У статті “Вольфрам. Властивості, застосування, виробництво, продукція докладно розглядається тугоплавкий метал вольфрам. Описані властивості вольфраму, вказані сфери його застосування. Також перераховані різні марки вольфраму із зазначенням їх особливостей.

Стаття висвітлює процес виробництва вольфраму від стадії збагачення руди до стадії отримання заготовок як штабиків і злитків. Відзначаються характерні риси кожної стадії.

Особлива увага у статті приділяється продукції (дріт, прутки, листи та ін.). Описано процеси виготовлення тієї чи іншої продукції з вольфраму, її характерні особливості та сфери застосування.

Розділ 1. Вольфрам. Властивості та сфери застосування вольфраму

Вольфрам (позначається W) – хімічний елемент VI групи 6-го періоду таблиці Д.І. Менделєєва, має номер 74; перехідний метал світло-сірого кольору. Найбільш тугоплавкий метал має температуру плавлення t пл = 3380 °С. З погляду застосування металу вольфрам його найважливішими властивостями є щільність, температура плавлення, електричний опір, коефіцієнт лінійного розширення.

§1. Властивості вольфраму

Властивість	Значення
Фізичні властивості
Атомний номер	74
Атомна маса, а. (г/моль)	183,84
Атомний діаметр, нм	0,274
Щільність, г/см 3	19,3
Температура плавлення, °С	3380
Температура кипіння, °С	5900
Питома теплоємність, Дж/(г К)	0,147
Теплопровідність, Вт/(м K)	129
Електричний опір, мкОм см	5,5
Коефіцієнт лінійного термічного розширення 10 -6 м/мК	4,32
Механічні властивості
Модуль Юнга, ДПа	415,0
Модуль зсуву, ДПа	151,0
Коефіцієнт Пуассона	0,29
Тимчасовий опір σ B , МПа	800-1100
Відносне подовження δ, %	0

Метал відрізняється дуже високою точкою кипіння (5900 ° С) і дуже малою швидкістю випаровування навіть за температури 2000 ° С. Електропровідність вольфраму майже втричі нижча за електропровідність міді. До властивостей, що обмежують сферу застосування вольфраму, можна віднести велику щільність, високу схильність до ламкості за низьких температур, малий опір окисленню при невисоких температурах.

На вигляд вольфрам схожий на сталь. Застосовується для створення сплавів із високою міцністю. Обробці (куванню, прокатці та волоченню) вольфрам піддається тільки при нагріванні. Температура нагрівання залежить від типу обробки. Наприклад, кування прутків проводиться при нагріванні заготовки до 1450-1500 °С.

§2. Марки вольфраму

Марка вольфраму	Характеристика марки	Мета введення присадки
ВЧ	Вольфрам чистий (без присадок)	-
ВА	Вольфрам з кремнелужною та алюмінієвою присадками	Підвищення температури первинної рекристалізації, міцності після відпалу, формостійкості при високих температурах
ВМ	Вольфрам з кремнелужною та торієвою присадками	Підвищення температури рекристалізації та збільшення міцності вольфраму при високих температурах
ВТ	Вольфрам з присадкою окису торію.
ВІ	Вольфрам з присадкою окису ітрію	Підвищення емісійних властивостей вольфраму
ВЛ	Вольфрам з присадкою окису лантану	Підвищення емісійних властивостей вольфраму
ВР	Сплав вольфраму та ренію	Збільшення пластичності вольфраму після високотемпературної обробки, підвищення температури первинної рекристалізації, міцності при високих температурах, питомого електроопору і т.д.с.
ВРН	Вольфрам без присадки, в якому допускається підвищений вміст домішок	-
МВ	Сплави молібдену та вольфраму	Підвищення міцності молібдену за збереження пластичності після відпалу

§3. Області застосування вольфраму

Вольфрам отримав широке застосування завдяки своїм унікальним властивостям. У промисловості вольфрам використовується у вигляді чистого металу та у ряді сплавів.

Основні напрямки застосування вольфраму
1. Спеціальні сталі
Вольфрам використовується як один з основних компонентів або легуючого елемента при виробництві швидкорізальних сталей (містять 9-24% вольфраму W), а також інструментальних сталей (0,8-1,2% вольфраму W - вольфрамові інструментальні сталі; 2-2,7 % вольфраму W - хромвольфрамкремнисті інструментальні сталі (також містять хром Cr і кремній Si); 2-9% вольфраму W - хромвольфрамові інструментальні сталі (також містять хром Cr); містять хром Cr і марганець Mn) З перерахованих сталей виготовляють свердла, фрези, пуансони, штампи та ін. "К" - що сталь легована молібденом і кобальтом відповідно, також вольфрам входить до складу магнітних сталей, які діляться на вольфрамові та вольфрамкобальтові.

2. Тверді сплави на основі карбіду вольфраму
Карбід вольфраму (WC, W 2 C) - з'єднання вольфраму з вуглецем (див.). Він має високу твердість, зносостійкість та тугоплавкість. На його основі створені найпродуктивніші інструментальні тверді сплави, які містять 85-95% WC та 5-14% Co. З твердих сплавів виготовляють робочі частини різальних та бурових інструментів.

3. Жароміцні та зносостійкі сплави
Дані сплави використовують тугоплавкість вольфраму. Поширеність набули сплави вольфраму з кобальтом і хромом - стеліти (3-5% W, 25-35% Cr, 45-65% Co). Їх, зазвичай, за допомогою наплавлення наносять на поверхні деталей машин, що сильно зношуються.

4. Контактні сплави та “важкі сплави”
До цих сплавів відносяться сплави вольфраму з міддю та вольфраму зі сріблом. Це досить ефективні контактні матеріали виготовлення робочих частин рубильників, вимикачів, електродів для точкового зварювання та інших.

5. Електровакуумна та електроосвітлювальна техніка
Вольфрам у вигляді дроту, стрічки та різних кованих деталей застосовують у виробництві електроламп, радіоелектроніки та рентгенотехніки. Вольфрам - найкращий матеріал для ниток та спіралей розжарювання. Вольфрамова дріт і прутки служать електронагрівачами для високотемпературних печей (до ~3000 ° С). Вольфрамові нагрівачі працюють в атмосфері водню, інертного газу чи вакуумі.

6. Зварювальні електроди
Дуже важливою сферою застосування вольфраму є зварювання. З вольфраму виготовляють електроди для дугового зварювання (див.). Вольфрамові електроди є неплавними.

Глава 2. Виробництво вольфраму

§1. Процес отримання тугоплавкого металу вольфрам

Вольфрам прийнято відносити до широкої групи рідкісних металів. Крім цього металу до цієї групи входять молібден, рубідій та інші. Для рідкісних металів характерні порівняно невеликі масштаби виробництва та споживання, а також мала поширеність у земній корі. Жоден рідкісний метал не отримують безпосереднім відновленням із сировини. Спочатку сировина переробляється на хімічні сполуки. Крім того, всі редкометалеві руди піддаються додатковому збагаченню перед переробкою.

У процесі отримання рідкісного металу можна виділити три основні стадії:

• Розкладання рудного матеріалу - відділення видобутого металу від основної маси сировини, що переробляється, і концентрування його в розчині або осаді.
• Отримання чистих хімічних сполук - виділення та очищення хімічної сполуки.
• Виділення металу з отриманої сполуки - отримання чистих рідкісних металів.

Процес одержання вольфраму також має кілька стадій. Вихідною сировиною є два мінерали - вольфраміт (Fe, Mn) WO 4 і шееліт CaWO 4 . Багаті вольфрамові руди мають у своєму складі 0,2 - 2 % вольфраму.

