен, период полураспада его всего 0,01 секунды) более тугоплавок.