Как определить вольфрам в домашних условиях

Из чего это сделано: вольфрам

Металл должен плавиться в печи — именно так рассуждали металлурги прошлого. Ведь только расплавленный металл можно отливать, а потом и обрабатывать. Представьте, каково было удивление, когда при переплавке оловянной руды происходило страшное: неизвестный металл, который совершенно не хотел плавиться, превращал ценную руду в пену из оловянных шлаков.

«Пожирает, как волк овцу» — говорили про неизвестный металл, который в итоге и получил свое неблагозвучное название вольфрам, то есть дословно «волчья пена» (Wolf Rahm). Долгое время он действительно считался вредным мусорным металлом и не использовался человеком.

Вольфрам довольно редок в земной коре, и сколько-нибудь значимые запасы вольфрамовых руд есть в Китае, на территории России, Казахстана, а также в Северной и Южной Америке. Из 50 тыс. тонн добываемого вольфрама в год 41 тыс. тонн производится в Китае, а 3,5 тыс. тонн — в России. Сам процесс добычи вольфрама непрост ввиду его главного свойства — чрезвычайной температурной стойкости. Фактически это самый тугоплавкий металл из существующих в природе: температура, при которой он начинает менять свое состояние, составляет 3400 ̊С. Для получения чистого вольфрама приходится прибегать к использованию токов сверхвысокого напряжения для плавления.

Физика и химия

Одной тугоплавкостью физические свойства вольфрама не ограничиваются. Этот металл также является одним из самых прочных и тяжелых на земле. Тем не менее, нагрев его до 1600 ̊С, можно повысить пластичность, что позволяет ковать, прокатывать и даже получать из вольфрама тончайшие нити.

Химически вольфрам также очень устойчив. Он способен эффективно противостоять коррозии и окислению. Эти положительные свойства особенно ярко наблюдаются в сплавах вольфрама с никелем, железом или медью.

Вольфрам находит применение во многих сферах жизни: от самых мирных и гуманных до опасных и агрессивных. Например, этот металл входит в состав бронебойных снарядов современных танков и артиллерии, а также используется в скальпелях и других медицинских инструментах.

Высокая плотность вольфрама позволяет применять его в качестве защиты от ионизирующего излучения: противоатомная одежда из вольфрама при идентичных защитных свойствах получается легче и компактнее свинцовой. Вольфрам входит в состав лучших инструментальных сплавов, в том числе он присутствует и в автомобильных инструментах высшего класса. Естественно, упомянем, пожалуй, также о самом известном применении вольфрама: все мы знаем, что именно из этого металла сделана светящаяся нить лампы накаливания.

Вольфрам является абсолютным фаворитом, когда речь идет о телах накаливания. Будь то осветительные приборы, радиолампы прошлого или системы обогрева накаливанием — везде вы встретите тонкую вольфрамовую нить. Здесь как раз и используется главный козырь вольфрама: тугоплавкость. Так главный недостаток в прошлом стал главным достоинством в настоящем.

В современном автомобиле вольфрам вы также встретите, скорее всего, в виде нити накаливания в галогенной лампе головного света или простой лампочке накаливания. Позиции этого металла до сих пор сильны, несмотря на тенденцию к замене ламп накаливания светодиодными источниками освещения.

В нагревательной нити свечи накаливания также используется сплав с высоким содержанием вольфрама, благодаря чему свеча накаливания дизельного двигателя способна выдержать большое количество циклов прогрева. Это особенно характерно для надежных и эффективных свечей накаливания DENSO, найти которые можно в нашем электронном каталоге.

Вольфрам – свойства и область применения

Из всех известных сегодня металлов вольфрам самый тугоплавкий. Он занимает 74-ю позицию периодической системы, имеет ряд схожих свойств с молибденом и хромом, находящимися с ним в одной группе. На вид вольфрам представляет твердое вещество серого цвета, с характерным серебристым блеском.

Основные характеристики вольфрама

Для практического применения наиболее важны высокие показатели следующих характеристик:

• электрическое сопротивление;

• коэффициент линейного расширения;

• температура плавления.

Чистый вольфрам обладает высокой пластичностью, не растворяется в специальном кислотном растворе без предварительного нагрева хотя бы до 500 0 С. Он легко вступает в реакцию с углеродом, следствием которой является образование карбида вольфрама известного высокой прочностью. Также металл известен своими оксидами, наиболее распространенный из них вольфрамовый ангидрид. Его главное преимущество над остальными, возможность восстановления порошка к состоянию компактного металла, с побочным образованием низших оксидов.

Режущие пластины фирмы Sandvik Coromant с применением карбида вольфрама

Среди основных характеристик, делающих применение вольфрама затруднительным называют следующие:

• высокая плотность;

• ломкость и склонность к окислению при низких температурах.