• Збагачення вольфрамової руди. Воно проводиться за допомогою гравітації, флотації, магнітної чи електростатичної сепарації. В результаті збагачення одержують вольфрамовий концентрат, що містить 55 - 65% ангідриду (трихокису) вольфраму WO 3 . У вольфрамових концентратах контролюється вміст домішок - фосфору, сірки, миш'яку, олова, міді, сурми та вісмуту.
• Отримання триокису (ангідриду) вольфраму WO 3 який служить вихідною сировиною для виробництва металевого вольфраму або його карбіду. Для цього необхідно виконати ряд дій, таких як розкладання концентратів, вилуговування сплаву або спеку, отримання технічної вольфрамової кислоти та ін У результаті повинен вийти продукт, що містить 99,90 - 99,95% WO 3 .
• Одержання вольфрамового порошку. Чистий метал у вигляді порошку може бути отриманий з вольфраму ангідриду WO 3 . Для цього проводять процес відновлення ангідриду воднем або вуглецем. Відновлення вуглецем застосовується рідше, так як при даному процесі WO 3 насичується карбідами, що робить метал більш крихким і погіршує оброблюваність. При отриманні вольфрамового порошку використовують спеціальні методи, що дозволяють контролювати його хімічний склад, розмір та форму зерен, гранулометричний склад. Наприклад, швидке наростання температури, мала швидкість подачі водню сприяють збільшенню розміру частинок порошку.
• Одержання компактного вольфраму. Компактний вольфрам, як правило, у вигляді штабиків або злитків є заготівлею для виробництва напівфабрикатів, таких як дріт, пруток, стрічка і так далі.

§2. Отримання компактного вольфраму

Існують два способи одержання компактного вольфраму. Перший полягає у застосуванні методів порошкової металургії. Другий - за допомогою плавки в електричних дугових печах з електродом, що витрачається.

Методи порошкової металургії
Даний спосіб отримання ковкого вольфраму є найбільш поширеним, так як дозволяє більш рівномірно розподіляти присадки, які надають вольфраму спеціальні властивості (міцність, емісійні властивості та інші).

Процес отримання компактного вольфраму даним способом складається з кількох стадій:

• пресування штабиків із металевого порошку;
• низькотемпературне (попереднє) спікання заготовок;
• спікання (зварювання) заготовок;
• обробка заготовок з метою одержання напівфабрикатів - вольфрамового дроту, стрічки, вольфрамових прутків; зазвичай заготовки обробляють під тиском (куванням) або піддають механічній обробці різанням (наприклад, шліфування, полірування).

До вольфрамового порошку висуваються спеціальні вимоги. Використовують порошки, відновлені тільки воднем, що містять не більше 0,05% домішок.

За допомогою описаного методу порошкової металургії одержують вольфрамові штабики квадратного перерізу від 8х8 до 40х40 мм та довжиною 280-650 мм. При кімнатній температурі вони мають гарну міцність, але при цьому дуже тендітні. Варто зауважити, що міцність та крихкість (протилежна властивість - пластичність) відносяться до різних груп властивостей. Міцність – механічна властивість матеріалу, пластичність – технологічна. Пластичність визначає придатність матеріалу для кування. Якщо матеріал погано піддається ковці, він є крихким. Для покращення пластичності вольфрамові штабики піддаються ковці у нагрітому стані.

Однак описаним вище способом не можна виготовити великогабаритні заготовки великої маси, що є суттєвим обмеженням. Для отримання великогабаритних заготовок, маса яких досягає кількох сотень кілограм застосовують гідростатичне пресування. Даний метод дозволяє одержувати заготовки циліндричного та прямокутного перерізу, труби та інші вироби складної форми. При цьому вони мають рівномірну густину, не містять тріщин та інших дефектів.

Плавка
Плавка використовується для одержання компактного вольфраму у вигляді великогабаритних заготовок (від 200 до 3000 кг), призначених для прокату, витяжки труб, виготовлення виробів методом лиття. Здійснюється плавка в електричних дугових печах з витрачається електродом та/або електронно-променева плавка.

При дуговій плавці як електроди служать пакети спечених штабиків або спечені заготовки гідростатичного пресування. Плавка здійснюється у вакуумі чи розрідженій атмосфері водню. В результаті виходять вольфрамові зливки. Зливки вольфраму мають крупнокристалічну структуру та підвищену крихкість, що спричинено високим вмістом домішок.

Для зменшення вмісту домішок вольфрам спочатку плавлять у електронно-променевій печі. Але після цього типу плавки вольфрам також має крупнокристалічну структуру. Тому з метою зменшення розміру зерна отримані зливки піддають плавці в електричній дуговій печі, додаючи невеликі кількості карбідів цирконію або ніобію, а також легуючі елементи для надання спеціальних властивостей.

Для отримання дрібнозернистих зливків вольфраму, а також виготовлення деталей методом лиття застосовується дугова гарнісажна плавка з розливом металу у виливницю.

Глава 3. Продукція із вольфраму. Прутки, дріт, смуги, порошок

§1. Вольфрамові прутки

Виробництво
Вольфрамові прутки - один із найпоширеніших видів продукції з тугоплавкого металу вольфрам. Вихідним матеріалом для прутків є штабик.

Для отримання вольфрамових прутків штабик піддають куванню на ротаційній кувальній машині. Кування здійснюється в нагрітому стані, тому що при кімнатній температурі вольфрам дуже крихкий. Можна виділити кілька етапів кування. На кожному наступному етапі одержують прутки меншого діаметра, ніж на попередньому.

За першого кування можна отримати вольфрамові прутки діаметром до 7 мм (за умови, що штабик має довжину сторони 10-15 см). Кування здійснюють при температурі заготівлі 1450-1500 °С. Як матеріал нагрівача зазвичай використовується молібден. Після другого кування отримують прутки діаметром до 4,5 мм. Її виробляють за температури штабика 1300-1250 °З. При подальшому куванні одержують вольфрамові прутки діаметром до 2,75 мм. Варто зазначити, що вольфрамові прутки марок ВТ, ПЛ і ВІ отримують при більш високій температурі, ніж прутки марок ВА та ВЧ.

Якщо в якості вихідної заготовки використовують зливки з вольфраму, які одержують шляхом плавлення, то гаряче кування не здійснюють. Це пов'язано з тим, що дані зливки мають грубу крупнокристалічну структуру, і їх гаряче кування може призвести до утворення тріщин та руйнування.

У такому разі вольфрамові зливки піддають подвійному гарячому пресуванню (ступінь деформації близько 90%). Перше пресування проводиться за нормальної температури 1800-1900 °З, друге - 1350-1500 °З. Потім заготовки піддають гарячого кування для отримання прутків з вольфраму.

Застосування
Вольфрамові прутки знайшли широке застосування у різних галузях промисловості. Одне з найпоширеніших застосувань - зварювальні електроди, що не плавляться. Для таких цілей підходять прутки із вольфраму марок ВТ, ВІ, ВЛ. Також вольфрамові прутки марок ВА, ВР, МВ використовуються як нагрівачі. Нагрівачі з вольфраму працюють у печах до 3000 ° С в атмосфері водню, інертного газу або у вакуумі. Прутки з вольфраму можуть бути катодами радіоламп, електронних і газорозрядних приладів.

§2. Вольфрамові електроди

Дугове зварювання
Зварювальні електроди є одними з найважливіших компонентів, необхідних зварювання. Найбільш широко вони застосовуються при дуговому зварюванні. Вона відноситься до термічного класу зварювання, в якому плавлення здійснюється за рахунок теплової енергії. Дугове зварювання (ручне, напівавтоматичне та автоматичне) є найбільш поширеним технологічним процесом зварювання. Теплова енергія створюється вольтовою дугою, що горить між електродом та виробом (деталлю, заготівлею). Дуга – потужний стабільний електричний розряд в іонізованій атмосфері газів, парів металу. Електрод підводить електричний струм до місця зварювання, щоб одержати дугу.

Зварювальні електроди
Зварювальний електрод - дротяний стрижень із нанесеним на нього покриттям (або без покриття). Існує велика кількість різноманітних електродів для зварювання. Вони різняться за хімічним складом, довжиною, діаметром, певний тип електродів підходить для зварювання певних металів і сплавів. і т.д. Поділ електродів зварювальних на плавляться і неплавляться одна із найважливіших видів їх класифікації.

Зварювальні електроди, що плавляться, розплавляються в процесі зварювання, їх метал разом з розплавленим металом деталі, що зварюється, йде на поповнення зварювальної ванни. Такі електроди виконують із сталі та міді.

Електроди, що не плавляться, не розплавляються під час зварювання. До цього типу можна віднести вугільні та вольфрамові електроди. При зварюванні з використанням вольфрамових електродів, що неплавляться, необхідна подача присадочного матеріалу (зазвичай це зварювальний дріт або пруток), який розплавляється і разом з розплавленим матеріалом зварюваної деталі утворює зварювальну ванну.

