Вольфрам: характеристики, свойства металла и область применения

Вольфрам – тугоплавкий металл с высокой точкой плавления и повышенной стойкостью к механическому износу. Это позволяет создавать из материала детали, которые должны долго сохранять свою форму при эксплуатации в условиях высокой температуры. Рассмотрим характеристики и применение вольфрама. 

Интересные факты о свойствах вольфрама

Вольфрам не относится к редкоземельным металлам, но при этом он тоже редкий и поэтому достаточно дорогой. Стоимость – это не единственный недостаток вольфрама, он также достаточно плохо поддается металлообработке, требует применения специального оборудования. Поэтому металл используется не повсеместно, а выборочно. 

Если быть точнее, вольфрам используется в таких условиях, в которых никакой другой металл не справится. Из-за своих исключительных характеристик он нашел свою нишу и стал незаменимым. 

Что может быть интересно узнать: 

• Вольфрам – металл с самой высокой температурой плавления. Из-за этого невозможно использовать классические для цветных металлов способы выплавки. Печи не рассчитаны на такие температуры, потому что при таком жаре другие материалы просто испаряются. Поэтому в металлургии для вольфрама используется порошковый метод выплавки. Вольфрам и другие металлы для сплава измельчают в порошок, смешивают, спрессовывают и только после этого помещают в условия повышенной температуры и инертного газа. 
• Название вольфрама берет истоки с немецкого словосочетания Wolf Rahm, которое переводится как «пена волка». Все дело в том, что если вольфрам попадал в сплав во время выплавки олова, то приводил к высвобождению большого количества пенистых шлаков.
• Вольфрамом часто подделывают золотые слитки, потому что его плотность максимально приближена к плотности золота. 
• Мировой лидер по добыче вольфрамовой руды – Китай, он вырабатывает более 80% от всего количества металла. В России добыча и переработка руды происходит на Северном Кавказе и Дальнем Востоке, за год получается примерно 3400 тонн материала.
• Окись вольфрама имеет нежный персиковый цвет. В древние времена именно этот элемент лежал в основе редкого персикового пигмента для красок. 

Вольфрам – брат молибдена. Оба материала редкие, тяжелые и тугоплавкие. Оба используются в смежных отраслях. Однако у вольфрама более сложная кристаллическая решетка, что делает его наиболее незаменимым.

Характеристики вольфрама

Рассмотрим особенности вольфрама, за которые материал так высоко ценится. Характеристики: 

• Температура плавления – 3422 °C. Выше температура плавления только у углерода, из металлов вольфрам самый тугоплавкий. Для сравнения, примерно такие же показатели температуры у оболочки Солнца. Температура перехода жидкости в пар – 13 610 °C, а это уже что-то за пределами понимания.
• Плотность – 19,25 г/см³. Это практически точно соответствует плотности золота. И в 1,7 раз превышает плотность свинца, про который говорят, что он очень тяжелый. Что по-настоящему тяжелое, так это вольфрам.
• Стойкость к разным окружающим средам. Вольфрам не окисляется при комнатной температуре, не портится в воде, соленой воде и большинстве кислотах. Зато если металл нагреть, то на его поверхности образуется прочная оксидная пленка красного цвета. 
• Высокая пластичность. Пластичность при высокой прочности материала позволяют делать очень тонкую проволоку, а также другой прокат с минимальными показателями. Легирование окисью тория значительно повышает пластичность вольфрама. 
• Безопасность для здоровья. Вольфрам относится к тяжелым металлам, поэтому имеет возможность частично накапливаться в организме. Однако он не является высокотоксичным. Для работы на вольфрамовом производстве обязательно нужно использовать защиту для органов дыхания, тогда риск накопления металла в организме минимален. 
• Цвет – серый. Однако оттенок вольфрама меняется, в зависимости от типа металлообработки. Например, чем меньше фракция вольфрамового порошка, тем темнее будет его цвет. 
• Химическая активность. Вольфрам легко вступает в химические реакции из-за своей 6-валентной структуры. Однако в сплавах он обычно находится в связанном состоянии, поэтому не вступает в неконтролируемые и непреднамеренные реакции. 
• Электропроводность – 18,9·10^6 См/м. Это примерно в 3 раза меньше, чем у меди. Поэтому проводник из вольфрама не самый хороший. Однако металл все же проводит электрический импульс. Причем чем выше температура металла, тем выше будет электропроводность. 
• Теплопроводность – 173 Вт/(м·К). Это достаточно высокий показатель, даже выше, чем у некоторых сортов алюминия.
• Прочность на разрыв – до 1725 МПа. Это самый высокий показатель среди других металлов. 

Вольфрам очень прочный, тяжелый, плотный, тугоплавкий и невосприимчивый ко множеству воздействий.