Кроме того, высокая температура кипения, а также точка испарения затрудняют добычу компактного материала.

Сплавы, содержащие вольфрам

Сегодня различают однофазные сплавы вольфрама. Это подразумевает внедрение одного или нескольких элементов. Наиболее известны соединения вольфрама с молибденом. Легирование этим элементом повышает прочность вольфрама при его растяжении. Также к однофазным сплавам относятся системы: вольфрам-титан/цирконий, ниобий, гафний.

Однако большей пластичности придает вольфраму рений, сохраняя остальные показатели на характерном ему высоком уровне. Но практическое применение таких соединений ограничено трудностями при добыче Re.

Поскольку вольфрам наиболее тугоплавкий материал, получить его сплавы трудно традиционным способом. При температуре плавления вольфрама другие металлы уже кипят или даже переходят в газообразную фазу. Современные технологии позволяют получать ряд сплавов с помощью электролиза. Например, вольфрам — никель — кобальт, который используется не для изготовления целых деталей, а с целью нанесения защитного слоя на менее прочные металлы.

Также в промышленности все еще остается актуальным способ получения вольфрамовых сплавов, используя методы порошковой металлургии. При этом требуется создание особых условий технологического процесса, который включает в себя наличие вакуума. Особенности взаимодействия металлов с вольфрамом делают предпочтительными соединения не парного характера, а с использованием 3, 4-х и более компонентов. Такие сплавы отличаются особенной твердостью, однако малейшее отклонение от процентного содержания того или иного элемента приводит к повышению хрупкости готового сплава.

Получение вольфрама: порошок и компактный металл

Вольфрам, как многие другие элементы редкой группы, не встречается в природе. Поэтому добыча металла не сопровождается строительством крупных промышленных комплексов. Сам процесс получения материала условно делят на такие этапы:

1. Добыча руды, содержащей редкий металл.
2. Создание условий для возможного выделения вольфрама от перерабатываемой массы.
3. Концентрирование материала в виде раствора или осадка.
4. Очищение полученного химического соединения.
5. Получение чистого вещества.

Более сложным оказывается процесс изготовления компактного металла, к примеру, вольфрамовой проволоки. Основная трудность заключается в том, что нельзя допустить даже малейшего попадания примесей, резко ухудшающих плавкие и прочностные свойства.

Область применения вольфрама

С помощью этого металла изготавливают нити накаливания, рентгеновские трубки, нагреватели, экраны вакуумных печей, предназначающихся для использования в высокотемпературном режиме.

Рентгеновская трубка с нитью из вольфрама

Сталь, легированная вольфрамом имеет высокие прочностные качества. Продукция из таких видов сплава используется для изготовления инструментов широкого предназначения: медицина, бурение скважин, изделия для обработки материалов в машиностроении (режущие пластины, как на фото выше). Преимуществом соединения считается устойчивость к истиранию, маловероятность появления трещин в процессе эксплуатации. Наиболее известная в строительстве марка стали с использованием вольфрама называется «победит».

Химическая промышленность также нашла применение вольфраму. Из него делают краски, катализаторы, пигменты.

Атомная промышленность использует тигли из этого металла, а также специальные контейнера для хранения радиоактивных отходов.

О нанесении покрытий из вольфрама уже вкратце упоминалось. Оно применяется для нанесения на материалы, работающие при высоких температурах в восстановительных и нейтральных средах, как защитная пленка.

Также известны прутки, используемые при дуговой сварке. Поскольку вольфрам неизменно остается тугоплавким металлом при выполнении сварочных работ он используется с присадочными проволоками.

Вольфрам: свойства и марки, области применения, продукция из металла

Вольфрам является тугоплавким металлом. У него есть свои разновидности марок, каждая из которых имеет особенности. Этот элемент в периодической таблице Менделеева находится под 74 номером и имеет светло-серый цвет. Его температура плавления составляет 3380 градусов. Основными его свойствами являются коэффициент линейного расширения, электрическое сопротивление, температура плавления и плотность.

Свойства и марки вольфрама

Вольфрам имеет свои механические и физические свойства, а также несколько разновидностей марок.

К физическим свойствам относят:

• Коэффициент термического линейного расширения — 4,32*10 (-6) м/мК.
• Сопротивление электрическое — 5,5 мкОм*см.
• Теплопроводность — 129 Вт/(м*К).
• Теплоёмкость удельная — 0,147 Дж/(г*К).
• Температура кипения — 5900 градусов.
• Температура плавления — 3380 градусов.
• Плотность — 19,3 г/см3.
• Атомный диаметр — 0,274 нм.
• Атомная масса — 183,84 г/моль.
• Атомный номер — 74.