Також, електроди для зварювання бувають покриті та непокриті. Покриття має важливу роль. Його складові можуть забезпечити отримання металу швів заданого складу та властивостей, стабільне горіння дуги, захист розплавленого металу від впливу повітря. Відповідно складові покриття можуть бути легуючими, стабілізуючими, газоутворюючими, шлакоутворюючими, розкислюючими, а саме покриття - кислим, рутиловим, основним або целюлозним.

Зварювальні вольфрамові електроди
Як було зазначено раніше, вольфрамові електроди є неплавними і при зварюванні використовуються разом з присадковим дротом. Дані електроди, в основному, застосовуються для зварювання кольорових металів та їх сплавів (вольфрамовий електрод з присадкою цирконію), високолегованих сталей (вольфрамовий електрод з присадкою торію ЕВТ), а також вольфрамовий електрод добре підходить для отримання зварного шва підвищеної міцності, причому деталі, що зварюються. бути різного хімічного складу.

Досить поширеною є зварювання з використанням вольфрамових електродів у середовищі аргону. Це середовище позитивно впливає на процес зварювання та якість зварного шва. Вольфрамові електроди можуть бути виготовлені з чистого вольфраму або містити різні присадки, які покращують якість процесу зварювання та зварного шва. Особливістю зварювальних електродів, що не плавляться, з чистого вольфраму (наприклад, вольфрамовий електрод марки ЕВЧ) є не дуже хороша запальність дуги.

Запалювання дуги проходить у три етапи:

• коротке замикання електрода на заготівлю;
• відведення електрода на незначну відстань;
• виникнення стійкого дугового розряду.

Для поліпшення запальності дуги та досягнення високої стабільності дуги під час зварювання електроди з вольфраму додають цирконій. Торування (вольфрамовий електрод ЭВТ-15) також покращує запальність дуги та збільшує термін служби зварювальних електродів. Додавання в вольфрамові електроди ітрію (вольфрамовий електрод ЕВІ-1, ЕВІ-2, ЕВІ-3) дозволяє використовувати їх у різних струмових середовищах. Наприклад, може бути дуга змінного чи постійного струму. У першому випадку зварювальна дуга живиться від джерела змінного струму. Розрізняють однофазне та трифазне харчування дуги. У другому – від джерела постійного струму.

Аргонодуговое зварювання (Дугове зварювання вольфрамовим електродом, що не плавиться, в середовищі аргону) Даний вид зварювання добре зарекомендував себе при зварюванні кольорових металів, таких як молібден, титан, нікель, а також високолегованих сталей. Це різновид дугового зварювання, де джерелом високої температури, необхідної для створення зварювальної ванни, є електричний струм. В даному виді аргонодугового зварювання основними елементами є вольфрамовий електрод та інертний аргон газ. Аргон під час зварювання подається на вольфрамовий електрод та захищає його, зону дуги та зварювальну ванну від атмосферної газової суміші (азот, водень, вуглекислий газ). Даний захист набагато підвищує якісні характеристики зварного шва, а також захищає зварювальні вольфрамові електроди від швидкого згоряння повітря. Газ аргон може застосовуватися при зварюванні великої кількості металів та сплавів, оскільки він є інертним.

Стандарти для вольфрамових електродів
У Росії неплавляться вольфрамові електроди виробляються відповідно до вимог стандартів та технічних умов. Серед них: ГОСТ 23949-80“Електроди вольфрамові зварювальні, що не плавляться. Технічні умови"; ТУ 48-19-27-88“Вольфрам лантанований у вигляді прутків. Технічні умови"; ТУ 48-19-221-83“Прутки з ітрованого вольфраму марки СВІ-1. Технічні умови"; ТУ 48-19-527-83“Електроди вольфрамові зварювальні неплавлячі ЕВЧ та ЕВЛ-2. Технічні умови".

§3. Вольфрамовий дріт

Виробництво
Вольфрамовий дріт - один із найпоширеніших видів продукції з даного тугоплавкого металу. Вихідним матеріалом для її виготовлення є ковані вольфрамові дроти діаметром 2,75 мм.

Волочення дроту проводиться за нормальної температури 1000 °З початку процесу і 400-600 °З - наприкінці. У цьому нагрівається як дріт, а й фильера. Нагрівання здійснюється полум'ям газового пальника або електричним нагрівачем.

Волочіння дроту діаметром до 1,26 мм ведуть на прямолінійному ланцюговому волочильному стані, в межах діаметра 1,25-0,5 мм - на блочному стані з діаметром котушки ~1000 мм, діаметра 0,5-0,25 - на машинах одноразового волочіння .

В результаті кування і волочіння структура заготовки перетворюється на волокнисту, яка складається з осколків кристалів, витягнутих уздовж осі обробки. Така структура призводить до різкого підвищення міцності дроту із вольфраму.

Після волочіння вольфрамовий дріт покритий графітовою мастилом. Поверхню дроту потрібно очистити. Очищення проводять за допомогою відпалу, хімічного чи електролітичного травлення, електролітичного полірування. Полірування може збільшити механічну міцність дроту вольфрамового на 20-25%.

Застосування
Вольфрамовий дріт використовується для виготовлення елементів опору в нагрівальних печах, що працюють в атмосфері водню, нейтрального газу або вакуумі при температурах до 3000 °С. Також дріт із вольфраму служить для виробництва термопар. Для цього використовуються вольфрам-ренієвий сплав з 5% ренію і вольфрам-ренієвий сплав з 20% ренію ( ВР 5/20).

У ГОСТ 18903-73“Дрот вольфрамовий. Сортамент” зазначені в галузі застосування дроту марок ВА, ВМ, ВРН, ВТ-7, ВТ-10, ВТ-15. Вольфрамовий дріт ВА залежно від групи, стану поверхні та металу, діаметра застосовується для виготовлення спіралей ламп розжарювання та інших джерел світла, спіралеподібних катодів та підігрівачів електронних приладів, пружин напівпровідникових приладів, петлевих підігрівачів, неспіралеподібних катодів, сеток. Дріт марки ВРН застосовується при отриманні вводів, траверсів та інших деталей приладів, що не потребують вольфраму зі спеціальними присадками.

§4. Вольфрамовий порошок

Чистий вольфрамовий порошок служить вихідною сировиною для компактного вольфраму (див. ). Карбід вольфраму WC, який на вигляд також являє собою порошок, використовують для виготовлення твердих сплавів.

Залежно від призначення порошки вольфраму розрізняють за середньою величиною частинок, набором зерен та іншими параметрами.

Основна домішка у вольфрамових порошках – кисень (0,05 – 0,3%). Металеві домішки містяться у вольфрамових порошках у дуже малих кількостях. Часто порошки вольфраму вводять присадки з інших металів, які покращують певні властивості кінцевого продукту. Як присадки часто використовують алюміній, торій, лантан та інші.

Вольфрамовий порошок ВА, який застосовується для виготовлення дроту, містить рівномірно розподілену кремнелужну та алюмінієву присадки (0,32% K 2 O; 0,45% SiO 2 ; 0,03% Al 2 O 3), порошок з тугоплавкого металу вольфрам марки ВТ - присадку окису торію (0,7 - 5%), ПЛ - присадку окису лантану (~1% La 2 O 3), ВІ - присадку окису ітрію (~3% Y 2 O 3), ВМ - кремнелужну і торієву присадки ( 0,32% K 2 O; 0,45% SiO 2 ; 0,25% ThO 2).

§5. Вольфрамові смуги (аркуші, стрічки, фольга, пластини)

Виробництво
Як правило, плоский прокат з вольфраму – листи, стрічки, пластини, фольга – отримують застосуванням двох операцій – плоске кування та прокатка. Як заготовка використовуються вольфрамові штабики різних розмірів.

Спочатку штабики з вольфраму зазнають плоского кування пневматичним молотом. Кування ведуть при температурі 1500-1700 °С, яка в міру деформації зменшується до 1200-1300 °С. Операція кування триває до отримання поковки товщиною 8-10 мм (при перетині штабика 25х25 мм) або 4-5 мм (при перетині штабика 12х12 мм).

