Вольфрам: Свойства и разнообразные применения

(1) Свойства вольфрама:

Температура плавления вольфрама составляет 3410°C, а температура кипения - около 5900°C. Его теплопроводность составляет 174 вт/м-К при 10-100°C, он имеет медленную скорость испарения при высоких температурах и очень низкий коэффициент теплового расширения.

Коэффициент расширения составляет 4,5×10^-6-K^-1 в диапазоне 0-100°C.

Удельное электрическое сопротивление вольфрама примерно в три раза больше, чем у меди, и составляет 10^-8 Ом/м при 20°C.

Вольфрам характеризуется высокой твердостью, высокой плотностью (плотность 19,25 г/см³), хорошей высокотемпературной прочностью и отличными электронно-эмиссионными свойствами.

Механические свойства вольфрама в основном зависят от состояния его обработки и процесса термообработки. Вольфрам не может быть обработан под давлением в холодном состоянии.

Ковка, прокатка и волочение должны производиться в горячем состоянии.

Вольфрам обладает хорошей пластичностью, и вольфрамовый пруток весом 1 кг можно вытянуть в тонкую проволоку диаметром всего 1% мм и длиной около 400 км.

Эта тонкая проволока сохраняет прочность даже при высокой температуре 3000°C, обладает высокой светоотдачей и долгим сроком службы, что делает ее отличным материалом для производства нитей накаливания различных ламп.

Вольфрамовая проволока используется для производства ламп накаливания, йод-вольфрамовых ламп и даже новейших ламп и трубок по всему миру.

При комнатной температуре вольфрам устойчив на воздухе. При температуре 400-500°C он начинает окисляться и образует на поверхности плотную защитную пленку сине-черного цвета W03.

Вольфрам не поддается коррозии кислотами, щелочами и водной средой при комнатной температуре, но он растворим в смешанном растворе фтористоводородной кислоты и водной средой.

(2) Основные области применения вольфрама:

80% вольфрама, добываемого в мире, используется для выплавки высококачественной стали, 15% - для производства твердой стали, а оставшийся 5% - для других целей.

Вольфрам может быть использован для производства огнестрельного оружия, ракетных сопел и металлических режущие инструментычто делает его универсальным металлом.

1. Важная роль вольфрама в производстве стали

Вольфрам является важным легирующим элементом в стали, который повышает ее прочность, твердость и износостойкость.

Основными видами вольфрамовой стали являются высокоскоростная инструментальная сталь, сталь для горячей обработки штампов, серийные инструменты и штамповая сталь, военное оружие, турбинная сталь, магнитная сталь и т.д.

Инструменты, изготовленные из вольфрамовая сталь в несколько раз или даже в десятки раз прочнее, чем те, что сделаны из обычной стали.

Когда вольфрамовая сталь используется для изготовления оружейных стволов или цилиндров, она может сохранять хорошую упругость и механическую прочность даже при нагревании ствола от трения при непрерывной стрельбе.

На металлорежущих станках вольфрам резка стали Инструменты сохраняют свою твердость даже при температурах до 1000°C.

Напыление или сварка вольфрам-хром-кобальт легированная сталь с 3%-15% вольфрама на поверхность обычных стальных деталей - это все равно что придать им жесткую "броню".

Они выдерживают высокие температуры и давление, противостоят коррозии, снижают износ и имеют в несколько раз больший срок службы.

Благодаря отличным свойствам и широкому спектру применения вольфрамовой стали, для ее производства используется 90% вольфрама, производимого во всем мире.

Широко используемая быстрорежущая сталь содержит 9%-24% вольфрама, 3,8%-4,6% хрома, 1%-5% ванадия, 4%-7% кобальта и 0,7%-1,5% углерода.

Особенностью быстрорежущей стали является то, что она может самозакаливаться при высоких температурах отпуска (700-800°C) на воздухе, поэтому сохраняет высокую твердость и износостойкость до 600-650°C.

Вольфрамовая сталь в легированной инструментальной стали содержит 0,8%-1,2% вольфрама; хром-вольфрамо-кремниевая сталь содержит 2%-2,7% вольфрама; хром-вольфрамовая сталь содержит 2%-9% вольфрама; хром-вольфрамо-марганцевая сталь содержит 0,5%-1,6% вольфрама.

Вольфрамовая сталь используется для изготовления различных инструментов, таких как сверла, фрезы, фильеры для волочения проволоки, пресс-формы, инструменты с газовой поддержкой и другие детали.