Механические свойства:

• Относительное удлинение — 0%.
• Временное сопротивление — 800−1100 МПа.
• Коэффициент Пуассона 0,29.
• Модуль сдвига — 151,0 ГПа.
• Модуль упругости — 415,0 ГПа.

Отличается этот металл маленькой скоростью испарения даже при 2 тыс. градусов и очень большой точкой кипения — 5900 градусов. Свойствами, которые ограничивают область использования этого материала, являются малое сопротивление окислению, высокая склонность к ломкости и высокая плотность. На вид он напоминает сталь. Используется для того, чтобы изготавливать сплавы высокой прочности. Обработать его можно только после нагревания. Температура нагрева зависит от того, какой именно метод обработки вы собираетесь проводить.

Вольфрам имеет такие марки:

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

Область применения

Из-за своих уникальных свойств вольфрам получил широкое применение. В промышленности он применяется в чистом виде и в сплавах.

Основными областями применения являются:

• Стали специальные. При производстве быстрорежущих сталей и для инструментальных сталей этот материал применяется в качестве легирующего элемента или же основного компонента. Из таких сталей производят штампы, пуансоны, фрезы, свёрла и прочие. Буква «Р» в названии сплава означает, что это быстрорежущая сталь, а буквы «К» или «М» — сталь легированная кобальтом или молибденом. Вольфрам ещё входит в состав сталей магнитных, которые подразделяются на вольфрам кобальтовые и вольфрамовые.
• Сплавы твёрдые на основе карбида вольфрама. Это соединение углерода и вольфрама. Он тугоплавкий, износостойкий и имеет высокую твёрдость. Из него изготавливают рабочие части буровых и режущих инструментов.
• Износостойкие и жаропрочные сплавы. В них использована тугоплавкость вольфрама. Наиболее распространёнными являются хромовые и кобальтовые соединения — стеллиты. Обычно их при помощи наплавки наносят на сильно изнашивающиеся машинные детали.
• Тяжёлые и контактные соединения. К ним относят сплавы вольфрама с серебром и медью. Это довольно эффективные контактные материалы для производства рабочих частей выключателей, рубильников, электродов для точечной сварки и прочих оборудований.
• Электроосветительная и электровакуумная техника. Вольфрам в виде разных кованых деталей, ленты или проволоки используют в производстве рентгенотехники, радиоэлектроники и электроламп. Это лучший материал для спиралей и нитей накаливания. Вольфрамовые прутки и проволоки служат для высокотемпературных печей электронагревателями. Эти электронагреватели могут работать в атмосфере инертного газа, водорода или вакуума.
• Сварочные электроды. Сварка является важной сферой для применения этого металла. Из него делают электроды для сварки дуговой, так как они неплавкие.

Процесс производства тугоплавкого вольфрама

Этот материал относят к редким металлам. Для него характерны сравнительно небольшие объёмы потребления и производства, а также в земной коре малая распространённость. Никакой из редких металлов не получают восстановлением из сырья. Изначально оно перерабатывается в соединение химическое. А ещё любая редкометаллическая руда перед переработкой подвергается дополнительному обогащению.

Выделяют три главные стадии для получения редкого металла:

1. Разложение руды. Извлекаемый металл отделяется от основной массы перерабатываемого сырья. Он концентрируется в осадке или растворе.
2. Получение химического чистого соединения. Его выделение и очистка.
3. Из полученного соединения выделяют металл. Так получают чистые материалы без примесей.

В процессе получения вольфрама тоже есть несколько стадий. Исходное сырьё — шеелит и вольфрамит. Обычно в их составе содержится от 0,2 до 2% вольфрама.

1. Обогащение руды производится при помощи электростатической или магнитной сепарации, флотации, гравитации. В итоге получают концентрат вольфрамовый, который содержит примерно 55−65% ангидрида вольфрама. Контролируется в них и наличие примесей: висмута, сурьмы, меди, олова, мышьяка, серы, фосфора.
2. Получение вольфрамового ангидрида. Он является сырьём для изготовления вольфрама металлического или же его карбида. Для этого проводится ряд процедур, таких как: выщелачивание спёка и сплава, разложение концентратов, получение вольфрамовой технической кислоты и прочие. В результате этих действий должен получиться продукт, который будет содержать в себе 99,9% трехокиси вольфрама.
3. Получение порошка. В виде порошка чистый металл может быть получен из ангидрида. Для этого проводится восстановление углеродом или водородом. Углеродное восстановление проводится реже, потому что ангидрид насыщается карбидами и это приводит к хрупкости металла и ухудшению обработки. При получении порошка применяют специальные методы, которые позволяют контролировать форму и размер зёрен, гранулометрический и химический составы.
4. Получение вольфрама компактного. В основном он в виде слитков или штабиков является заготовкой для изготовления полуфабрикатов: ленты, прутков, проволоки и прочих.