Потім отримані поковки прокатують на прокатних станах. На початку процесу прокатки заготівлі нагрівають до 1300-1400 °З, потім знижують температуру до 1000-1200 °З. За допомогою гарячої прокатки отримують вольфрамові листи, стрічки та пластини завтовшки до 0,6 мм. Для отримання листів, стрічок та пластин меншого розміру проводять холодну прокатку. Для отримання тонких листів з вольфраму завтовшки до 0,125 мм та стрічки (фольги) завтовшки 0,02-0,03 мм застосовують прокатку в пакетах. Пакет складається з кількох вольфрамових стрічок рівної товщини та товстіших молібденових пластин, які лежать поверх стрічок із вольфраму. Молібденові пластини пластичніші і швидше деформуються, ніж вольфрамові. В результаті під час прокатки вони стають тоншими, ніж вольфрамові стрічки. Через один або кілька переходів молібденові пластини доводиться замінювати новими так, щоб товщина пакета залишалася приблизно постійною. Метою даного процесу є виготовлення саме тонкої вольфрамової стрічки (фольги). Молібденові пластини є витратним матеріалом, який необхідний для здійснення прокатки в пакетах.

Заготовками для вольфрамової стрічки, пластин і листів можуть служити зливки з вольфраму, які отримують методом плавки (див. ). Зливки попередньо пресують. Зі злитків діаметром 70-80 мм пресуванням отримують прямокутні заготовки товщиною 20-25 мм і шириною 50-60 мм. Потім заготовки деформують на двовалкові преси.

Вольфрамові листи В-МП
Вольфрамові листи В-МП набули широкого поширення в промисловості. Вони виготовляються з порошку вольфраму марок ПВ1 та ПВ2, що містить 99,98% W. Листи та пластини В-МП повинні мати товщину 0,5-45 мм, обрізані кромки. Листи можуть бути механічно оброблені відповідно до вимог замовника. ГОСТ 23922-79“Листи із вольфраму марки В-МП. Технічні умови".

Застосування
Завдяки високій жароміцності вольфрамові листи, як і інша продукція з даного тугоплавкого металу, застосовуються в умовах екстремально високих температур. З вольфрамових листів виготовляється різне оснащення для високотемпературних печей – теплові екрани, підставки та інші елементи кріплення. Розпорошені мішені з вольфраму, які виконані у вигляді пластин, використовуються для тонких плівок бар'єрних при металізації напівпровідникових компонентів інтегральних схем. В ядерній енергетиці вольфрамові листи використовуються як екрани для ослаблення потоку радіоактивного випромінювання.

§6. Сплави вольфраму з ренієм

В окремий параграф варто винести сплави вольфраму з ренієм та продукцію з цих сплавів. Докладніше тут будуть розглянуті сплави марок ВР5 та ВР20.

Сплави двох даних металів відносяться до жароміцних. Легування вольфраму іншими металами знижує температуру його плавлення. Але при легуванні тугоплавким металом температура плавлення металу знижується негаразд значно. Вольфрам (W) та реній (Re) - тугоплавкі метали.

При використанні ренію як присадка спостерігається “ренієвий ефект”. 5% ренію підвищують жароміцність і пластичність вольфраму. При 20-30% вмісту ренію спостерігається оптимальне поєднання міцності та пластичності з високою технологічністю. Також до переваг вольфрам-ренієвих сплавів можна віднести малу швидкість випаровування при температурах експлуатації та високий електричний опір.

Сплави вольфраму з ренієм, як і компактний вольфрам, отримують методами порошкової металургії та плавки.

Цікавою сферою застосування цих сплавів є вимірювання температури. Вольфрамо-ренієвий дріт ВР5 (5% Re, інше - W) і ВР20 (20% Re, інше - W) використовуються для виготовлення високотемпературних термопар.

Основною перевагою таких термопар є діапазон вимірюваних температур. Оскільки сплави ВР 5/20є жароміцними, то за допомогою термопар, виготовлених з відповідного дроту, можна вимірювати температури більше 2000 °С. Однак термопари цього виду повинні бути в інертному середовищі.

Найбільш часто для виготовлення термопар використовується вольфраморенієвий термоелектродний дріт ВР5, ВР20 Ø 0,2; 0,35; 0,5мм.

§7. Карбіди вольфраму

Дуже важливими з практичної точки зору є сполуки вольфраму з вуглецем - карбіди вольфраму. Вольфрам утворює два карбіди - W 2 C і WC. Зазначені карбіди відрізняються розчинністю в карбідах інших тугоплавких металів та хімічною поведінкою в різних кислотах. Карбіди вольфраму, подібно до карбідів інших тугоплавких металів, мають металеву провідність і позитивний коефіцієнт електроопору. Тугоплавкість і висока твердість карбідів обумовлені міцними міжатомними зв'язками у кристалах. Причому висока твердість карбіду WC зберігається при підвищених температурах.

Найбільш поширений спосіб отримання карбідів вольфраму WC і W 2 C - прожарювання суміші порошкоподібного вольфраму з сажею в інтервалі температур 1000-1500 °С.

Карбіди вольфраму WC та W 2 C застосовуються в основному для виготовлення твердих сплавів.

Тверді сплави
Можна виділити 2 групи твердих сплавів на основі карбіду вольфраму:

• литі тверді сплави (часто звані литими карбідами вольфраму);
• спечені тверді сплави.

Литі тверді сплавиодержують методом лиття. Для отримання сплаву зазвичай виходять із порошкоподібного вольфраму, карбіду з недоліком вуглецю (до 3% C) або суміші WC + W, в якій вміст вуглецю не перевищує 3%. Дрібнозерниста структура карбідів даного типу забезпечує більш високу твердість та зносостійкість сплаву. Однак литі сплави досить тендітні. Ця обставина обмежує їхнє застосування. Головним чином, литі тверді сплави застосовують при виготовленні бурових інструментів і волок для тонкого волочіння дроту.

Спечені тверді сплавипоєднують у собі монокарбид вольфраму WC і цементуючий метал-зв'язку, яким зазвичай служить кобальт, рідше - нікель. Такі сплави можуть бути отримані лише методом порошкової металургії. Порошок карбіду вольфраму і порошок кобальту або нікелю змішують, пресують вироби необхідної форми, а потім спікають при температурах близьких до температури плавлення цементуючого металу. Крім високої твердості та зносостійкості дані сплави мають гарну міцність. Спечені тверді сплави є продуктивними сучасними інструментальними матеріалами для обробки металів різанням. Також вони використовують для виготовлення волокон, штампів, бурового інструменту. Серед твердих сплавів, для виробництва яких використовується карбід вольфраму, варто виділити сплави групи ВК - тверді вольфрамокобальтові сплави. Широкого поширення у промисловості набули сплави ВК8та ВК6. З них виготовляють різці, свердла, фрези, а також інший різальний та буровий інструмент.

Висновок

У цій статті розглянуто різні аспекти, пов'язані з тугоплавким металом ВОЛЬФРАМ - властивості, сфери застосування, виробництво, продукція.

Як описано у статті, процес отримання даного металу складається з багатьох стадій і є досить трудомістким. Автори постаралися виділити найважливіші етапи виробництва вольфраму і звернути увагу до важливі особливості.

Огляд властивостей та сфер застосування вольфраму показує, що це дуже важливий матеріал, без якого в деяких галузях промисловості просто неможливо обійтися. Він має унікальні властивості, які в деяких ситуаціях не можна отримати шляхом застосування інших матеріалів.

Огляд продукції, що випускається з вольфраму - дроту, прутків, листів, порошку - дозволяє краще зрозуміти її особливості, важливі властивості і конкретні застосування.

Властивості вольфраму

Вольфрам- Це метал. Його немає у воді морів, немає у повітрі, та й у земній корі всього 0,0055%. Такий вольфрам, елемент, що стоїть на 74-ій позиції у . Для промисловості його відкрила Всесвітня виставка у французькій столиці. Вона відбулася 1900-го року. В експозиції було представлено сталь з додаванням вольфраму.

Склад був настільки твердим, що міг розрізати будь-який матеріал. залишався «непереможним» навіть за температур в тисячі градусів, тому був названий червоностійким. Виробники різних країн, які відвідали виставку, взяли розробку на озброєння. Виробництво лігованої сталі набуло світового масштабу.