Вольфрамовая магнитная сталь - это сталь с постоянным магнитом, содержащая 5,2%-6,2% вольфрама, 0,68%-0,78% углерода и 0,3%-0,5% хрома.

Вольфрамо-кобальтовая магнитная сталь представляет собой магнитотвердый материал, содержащий 11,5%-14,5% вольфрама, 5,5%-6,5% молибдена и 11,5%-12,5% кобальта.

Они обладают высокой силой намагничивания и коэрцитивной силой.

2. Промышленное применение вольфрамовых сплавов:

Вольфрам является основным легирующим элементом в быстрорежущей инструментальной стали, легированной конструкционной стали, пружинной стали, жаропрочной стали и нержавеющей стали.

Вольфрам может быть легирован путем укрепления твердого раствора, укрепления осадка и дисперсионного укрепления для повышения его высокотемпературной прочности и пластичности.

В результате легирования вольфрамом образовались различные сплавы цветных металлов, которые оказали значительное влияние на современную человеческую цивилизацию.

Добавление рения (3%-26%) к вольфраму позволяет значительно повысить его пластичность и температуру рекристаллизации.

После соответствующей высокотемпературной обработки отжиг При обработке некоторые сплавы вольфрама с рением могут достигать удлинения до 5%, что намного выше, чем 1%-3% для чистого или легированного вольфрама.

Вольфрам-ториевые сплавы, образованные добавлением 0,4%-4,2% оксида тория (ThO₂) на вольфрам обладают высокой способностью к тепловой эмиссии электронов и могут использоваться в качестве горячих катодов для электронных ламп, аргонодуговая сварка электроды и т.д.

Однако вопрос о радиоактивности ThO2 долгое время оставался нерешенным. Церий-вольфрамовые сплавы (W-CeO2), разработанные в Китае, а также лантан-вольфрамовые и иттрий-вольфрамовые сплавы, изготовленные с использованием La2O3 и Y2O3 в качестве диспергаторов (содержание оксидов обычно ниже 2,2%), широко используются в качестве высокотемпературных электродов для аргона дуговая сваркаплазменная сварка и резка, несамовозгорающиеся дуговые печи и т.д., заменяя W-ThO₂ сплавы.

Вольфрамо-медные и вольфрамо-серебряные сплавы - это вид порошковых металлургических композиционных материалов, состоящих из элементов, которые не вступают в реакцию друг с другом и не образуют новых фаз.

Сплавы вольфрам-серебро и вольфрам-медь на самом деле не являются сплавами и поэтому считаются псевдосплавами.

Вольфрамо-серебряные сплавы, широко известные как инфильтрационный серебряный вольфрам, содержат 20%-70% меди или серебра и обладают отличными электро- и теплопроводными свойствами меди и серебра, а также высокой температурой плавления и коррозионной стойкостью вольфрама.

В основном они используются в соплах ракет, электрических контактах и компонентах полупроводниковых опор.

Сопло ракеты North Star A-3 изготовлено из вольфрама, инфильтрованного серебром 10%-15%, а сопло ракеты, используемой в космических кораблях Apollo весом в несколько сотен килограммов, также сделано из вольфрама.

Вольфрамо-молибденовые сплавы обладают более высоким удельным электрическим сопротивлением и лучшей прочностью, чем чистый вольфрам, и используются в качестве нитей в электронных трубках и проводов для вывода стеклянных уплотнений.

Вольфрам, как легирующий элемент, также упоминается в сплавах цветных металлов, таких как суперсплавы. В 1940-х годах, чтобы удовлетворить требования к высокотемпературным материалам для авиационных турбореактивных двигателей, в грохоте выстрелов родились суперсплавы.

Суперсплавы состоят из трех типов специальных конструкционных сплавов: на основе никеля, кобальта и железа.

При высоких температурах (500-1050°C) они сохраняют чрезвычайно высокую прочность, сопротивление ползучести, стойкость к окислению и коррозии.

Кроме того, они могут гарантировать отсутствие разрушения в течение длительного срока службы в несколько лет, то есть обладают характеристиками высокоцикловой усталости и малоцикловой усталостной прочности. Такие характеристики крайне важны для аэрокосмической промышленности, от которых зависят человеческие жизни.

Вольфрам является важным легирующим элементом в сталелитейной промышленности, который может повысить прочность, твердость и коррозионную стойкость стали.

Твердые сплавы (карбид вольфрама), содержащие вольфрам 60%-90%, обладают высокой твердостью, износостойкостью, коррозионной стойкостью и жаропрочностью, и используются для изготовления сверл, режущего инструмента и деталей, устойчивых к высоким температурам.