Вольфрамовая продукция

Из вольфрама изготавливают многие необходимые для хозяйства предметы, такие как проволока, прутки и прочие.

Прутки

Одной из наиболее распространённой продукцией из этого тугоплавкого материала являются вольфрамовые прутки. Исходным материалом для его изготовления является штабик.

Чтобы из штабика получить пруток его подвергают ковке, используя ротационную ковочную машину.

Осуществляется ковка при нагревании, так как этот металл при комнатной температуре очень хрупкий. В ковке выделяют несколько этапов. На каждом последующем прутки получаются меньшего диаметра.

На первом этапе получаются прутки, которые будут иметь диаметр до 7 миллиметров, если штабик будет иметь длину от 10 до 15 сантиметров. Температура заготовки при ковке должна равняться 1450−1500 градусов. Нагревающим материалом обычно является молибден. После второго этапа прутки будут составлять в диаметре до 4,5 миллиметров. Температура штабика при её производстве примерно 1250−1300 градусов. На следующем этапе прутки будут иметь диаметр до 2,75 миллиметров.

Прутки марок ВЧ и ВА получают при более низких температурах, чем марок ВИ, ВЛ и ВТ.

Если заготовка была получена методом плавки, то горячая ковка не осуществляется. Связано это с тем, что такие слитки имеют крупнокристаллическую грубую структуру. При использовании горячей ковки могут появиться разрушения и трещины.

В этой ситуации вольфрамовые слитки подвергаются горячему двойному прессованию (приблизительная степень деформации 90%). Производится первое прессование при температурном режиме в 1800—1900 градусов, а второе — 1350−1500. После этого заготовки подвергаются горячей ковке для того, чтобы из них получить вольфрамовые прутки.

Эта продукция применяется во многих промышленных отраслях. Одна из наиболее распространённых — сварочные неплавящиеся электроды. Для них подойдут прутки, которые изготовлены из марок ВЛ, ВЛ и ВТ. В качестве нагревателей применяются прутки, изготовленные из марок МВ, ВР и В. А. Они применяются в печах, температура которых может достигать 3 тыс. градусов в вакууме, атмосфере инертного газа или водорода. Вольфрамовые прутки могут быть катодами газозарядных и электронных приборов, а также радиоламп.

Электроды

Одним из главных компонентов, которые необходимы для сварки, являются сварочные электроды. При сварке дуговой они используются наиболее широко. Относится она к термическому классу сварки, в котором за счёт термической энергии осуществляется плавление. Автоматическая, полуавтоматическая или ручная дуговая сварка является самой распространённой. Вольтовой дугой создаётся тепловая энергия, которая находится между изделием и электродом. Дугой называют стабильный мощный электрический заряд в ионизированной атмосфере паров металла, газов. Чтобы получить дугу, электрод к месту сварки проводит электрический ток.

Сварочным электродом называют проволочный стержень, на который нанесено покрытие (возможны варианты и без покрытия). Для сварки существует множество различных электродов. Их отличительными чертами являются диаметр, длина, химический состав. Для сварки определённых сплавов или металлов применяются разные электроды. Наиболее важным видом классификации является разделение электродов на неплавящиеся и плавящиеся.

Сварочные плавящиеся электроды во время сварки расплавляются, их металл вместе с металлом расплавленным свариваемой детали пополняют сварочную ванну. Выполняют такие электроды из меди и стали.

А вот электроды неплавящиеся в процессе сварки не расплавляются. К ним относят вольфрамовые и угольные электроды. При сварке необходимо подавать присадочный материал, который плавится и с расплавленным материалом свариваемого элемента образуют сварочную ванну. Для этих целей в основном применяют сварочные прутки или проволоку. Электроды сварочные могут быть непокрытыми и покрытыми. Покрытие играет важную роль. Его компоненты могут обеспечить получение металла швов определённых свойств и состава, защиту расплавленного металла от влияния воздуха и стабильное горение дуги.

Составляющие в покрытии могут быть раскисляющими, шлакообразующими, газообразующими, стабилизирующими или легирующими. Покрытие может быть целлюлозным, основным, рутиловым или кислым.

Вольфрамовые электроды используются для сварки металлов цветных, а также их сплавов, высоколегированных сталей. Хорошо вольфрамовый электрод подходит для образования сварного шва повышенной прочности, при этом детали могут иметь различный химический состав.

Вольфрамовая продукция очень качественная и нашла своё применение во многих отраслях, в некоторых она просто незаменима.