Цікаво, що сам елемент виявили ще у 18 столітті. 1781-го Швед Шеелер проводив досліди з мінералом тунгстен. Хімік вирішив помістити його до азотної кислоти. У продуктах розкладання вчений і виявив невідомий метал сірого кольору із сріблястим відливом. Мінерал, над яким проводилися досліди, пізніше перейменували на шеєліт, а новий елемент назвали вольфрам.

Проте, вивчення його властивостей пішло чимало часу, тому гідне застосування металу знайшли набагато пізніше. Назву ж обрали одразу. Слово вольфраміснувало і раніше. Іспанці називали так один із мінералів, що зустрічалися на родовищах країни.

До складу каменю дійсно входив елемент №74. Зовні метал пористий, ніби спінений. Тому припала до речі ще одна аналогія. У німецькій мові вольфрам буквально означає «вовча піна».

Температура плавлення металу змагається з воднем, а він – найстійкіший до температур елемент. Тому, і встановити показник розм'якшення вольфрамуне могли цілих сто років. Не було печей, здатних розжарюватися до кількох тисяч градусів.

Коли ж «вигоду» сріблясто-сірого елемента «розкусили», його почали добувати у промислових масштабах. Для виставки 1900-го року метал витягли по-старому за допомогою азотної кислоти. Втім, фольфрам і нині так видобувають.

Видобуток вольфраму

Найчастіше спочатку отримують з відходів руд триоксид речовини. Його при 700 градусах обробляють, отримуючи чистий метал у вигляді пилу. Щоб розм'якшити частки доводиться вдаватися до водню. У ньому-то вольфрам переплавляютьза трьох тисяч градусів Цельсія.

Сплав йде на різці, труборізи, фрези. для обробки металів з застосуванням вольфрамупідвищують точність виготовлення деталей. При дії на металеві поверхні високо тертя, а це означає, що робочі поверхні сильно нагріваються. Ріжучі та поліруючі верстати без елемента №74 можуть і самі оплавиться. Це робить зріз неточним, недосконалим.

Вольфрам не тільки складно розплавити, а й обробити. У шкалі твердості метал посідає дев'яту позицію. Стільки ж балів у корунду, з крихти якого роблять, наприклад, ніжочку. Тверше лише алмаз. Тому з його допомогою вольфрам і обробляють.

Застосування вольфраму

«Непохитність» 74-го елемента приваблює . Вироби із сплавів із сіро-сріблястим металом неможливо подряпати, зігнути, поламати, якщо, звичайно, не скребти по поверхні або тими самими діамантами.

У ювелірних прикрас із фольфраму є і ще один безперечний плюс. Вони не викликають алергічних реакцій, на відміну від золота, срібла, платини і, тим більше, їх сплавів або . Для прикрас використовують карбід вольфраму, тобто його з'єднання з вуглецем.

Воно визнано найтвердішим сплавом історія людства. Його відполірована поверхня чудово відбиває світло. Ювеліри називають її «сірим дзеркалом».

До речі, ювелірних справ майстри звернули увагу на вольфрампісля того, як з цієї речовини в середині 20-го століття стали виготовляти серцевини куль, снарядів та пластини для бронежилетів.

Скарги клієнтів на ламкість вищих проб та срібних прикрас, змусили ювелірів згадати про новий елемент та спробувати його застосувати у своїй галузі. До того ж, ціни не стали вагатися. Вольфрам став альтернативою жовтому металу, який перестали сприймати як предмет капіталовкладення.

Будучи дорогоцінним металом, вольфрам стоїтьчималих грошей. За кілограм просять не менше 50 доларів на оптовому ринку. За рік світова промисловість витрачає 30 тисяч тонн елемента №74. Понад 90% поглинає металургійна галузь.

Тільки з вольфраму виготовляютьконтейнери для зберігання відходів ядерного виробництва Метал не пропускає згубних променів. Рідкісний елемент додають у сплави для виготовлення хірургічних інструментів.

Те, що не йде на металургійну мету, забирає хімічна промисловість. З'єднання вольфраму з фосфором, наприклад, - основа лаків та фарб. Вони не руйнуються, не тьмяніють від сонячних променів.

А розчин вольфромату натріюне піддається волозі та вогню. Стає ясно, чим просочують водонепроникні та вогнетривкі тканини для костюмів водолазів та пожежників.

Родовища вольфраму

У Росії кілька родовищ вольфраму. Вони розташовані на Алтаї, Далекому Сході, Північному Кавказі, Чукотки та Бурятії. За межами країни метал видобувають в Австралії, США, Болівії, Португалії, Південній Кореї та КНР.

У Піднебесній навіть є легенда про молодого дослідника, котрий приїхав до Китаю шукати олов'яний камінь. Студент оселився в одному із будинків Пекіна.

Після безплідних пошуків, хлопець любив послухати оповідання дочки господаря оселі. Одного вечора вона розповіла історію темного каміння, з якого було складено домашню піч. Виявилося, що брили падають зі скелі на задній двір будівлі. Так, студент не знайшов, зате знайшов вольфрам.

Хімія

Елемент № 74 вольфрам зараховують зазвичай до рідкісних металів: його вміст у земній корі оцінюється 0,0055%; його немає в морській воді, його не вдалося виявити у сонячному спектрі. Однак за популярністю він може посперечатися з багатьма аж ніяк не рідкісними металами, а його мінерали були відомі задовго до відкриття самого елемента. Так, ще XVII в. у багатьох європейських країнах знали «вольфрам» і «тунгстен» – так називали тоді найпоширеніші мінерали вольфраму – вольфраміт та шеєліт. А елементарний вольфрам було відкрито в останній чверті XVIII ст..

Вольфрамова руда

Незабаром цей метал набув практичного значення - як легуюча добавка. А після Всесвітньої виставки 1900 р. в Парижі, де демонструвалися зразки швидкорізальної вольфрамової сталі, елемент № 74 стали застосовувати металурги в усіх більш-менш промислово розвинених країнах. Головна особливість вольфраму як легуючої добавки полягає в тому, що він надає сталі червоностійкості – дозволяє зберегти твердість та міцність при високій температурі. Більш того, більшість сталей при охолодженні на повітрі (після витримки при температурі, близькій до температури червоного гартування) втрачають твердість. А вольфрамові – ні.
Інструмент, виготовлений із вольфрамової сталі, витримує величезні швидкості найінтенсивніших процесів металообробки. Швидкість різання таким інструментом вимірюється десятками метрів за секунду.
Сучасні швидкорізальні сталі містять до 18% вольфраму (або вольфраму з молібденом), 2-7% хрому та невелику кількість кобальту. Вони зберігають твердість при 700-800 ° С, в той час як звичайна сталь починає розм'якшуватися при нагріванні всього до 200 ° С. Ще більшу твердість мають «стеліти» - сплави
вольфрама з хромом та кобальтом (без заліза) і особливо карбіди вольфраму – його сполуки з вуглецем. Сплав «видна» (карбід вольфраму, 5-15% кобальту і невелика домішка карбіду титану) в 1,3 рази твердіше звичайної вольфрамової сталі і зберігає твердість до 1000-1100 ° С. Різцями з цього сплаву можна знімати за хвилину20 м залізної стружки. Ними можна швидко і точно обробляти «капризні» матеріали: бронзу та порцеляну, скло та ебоніт; при цьому сам інструмент зношується зовсім небагато.
На початку XX ст. вольфрамову нитку стали застосовувати в електричних лампочках: вона дозволяє доводити розжарення до 2200 ° С і має велику світловіддачу. І в цій якості вольфрам абсолютно незамінний до наших днів. Очевидно, тому електрична лампочка названа в одній популярній пісні «вічком вольфрамовим».