Вольфрам-медные (или вольфрам-серебряные) сплавы с содержанием вольфрама 60%-90% являются отличными контактными материалами и могут быть использованы в качестве электрических переключателей, выключателей, и точечная сварка электроды.

Сплав вольфрам-никель-медь может использоваться в качестве экранирующего экрана для α- и γ-лучей. В ракетных двигателях неохлаждаемые сопла из вольфрама могут выдерживать высокую температуру 3127°C, высокое давление и тепловое напряжение.

Он может использоваться в качестве люминесцентного материала и рентгеновской катодной мишени в осветительной и электронной промышленности.

Она также может использоваться в качестве высокотемпературного нагревательного элемента печи сопротивления. Термопара, состоящая из вольфрама и вольфрамо-рениевого сплава (26%), может измерять температуру от комнатной до 2835°C.

Диселенид вольфрама может использоваться в качестве смазки для старших подшипников, с диапазоном температур смазки от -217°C до 350°C. Вольфрамовые пигменты обладают ярким блеском и долговечностью.

Специальные сплавы с вольфрамом в качестве основного компонента включают в себя:

• тугоплавкие сплавы, используемые в лопатках газовых турбин, соплах ракет, компонентах ракет и ядерных реакторов;
• сплавы высокой плотности, используемые в тяжелых бронебойных снарядах, роторах навигационных гироскопов, балансирах и тормозах автоматических часов;
• Никель-медные сплавы, используемые в экранах для защиты от рентгеновского и Y-излучения, контейнерах для радиоактивных веществ и т.д.;
• Медь, вольфрам-серебро и другие сплавы являются высоковольтными и высокочастотными материалами для электрических контактов;
• Термопары, изготовленные из вольфрамо-рениевых сплавов, могут измерять температуру от комнатной до 2835°C.

Производство высокоплотных сплавов на основе вольфрама стало важной областью применения вольфрама.

При добавлении никеля, железа, меди и небольшого количества других элементов в вольфрамовый порошок одновременно с использованием технологии жидкофазного спекания можно получить вольфрамовый сплав высокой плотности.

В зависимости от состава вольфрамовые сплавы высокой плотности можно разделить на две системы сплавов: вольфрам-никель-железо и вольфрам-никель-медь.

Его плотность может достигать 17-18,6 г/см³ через жидкофазное спекание. Жидкофазное спекание относится к процессу спекания, в котором при температуре спекания имеется определенное количество жидкой фазы, когда смешанный порошок прессуется и формуется.

Его преимущество заключается в том, что жидкая фаза смачивает частицы твердой фазы и растворяет небольшое количество твердого вещества, значительно ускоряя процесс уплотнения и роста зерен и достигая чрезвычайно высокой относительной плотности.

Например, для никель-железного порошка, обычно используемого в жидкофазном спекании, никель-железный порошок плавится во время спекания. Хотя растворимость твердого вольфрама (95% по объему) в жидком никелевом железе чрезвычайно низка, твердый вольфрам легко растворяется в жидком никелевом железе.

Когда жидкий никель-железо смачивает частицы вольфрама и растворяет часть вольфрамового порошка, форма частиц вольфрама изменяется, а внутренние поры исчезают сразу же, как только жидкость попадает внутрь.

Процесс продолжается, и частицы вольфрама продолжают огрубляться и расти, пока не образуется конечный продукт, имеющий плотность почти 100% и оптимальную микроструктуру.

Высокоплотный вольфрамовый сплав, полученный методом жидкофазного спекания, обладает не только большей плотностью, чем чистый вольфрам, но и лучшими ударопрочными характеристиками. Его основное применение - производство высокопроникающих военных бронебойных пуль.

Жаропрочные и износостойкие сплавы, как самый тугоплавкий металл, вольфрам является одним из компонентов многих жаропрочных сплавов.

Например, сплав, состоящий из 3-15% вольфрама, 25-35% хрома, 45-65% кобальта и 0,5-2,75% углерода, в основном используется для изготовления сильно износостойких деталей, таких как клапаны авиационных двигателей, рабочие части штампов горячей штамповки, рабочие колеса турбин, экскаваторное оборудование и поверхностные покрытия лемехов.

В аэрокосмической и ракетной технике, а также в других отраслях, где требуется высокая термическая прочность деталей машин, двигателей и некоторых приборов, вольфрам и сплавы с другими тугоплавкими металлами (танталом, ниобием, молибденом, рением) используются в качестве жаропрочных материалов.