Вольфрам в чистом виде (марка ВЧ) используется очень редко из-за трудностей с металлообработкой. Обычно в сплав добавляют легирующие вещества, которые улучшают пластичность и другие свойства. Добавляют молибден, оксиды рения, лантана, иттрия и тория, алюминий и кремнещелочные присадки. Кроме того, существуют вольфрамовые сплавы, которые также сохраняют большинство положительных свойств чистого вольфрама и при этом получают дополнительные преимущества других металлов. Например, существует ферровольфрам, в котором только 80% вольфрама, а пятая часть приходится на железо. Это относительно недорогой сплав, который активно используется. 

Изделия из вольфрама

Вольфрамовый прокат изготавливается в соответствии с ГОСТами, ТУ, ЯеО и СУО. Листовой и объемный вольфрамовый прокат производится из прессованного порошка с дальнейшей термообработкой. Сортамент: 

• Вольфрамовая проволока. Она получается путем волочения с нагревом. Благодаря высокой прочности и пластичности проволока может достигать минимальных значений в сечении. 
• Вольфрамовый пруток. Также производится волочением. Поставляется в бухтах или в отрезах, в зависимости от диаметра сечения.
• Вольфрамовые электроды. Популярный прокат, который изготавливается из проволоки или прутков. Незаменим для аргонодуговой сварки.
• Вольфрамовый штабик. Это заготовка для дальнейшей выплавки изделий из вольфрама или для получения сплавов с содержанием этого металла.
• Вольфрамовая полоса и лист. Плоский прокат, который используется как заготовка для дальнейшего изготовления изделий путем штамповки, прокатки и проч. 

Также в продаже есть вольфрамовый порошок, который является основой большинства прокатных и литых изделий, а также сплавов.

Область применения вольфрама

У вольфрама широкая область применения из-за его специфических характеристик. Почти 95% всего вольфрама уходит на металлургию. Материал часто используют как добавку в другие сплавы. 5% уходит на другие области производства, например, химическая промышленность. Вот некоторые основные способы использования:

• Создание герметичных емкостей для хранения радиоактивных веществ, в том числе отходов.
• Изготовление экранов, щитов и обшивки для рентген-кабинетов. Чаще используют свинец, однако вольфрам почти на 40% лучше препятствует проникновению лучей. 
• Крупные сверла и буры для горнодобывающей отрасли. Некоторые вольфрамовые сплавы, в том числе с добавлением кобальта, по своей твердости даже превосходят алмаз, поэтому активно используются для сверления и дробления горной породы.
• Применение в электротехнике. Когда вольфрам соединяют с алюминием, а еще лучше – с медью, получается сплав с высокой электропроводностью и повышенной прочностью. Из него изготавливают контакты и другие детали электротехники, которые отлично проводят электричество, но при этом эксплуатируются в 6 раз дольше, чем обычные медные контакты. 
• Нити накаливания для электрических ламп. Заменить вольфрам для этих целей практически невозможно. Не только из-за того, что металл имеет отличные показатели теплопроводности и устойчивости к высоким температурам, но и из-за того, что можно вытягивать вольфрамовую проволоку до крайне малого диаметра. 
• Резцы, сверла, фрезы, долота, пуансоны, штампы и другая оснастка станков. Вольфрам – очень прочный. Поэтому он износостойкий. Режущий инструмент из вольфрама долго остается острым и не меняет свои характеристики. 
• Использование в качестве легирующей добавки для сталей. Вольфрам увеличивает прочность.
• Производство быстрорежущих инструментов, в том числе хирургических. Инструментальная сталь получается при содержании до 9% вольфрама в сплаве. 
• Изготовление электродов для аргонодуговой сварки. Вольфрамовые электроды помогают ежедневно варить огромное количество металлоконструкций. Они работают с разными марками нержавеющих сталей и алюминия. 
• Производство деталей в машиностроении, которые требуют повышенной прочности и износостойкости, например, подшипники и другие узлы.
• Изготовление двигателей самолетов, реактивных сопел ракет – вольфрам применяется там, где важна огнестойкость сплава.
• Выплавка боеприпасов и элементов военной техники.
• Изготовление сетчатых фильтров для химической промышленности – плюсом выступает то, что вольфрамовая проволока устойчива ко множеству реагентов. 
• Текстильная промышленность: создание красителей, огнестойких тканей, а также изготовление некоторых составов для обработки шелковых и кожаных изделий.
• Сульфид вольфрама применяется для приготовления жаростойкой смазки – ее температура плавления до 500 градусов.
• Ювелирное дело: из вольфрама делают кольца и другие изделия, которые имеют очень высокую износостойкость. 
• Нагревательные элементы при производстве высокотемпературных печей, а также датчики температуры. Причем нагреватели могут работать в разной среде, в том числе в аргоне.

Таким образом, из вольфрама и его соединений делают большое количество продукции. Металл применяют практически во всех отраслях: от текстильной промышленности до ракетостроения. Такая популярность объясняется химической инертностью, физической прочностью и тугоплавкостью материала.