Мінерали та руди вольфраму

Вольфрам зустрічається в природі головним чином у вигляді окислених складних сполук, утворених триокису вольфраму WO 3 і окислами заліза і марганцю або кальцію, а іноді свинцю, міді, торію і рідкісноземельних елементів. Найбільш поширений мінерал, вольфраміт, являє собою твердий розчин вольфраматів (солей вольфрамової кислоти) заліза та марганцю (mFeW0 4 *nMnW0 4). Цей розчин - важкі та тверді кристали коричневого або чорного кольору, залежно від того, яке з'єднання переважає в їхньому складі. Якщо більше побнерита (сполуки марганцю), кристали чорні, якщо переважає залізовмісний ферберит - коричневі. Вольфраміт парамагнітний і добре проводить електричний струм.
З інших мінералів вольфраму промислове значення має шеєліт – вольфрамат кальцію CaW04. Він утворює блискучі, як скло, кристали світло-жовтого, іноді майже білого кольору. Шеєліт немагнітний, але він має іншу характерну особливість - здатність до люмінесценції. Якщо його висвітлити ультрафіолетовими променями, він флуоресціює у темряві яскраво-синім кольором. Домішка молібдену змінює забарвлення світіння шееліту: воно стає блідо-синім, а іноді навіть кремовим. Ця властивість шееліту, що використовується в геологічній розвідці, є пошуковою ознакою, що дозволяє виявити поклади мінералу.
Родовища вольфрамових руд теологічно пов'язані з областями поширення гранітів. Найбільші зарубіжні родовища вольфраміту та шееліту знаходяться у Китаї, Бірмі, США, Болівії та Португалії. Наша країна теж має значні запаси мінералів вольфраму, головні їх родовища знаходяться на Уралі, Кавказі та в Забайкаллі.
Великі кристали вольфраміту чи шееліту - велика рідкість. Зазвичай вольфрамові мінерали лише вкраплені в древні гранітні породи - середня концентрація вольфраму в результаті виявляється у разі 1-2%. Тому витягти вольфрам із руд дуже важко.

Як отримують вольфрам

Перша стадія – збагачення руди, відокремлення цінних компонентів від основної маси – порожньої породи. Методи збагачення - звичайні для важких руд і металів: подрібнення та флотація з наступними операціями - магнітною сепарацією (для вольфрамітіих руд) та окислювальним випалом.
Отриманий концентрат найчастіше спікають із надлишком соди, щоб перевести вольфрам в розчинну сполуку - вольфрамат натрію. Інший спосіб отримання цієї речовини - вилуговування; вольфрам витягують содовим розчином під тиском і при підвищеній температурі (процес йде в автоклаві) з подальшою нейтралізацією та осадженням у вигляді штучного шееліту, тобто вольфрамату кальцію. Прагнення отримати саме вольфрамат пояснюється тим, що з нього порівняно просто, лише у дві стадії:
CaW0 4 → H 2 W0 4 або (NH 4) 2 W0 4 → WO 3 можна виділити очищений від більшої частини домішок оксид вольфраму.
Є ще один спосіб отримання окису вольфраму – через хлориди. Вольфрамовий концентрат за підвищеної температури обробляють газоподібним хлором. Хлориди вольфраму, що утворилися, досить легко відокремити від хлоридів інших металів методом сублімації, використовуючи різницю температур, при яких ці речовини переходять у пароподібний стан. Отримані хлориди вольфраму можна перетворити на оксид, а можна пустити безпосередньо на переробку елементарний метал.

Перетворення оксидів або хлоридів на метал - наступна стадія виробництва вольфраму. Найкращий відновник окису вольфраму - водень. При відновленні воднем виходить найчистіший металевий вольфрам. Процес відновлення відбувається в трубчастих печах, нагрітих таким чином, що в міру просування трубою «човник» з W0 3 проходить через кілька температурних зон. Назустріч їй іде потік сухого водню. Відновлення відбувається і в холодних (450-600 ° С) і в гарячих (750-1100 ° С) зонах; в «холодних» - до нижчого оксиду W0 2 далі - до елементарного металу. Залежно від температури і тривалості реакції в гарячій зоні змінюються чистота і розміри зерен, що виділяється на стінках човники порошкоподібного вольфраму.
Відновлення може бути не тільки під дією водню. Насправді часто використовується вугілля. Застосування твердого відновника дещо спрощує виробництво, проте в цьому випадку потрібна більш висока температура - до 1300-1400 ° С. Крім того, вугілля та домішки, які він завжди містить, вступають у реакції з вольфрамом, утворюючи карбіди та інші сполуки. Це призводить до забруднення металу. Тим часом електротехніці потрібен чистий вольфрам. Усього 0,1% заліза робить вольфрам тендітним і малопридатним виготовлення найтоншого дроту.
Одержання вольфраму з хлоридів ґрунтується на процесі піролізу. Вольфрам утворює із хлором кілька сполук. За допомогою надлишку хлору всі їх можна перевести у вищий хлорид - WCl 6 який розкладається на вольфрам і хлор при 1600 ° С. У присутності водню цей процес йде вже при 1000 ° С.
Так отримують металевий вольфрам, але не компактний, а у вигляді порошку, який потім пресують струм водню при високій температурі. На першій стадії пресування (при нагріванні до 1100-1300 ° С) утворюється ламкий пористий злиток. Пресування продовжується при ще більш високій температурі, що ледь не досягає під кінець температури плавлення вольфраму. У цих умовах метал поступово стає суцільним, набуває волокнистої структури, а з нею - пластичність і ковкість.

Основні характеристики

Вольфрам відрізняється від решти металів особливою вагою, твердістю і тугоплавкістю. Давно відомий вислів: «Важкий, як свинець». Правильніше було б говорити: «Важкий, як вольфрам». Щільність вольфраму майже вдвічі більша, ніж свинцю, точніше – в 1,7 раза. При цьому атомна маса його дещо нижча: 184 проти 207.

За тугоплавкістю та твердістю вольфрам та його сплави займають вищі місця серед металів. Технічно чистий вольфрам плавиться при 3410 ° С, а кипить лише при 6690 ° С. Така температура - на поверхні Сонця!
А виглядає «король тугоплавкості» досить простий. Колір вольфраму значною мірою залежить від способу одержання. Сплавлений вольфрам - блискучий сірий метал, що найбільше нагадує платину. Вольфрамовий порошок - сірий, темно-сірий і навіть чорний (ніж дрібніше зерна, тим темніше).

Хімічна активність

Природний вольфрам складається з п'яти стабільних ізотопів з масовими числами від 180 до 186. Крім того, в атомних реакторах внаслідок різних ядерних реакцій утворюються ще 8 радіоактивних ізотопів вольфраму з масовими числами від 176 до 188; всі вони порівняно недовговічні: їх періоди напіврозпаду - від кількох годин за кілька місяців.
Сімдесят чотири електрони вольфрамового атома розташовані навколо ядра таким чином, що шість з них знаходяться на зовнішніх орбітах і можуть бути відокремлені порівняно легко. Тому максимальна валентність вольфраму дорівнює шести. Однак будова цих зовнішніх орбіт особлива - вони складаються як би з двох «ярусів»: чотири електрони належать передостанньому рівню -d, який виявляється таким чином заповненим менше ніж наполовину. (Відомо, що число електронів у заповненому рівні d дорівнює десяти.) Ці чотири електрони (очевидно, неспоріпні) здатні легко утворювати хімічний зв'язок. Що ж до двох «найзовнішніх» електронів, то їх відірвати дуже легко.
Саме особливостями будови електронної оболонки пояснюється висока хімічна активність вольфраму. У з'єднаннях він буває не тільки шестивалентним, а й п'яти-, чотири-, три-, дво- та нульвалентним. (Невідомі лише сполуки одновалентного вольфраму).
Активність вольфраму проявляється в тому, що він вступає в реакції з основним болішинстом елементів, утворюючи безліч простих і складних сполук. Навіть у сплавах вольфрам часто виявляється хімічно пов'язаним. А з киснем та іншими окислювачами він взаємодіє легше, ніж більшість важких металів.
Реакція вольфраму з киснем відбувається при нагріванні, особливо легко - у присутності водяної пари. Якщо вольфрам нагрівати повітря, то при 400-500° З поверхні металу утворюється стійкий нижчий оксид W0 2 ; вся поверхня затягується коричневою плівкою. При більш високій температурі спочатку виходить проміжний окис W 4 O 11 синього кольору, а потім лимонножовтий триокис вольфраму W0 3 яка виганяється при 923° С.