В настоящее время используется 35-40 известных марок суперсплавов, многие из которых имеют в качестве одного из основных компонентов вольфрам (см. таблицу).

Содержание вольфрама в этих сплавах варьируется от минимального 0,6% до максимального 15%, и хотя его доля невелика, спрос на них в высокотемпературном машиностроении, например, в аэрокосмической промышленности и на тепловых электростанциях, весьма значителен.

По оценкам специалистов, во всем мире более двух третей суперсплавов используется в аэрокосмической промышленности, одна седьмая - в атомных и газотурбинных электростанциях, еще одна седьмая - в морских операциях и транспорте.

3. Применение вольфрама в твердых сплавах

Твердые сплавы на основе карбида вольфрама обладают высокой твердостью, износостойкостью и огнеупорными свойствами.

Эти сплавы содержат от 85% до 95% карбида вольфрама и от 5% до 14% кобальта, который выступает в качестве связующего металла, обеспечивая необходимую прочность сплава.

В основном они используются в некоторых сплавах для обработки стали, а также содержат титанкарбиды тантала и ниобия.

Все эти сплавы производятся с использованием процессов порошковой металлургии. При нагреве до 1000-1100 ℃ они сохраняют высокую твердость и износостойкость.

Скорость резки твёрдый сплав режущих инструментов значительно превышает скорость резания даже самых лучших режущих инструментов из инструментальной стали. Твердые сплавы в основном используются в режущих инструментах, горных инструментах, фильерах для волочения проволоки и т.д.

Карбид вольфрама может сохранять хорошую твердость даже при температуре выше 1000 ℃, что делает его идеальным инструментом для резки и шлифовки.

Порошок вольфрама (или W03) смешивают с сажей, а затем науглероживают при определенной температуре в водороде или вакууме, чтобы получить карбид вольфрама (WC).

Затем WC смешивается с металлическим связующим веществом, кобальтом, в определенной пропорции.

После порошкового напыления, формовки, спекания и других процессов получаются изделия из твердых сплавов, такие как режущие инструменты, пресс-формы, ролики и ударные камни. бурение производятся биты.

Используемые в настоящее время твердые сплавы на основе карбида вольфрама можно разделить на четыре категории: карбид вольфрама - кобальт, карбид вольфрама - карбид титана - кобальт, карбид вольфрама - карбид титана - карбид тантала (ниобия) - кобальт и твердые сплавы на стальной связке.

Из примерно 50 000 тонн вольфрама, потребляемых ежегодно во всем мире, на твердые сплавы на основе карбида вольфрама приходится около 63%.

По последним данным, общее мировое производство твердых сплавов составляет около 33 000 тонн в год, потребляя от 50% до 55% от общего объема вольфрама.

4. Применение вольфрамового сплава в электронной промышленности

Вольфрам и его сплавы широко используются в электронике и производстве источников электрического света.

Вольфрамовая нить с антипровисанием используется для производства различных осветительных ламп и нитей для электронных ламп.

Вольфрамовая нить с добавлением рения используется для изготовления термопар с широким диапазоном измерения температуры (0-2500 ℃), хорошей линейной зависимостью между температурой и термоэлектрическим потенциалом, быстрым температурным откликом (3 секунды) и относительно низкой стоимостью, что делает ее идеальной термопарой для измерений в атмосфере водорода.

Используя преимущества высокой температуры плавления вольфрама без ущерба для его механической целостности, он становится одним из видов источников тепловой ионной эмиссии для электроники, таких как источники электронов для сканирующих электронных микроскопов и просвечивающих электронных микроскопов.

Он также используется в качестве нити накаливания в рентгеновских трубках.

В рентгеновских трубках электроны, генерируемые вольфрамовой нитью, ускоряются и сталкиваются с анодами из вольфрама и вольфрамо-рениевого сплава, испуская рентгеновские лучи.

Энергия электронного пучка, создаваемого вольфрамовой нитью, должна быть очень высокой, чтобы генерировать рентгеновское излучение, поэтому участки поверхности, пораженные электронным пучком, очень горячие.

Поэтому в большинстве рентгеновских трубок используются вращающиеся аноды. Вольфрамовые нити большого размера также используются в качестве нагревательных элементов в вакуумных печах.

В электронной промышленности, особенно в производстве интегральных схем, технология формирования пленок на подложках с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD) - это процесс, совершенно отличный от производства сыпучих материалов (блочных материалов) из вольфрама с помощью технологии порошковой металлургии.

Наиболее распространенным источником вольфрама, используемым в процессе CVD-осаждения, является гексафторид вольфрама (WF6).

При комнатной температуре WF6 представляет собой жидкость, но когда он протекает с газообразным водородом над покрываемой деталью, он соединяется с газом благодаря чрезвычайно высокому давлению паров и избирательно осаждается на поверхности детали при температуре около 300°C в результате реакции WF6+3H2→W+6HF.

Вольфрамовые жилы, сформированные путем осаждения на интегральных схемах, могут быть соединены с другим горизонтальным проводом на печатной плате в виде небольших металлических штекеров.

Диаметр этих маленьких пробок составляет 0,4 миллиметра при соотношении длины к диаметру 2,5, а в будущем может быть уменьшен до 0,1 миллиметра, что позволит достичь соотношения длины к диаметру 5.

Благодаря отличной проводимости и отсутствию реакции с окружающими материалами, метод CVD - единственный способ заполнить каналы и очистить поверхности, не требующие вольфрама.

Вольфрам, материал, используемый в электровакуумном освещении, выпускается в виде вольфрамовой проволоки, вольфрамовой ленты и различных кованых деталей для производства электронных ламп, радиоэлектроники и рентгеновской техники.

Вольфрам - лучший материал для изготовления белых тканых нитей и спиральных нитей. Его высокая рабочая температура (2200-2500°C) обеспечивает высокую светоотдачу, а низкая скорость испарения - долгий срок службы нити.

Вольфрамовая проволока используется для изготовления катодов прямого нагрева и сеточных электродов для электронных колебательных трубок, катодов для высоковольтных выпрямителей, вспомогательных катодных подогревателей в различных электронных приборах.

Вольфрам также используется в качестве анода и катода для рентгеновских и газоразрядных трубок, а также в качестве контактов для радиоаппаратуры и электродов для пистолетов для сварки атомным водородом.

Вольфрамовая проволока и вольфрамовые стержни используются в качестве нагревательных элементов для высокотемпературных печей (до 3000°C). Вольфрамовые нагреватели могут работать в водородной, инертной атмосфере или в вакууме.

Другие области применения вольфрама включают его соединения, которые могут использоваться в качестве катализаторов в нефтехимической промышленности, а также в качестве антипиренов, протрав, пигментов, красителей, флуоресцентных материалов, декоративных красок и твердых смазочных материалов в текстильной и пластмассовой промышленности.

Тунгстат натрия используется для производства некоторых видов красок и пигментов, а также в текстильной промышленности для утяжеления тканей и производства огнеупорных и водонепроницаемых тканей путем смешивания с сульфатом аммония и фосфатом аммония.

Он также используется в производстве металлического вольфрама, вольфрамовой кислоты и солей тунгстата, а также красителей, пигментов, чернил, гальванических покрытий и в качестве катализатора. Тунговая кислота является протравой для текстиля и катализатором для производства высокооктанового бензина в химической промышленности.

Дисульфид вольфрама используется в качестве твердого смазочного материала и катализатора в органическом синтезе, например, при производстве синтетического бензина.

Сплавы вольфрам-медь (10%-40% медь) и вольфрам-серебро, изготовленные методом порошковой металлургии, являются отличными контактными материалами благодаря хорошей электропроводности, теплопроводности и износостойкости.

Они широко используются при производстве таких рабочих деталей, как контакты выключателей, прерывателей и электродов для точечной сварки.

Высокоплотные сплавы, содержащие 90%-95% вольфрама, 1%-6% никеля и 1%-4% меди, а также сплавы с использованием железа вместо меди (~5%), используются для изготовления роторов гироскопов, балансировочных грузов для самолетов и поверхностей управления, радиационных экранов и корзин для материалов.

В целом, вольфрам, независимо от того, используется ли он в качестве легирующего элемента, карбида вольфрама или в металлической или комбинированной форме, является незаменимым важным материалом в различных отраслях национальной экономики и передовых технологий, включая сталелитейную, машиностроительную, горнодобывающую, нефтяную, ракетную, аэрокосмическую и электронную промышленность.

(3) Распределение вольфрамовых рудников в Китае

Китай обладает крупнейшими в мире запасами вольфрама.

Вольфрамовые рудники в Паньгушане, Сихуашане и Дачжишане в провинции Цзянси являются крупнейшими в мире регионами по добыче вольфрама.

Вольфрамовые рудники в таких провинциях, как Хунань, Гуанси и Гуандун, также обладают богатыми запасами.