Сухий фтор з'єднується з тонкоподрібненим вольфрамом вже за невеликого нагрівання. При цьому утворюється гексафторид WF6 - речовина, яка плавиться при 2,5 ° С і кипить при 19,5 ° С. Аналогічна сполука - WCl 6 - виходить при реакції з хлором, але лише при 600 ° С. Синьо-стального кольору кристали WCl 6 плавляться при 275 ° С і киплять при 347 ° С. З бромом і йодом вольфрам утворює малостійкі сполуки: пента-і дібромід, тетра-і дііоднд.
При високій температурі вольфрам з'єднується з сіркою, селеном і телуром, азотом і бором, з вуглецем і кремнієм. Деякі з цих сполук відрізняються великою твердістю та іншими чудовими властивостями.
Дуже цікавий карбоніл W(CO) 6 . Тут вольфрам з'єднаний з окисом вуглецю і, отже, має нульову валентність. Карбоніл вольфраму нестійкий; його одержують у спеціальних умовах. При 0 ° він виділяється з відповідного розчину у вигляді безбарвних кристалів, при 50 ° С виганяється, а при 100 ° С повністю розкладається. Але саме це з'єднання дозволяє отримати тонкі та щільні покриття із чистого вольфраму.
Не тільки сам вольфрам, а й багато його сполук дуже активні. Зокрема, оксид вольфраму WO 3 здатна до полімеризації. В результаті утворюються так звані ізополісполуки та гетерополісполуки: молекули останніх можуть містити понад 50 атомів.

Сплави

Майже з усіма металами вольфрам утворює метали, але отримати їх не так просто. Справа в тому, що загальноприйняті методи сплавлення в даному випадку, як правило, є непридатними. При температурі плавлення вольфраму більшість інших металів вже перетворюється на гази або дуже леткі рідини. Тому сплави, що містять вольфрам, зазвичай одержують методами порошкової металургії.
Щоб уникнути окислення, всі операції проводять у вакуумі або в атмосфері аргону. Робиться це так. Спочатку суміш металевих порошків пресують, потім спікають і піддають дуговій плавці електричних печах. Іноді пресують і спікають один порошок вольфрамовий, а отриману таким шляхом пористу заготовку просочують рідким розплавом іншого металу: виходять так звані псевдосплави. Цим методом користуються, коли потрібно отримати сплав вольфраму з міддю та сріблом.

З хромом і молібденом, ніобієм та танталом вольфрам дає звичайні (гомогенні) сплави за будь-яких співвідношень. Вже невеликі добавки вольфраму підвищують твердість цих металів та їхню стійкість до окислення.
Сплави із залізом, нікелем та кобальтом складніші. Тут, залежно від співвідношення компонентів, утворюються або тверді розчини, або інтерметалеві сполуки (хімічні сполуки металів), а в присутності вуглецю (який завжди є в сталі) - змішані карбіди вольфраму та заліза, що надають металу ще більшої твердості.
Дуже складні сполуки утворюються при сплавленні вольфраму з алюмінієм, бериллієм і титаном: в них один атом вольфраму припадає від 2 до 12 атомів легкого металу. Ці сплави відрізняються жароміцністю та стійкістю до окислення за високої температури.
На практиці найчастіше застосовуються сплави вольфраму не з одним будь-яким металом, а з кількома. Такі, зокрема, кислотостійкі сплави вольфраму з хромом та кобальтом або нікелем (амалою); їх роблять хірургічні інструменти. Кращі марки магнітної сталі містять вольфрам, залізо та кобальт. А в спеціальних жароміцних сплавах, крім вольфраму, є хром, нікель та алюміній.
З усіх сплавів вольфраму найбільшого значення набули вольфрамовмісні сталі. Вони стійкі до стирання, не дають тріщин, зберігають твердість до температури червоного гартування. Інструмент з них не тільки дозволяє різко інтенсифікувати процеси металообробки (швидкість обробки металевих виробів підвищується в 10-15 разів), а й служить набагато довше, ніж той самий інструмент з іншої сталі.
Вольфрамові сплави не тільки жароміцні, а й жаростійкі. Вони не кородирують при високій температурі під дією повітря, вологи та різних хімічних реагентів. Зокрема, 10% вольфраму, введеного в нікель, достатньо, щоб підвищити корозійну стійкість останнього у 12 разів! А карбіди вольфраму з добавкою карбідів танталу та титану, зцементовані кобальтом, стійкі до дії багатьох кислот – азотної, сірчаної та соляної – навіть при кип'ятінні. Їм небезпечна лише суміш плавикової та азотної кислот.

Вольфрам у сучасній техніці відіграє винятково важливу роль. Він застосовується в сталеливарній промисловості, при виробництві твердих сплавів, при виробництві кислототривких та інших спеціальних сплавів, в електротехніці, при виробництві барвників, як хімічні реактиви та ін.

Близько 70% всього вольфраму, що видобувається, йде на виробництво феровольфраму, у вигляді якого він вводиться в сталь. У найбагатших вольфрамом і найпоширеніших вольфрамових сталях (у швидкорізальних) вольфрам утворює складні вольфрамовмісні карбіди, що збільшують твердість сталі, особливо при підвищених температурах (червоностійкість), Відомо, що введення в практику роботи металообробних заводів різців зі сталі, що містить вольфрам багато разів збільшити швидкість різання. В даний час різці з швидкорізальної сталі поступаються місцем різцям з металокерамічних твердих сплавів, що виготовляються на основі карбіду вольфраму з додаванням цементуючої добавки. У деякі тверді сплави вводяться також карбіди титану, танталу і ніобію. Сучасні швидкості різання, досягнуті новаторами виробництва, отримані саме з різцями з твердих сплавів. Звертають на себе увагу сплави вольфраму, що володіють підвищеною жароміцністю: наприклад, добавка 1% ніобію, танталу, молібдену, що утворюють з вольфрамом твердий розчин, підвищує температуру плавлення металу вище 3300 °C., тоді як добавка 1% заліза, дуже мало розчинного знижує температуру плавлення до 1640°C. У широко розгорнуті дослідження у цій галузі.

Металевий вольфрам знаходить різноманітне застосування в електро- та рентгенотехніці. З вольфраму виготовляють нитки розжарення електричних ламп. Вольфрам для цієї мети особливо придатний завдяки великій тугоплавкості і дуже малої летючості: при температурах близько 2500 ° C, при яких працюють нитки напруження, еластичність вольфраму не досягає 1 мм рт.ст. З металевого вольфраму виготовляють також нагрівачі для електричних печей, що витримують температури до 3000°C. Тонкі вольфрамові нитки використовуються в гальванометрах. Подібні нитки застосовуються для хірургічних цілей. Нарешті, з металевого вольфраму виготовляються різні спіральні пружини, а також деталі, для яких потрібний матеріал, стійкий до різних хімічних впливів.

З'єднання вольфраму застосовувалися дуже широко як барвники. У Китаї збереглися старовинні вироби з порцеляни, пофарбованої в незвичайний колір "персика", дослідження показали, що фарба містить вольфрам.

Солі вольфраму застосовуються для надання вогнестійкості деяким тканинам. Тяжкі дорогі шовки завдячують своєю красою вольфрамовим солям, якими вони просякнуті.

Чисті вольфрамові препарати застосовуються у хімічному аналізі як реактиви на алкалоїди та інші речовини. З'єднання вольфраму застосовуються також як каталізатори.

1. Ми пропонуємо наступну продукцію з вольфраму: вольфрамовий смугу, вольфрамовий дріт, вольфрамовий пруток, вольфрамовий штабик.

Застосування чистого металу і вольфрамовмісних сплавів засноване, головним чином, на їх тугоплавкості, твердості та хімічної стійкості. Чистий вольфрам використовується для виготовлення ниток електричних ламп розжарювання та електронно-променевих трубок, у виробництві тиглів для випаровування металів, контактах автомобільних розподільників запалювання, в мішені рентгенівських трубок; як обмотки та нагрівальні елементи електричних печей та як конструкційний матеріал для космічних та інших апаратів, що експлуатуються при високих температурах. Швидкорізальні сталі (17,5-18,5% вольфраму), стелліт (на основі кобальту з додаванням Cr, W, С), хастали (нержавіюча сталь на основі Ni) та багато інших сплавів містять вольфрам. Основою при виробництві інструментальних та жароміцних сплавів є феровольфрам (68-86% W, до 7% Mo і залізо), що легко виходить прямим відновленням вольфрамітового або шеєлітового концентратів. «Переможе» - дуже твердий сплав, що містить 80-87% вольфраму, 6-15% кобальту, 5-7% вуглецю, незамінний в обробці металів, у гірничій та нафтовидобувній промисловості.

Вольфрамати кальцію та магнію широко використовуються у флуоресцентних пристроях, інші солі вольфраму використовуються у хімічній та дубильній промисловості. Дисульфід вольфраму є сухим високотемпературним мастилом, стабільним до 500° С. Вольфрамові бронзи та інші сполуки елемента застосовуються у виготовленні фарб. Багато сполук вольфраму є відмінними каталізаторами.

Довгі роки з моменту відкриття вольфрам залишався лабораторною рідкістю, лише в 1847 році Оксланд отримав патент на виробництво вольфрамату натрію, вольфрамової кислоти і вольфраму з каситериту (олов'яного каменю). Другий патент, отриманий Оксландом в 1857, описував виробництво залізо-вольфрамових сплавів, які становлять основу сучасних швидкорізальних сталей.

У середині 19 в. робилися перші спроби використати вольфрам у виробництві сталі, проте довгий час не вдавалося впровадити ці розробки у промисловість через високу ціну на метал. Зростаюча потреба у легованих та високоміцних сталях призвела до запуску виробництва швидкорізальних сталей на фірмі «Віфлеємська Сталь» (Bethlehem Steel). Зразки цих сплавів були вперше представлені в 1900 році на Всесвітній виставці в Парижі.

Технологія виготовлення вольфрамових ниток та її історія.

Обсяги виробництва дроту вольфрамового мають невелику частку серед усіх галузей застосування вольфраму, але розвиток технології її отримання відіграло ключову роль у розвитку порошкової металургії тугоплавких сполук.

З 1878 року, коли Свон продемонстрував у Ньюкастлі винайдені ним восьми- і шістнадцятисвічкові вугільні лампи, йшов пошук більш відповідного матеріалу для виготовлення ниток розжарювання. Перша вугільна лампа мала ефективність всього 1 люмен/ват, яка була збільшена в наступні 20 років модифікацією методів обробки вугілля в два з половиною рази. До 1898 року світловіддача таких лампочок становила 3 ​​люмен/ват. Вугільні нитки тоді нагрівалися пропусканням електричного струму в атмосфері парів важких вуглеводнів. При піролізі останніх утворюється вуглець заповнював пори і нерівності нитки, надаючи їй яскравого металевого блиску.

Наприкінці 19 ст. фон Вельсбах уперше виготовив металеву нитку для ламп розжарювання Він зробив її з осмію (Т пл = 2700 ° С). Осмієві нитки мали ефективність 6 люмен/ват, проте, осмій - рідкісний і надзвичайно дорогий елемент платинової групи, тому широкого застосування у виготовленні побутових пристроїв не знайшов. Тантал із температурою плавлення 2996° З широко використовувався як витягнутого дроту з 1903 по 1911 завдяки роботам фон Болтона з фірми Сіменс і Хальске. Ефективність танталових ламп становила 7 люмен/ват.

Вольфрам почав застосовуватися в лампах розжарювання в 1904 і витіснив у цій якості всі інші метали до 1911. Звичайна лампа розжарювання з вольфрамовою ниткою має світіння 12 люмен/ват, а лампи, що працюють під високою напругою - 22 люмен/ват. Сучасні флуоресцентні лампи з вольфрамовим катодом мають ефективність близько 50 люмен/ват.

У 1904 році на фірмі «Сіменс-Хальське» спробували застосувати розроблений для танталу процес волочіння дроту для більш тугоплавких металів, таких як вольфрам і торій. Жорсткість та недолік ковкості вольфраму не дозволили гладко провести процес. Тим не менш, пізніше, в 1913-1914, було показано, що розплавлений вольфрам може бути розкочений і витягнутий з використанням процедури часткового відновлення. Електричну дугу пропускали між вольфрамовим стрижнем і частково розплавленою вольфрамовою крапелькою, поміщеною в графітовий тигель, покритий зсередини вольфрамовим порошком і водню, що знаходиться в атмосфері. Тим самим було отримано невеликі краплі розплавленого вольфраму, близько 10 мм у діаметрі та 20-30 мм у довжину. Хоч і важко, але з ними вже можна було працювати.

У ті роки Юст і Ханнаман запатентували процес виготовлення вольфрамових ниток. Тонкий металевий порошок змішувався з органічним сполучним, отримана паста пропускалася через фільєри і нагрівалася у спеціальній атмосфері видалення сполучного, у своїй виходила тонка нитка чистого вольфраму.

У 1906-1907 рр. був розроблений добре відомий процес екструзії, що застосовувався до початку 1910-х. Чорний вольфрамовий порошок дуже тонкого помелу поєднувався з декстрином або крохмалем до утворення пластичної маси. Гідравлічним тиском ця маса продавлювалася через тонкі діамантові сита. Нитка, що виходить таким чином, виявлялася досить міцною для того, щоб бути намотаною на котушки і висушеною. Далі нитки розрізалися на «шпильки», які нагрівалися в атмосфері інертного газу до температури червоного жару для видалення залишків вологи та легких вуглеводнів. Кожна "шпилька" закріплювалася в затиску і нагрівалася в атмосфері водню до яскравого свічення пропусканням електричного струму. Це призводило до остаточного видалення небажаних домішок. При високих температурах окремі дрібні частинки вольфраму сплавляються і утворюють тверду однорідну металеву нитку. Ці нитки еластичні, хоч і крихкі.

На початку 20 ст. Юст і Ханнаман розробили інший процес, який вирізняється своєю оригінальністю. Вугільна нитка діаметром 0,02 мм покривалася вольфрамом шляхом розжарювання в атмосфері водню та парів гексахлориду вольфраму. Вкрита таким чином нитка нагрівалася до яскравого свічення у водні при зниженому тиску. При цьому вольфрамова оболонка та вуглецеве ядро ​​повністю сплавлялися один з одним, утворюючи карбід вольфраму. Нитка, що виходила, мала білий колір і була крихкою. Далі нитка нагрівалася у струмі водню, який взаємодіяв із вуглецем, залишаючи компактну нитку із чистого вольфраму. Нитки мали ті ж характеристики, що і отримані в процесі екструзії.

У 1909 р. американцю Куліджувдалося отримати ковкий вольфрам без застосування наповнювачів, а лише за допомогою розумної температурної та механічної обробки. Основна проблема в отриманні вольфрамового дроту полягала в швидкому окисленні вольфраму при високих температурах і наявності зернистої структури в вольфрамі, що виходить, що призводила до його крихкості.

Сучасне виробництво вольфрамового дроту є складним та точним технологічним процесом. Вихідною сировиною служить порошковий вольфрам, що отримується відновленням паравольфрамату амонію.

Вольфрамовий порошок, який застосовується для виробництва дроту, повинен мати високу чистоту. Зазвичай змішують порошки вольфраму різного походження, щоб усереднити якість металу. Змішуються вони в млинах і щоб уникнути окислення нагрітого тертям металу в камеру пропускають потік азоту. Потім порошок пресується у сталевих прес-формах на гідравлічних чи пневматичних пресах (5-25 кг/мм 2). У разі використання забруднених порошків, пресування виходить крихким, і для усунення цього ефекту додається органічне сполучне, що повністю окислюється. На наступній стадії проводиться попереднє спікання штабиків. При нагріванні та охолодженні пресувань у потоці водню їх механічні властивості покращуються. Пресування ще залишаються досить крихкими, і їх щільність становить 60-70% від щільності вольфраму, тому штабики піддають високотемпературному спіканню. Штабик затискається між контактами, що охолоджуються водою, і в атмосфері сухого водню через нього пропускається струм для нагрівання його майже до температури плавлення. За рахунок нагрівання вольфрам спікається і його густина зростає до 85-95% від кристалічного, в той же час збільшуються розміри зерен, ростуть кристали вольфраму. Потім слідує кування при високій (1200-1500 ° С) температурі. У спеціальному апараті штабики пропускаються через камеру, яка стискається молотом. За одне пропускання діаметр штабу зменшується на 12%. При куванні кристали вольфраму подовжуються, створюється фібрилярна структура. Після кування слідує протяжка дроту. Стрижні змащуються та пропускаються через сита з алмазу або карбіду вольфраму. Ступінь витяжки залежить від призначення одержуваних виробів. Діаметр дроту становить близько 13 мкм.