главная > справочник > химическая энциклопедия:ВОЛЬФРАМА СПЛАВЫ

Основные характеристики

Как самый тугоплавкий металл, вольфрам имеет специфические свойства:

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

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

Вольфрамовая проволока

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

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

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

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

ВОЛЬФРА́МОВЫЕ СПЛА́ВЫ

ВОЛЬФРА́МОВЫЕ СПЛА́ВЫ, спла­вы на ос­но­ве вольф­ра­ма. В ка­че­ст­ве ле­ги­ру­ющих до­ба­вок при­ме­ня­ют­ся ме­тал­лы (напр., $\ce{Mo, Re, Cu, Ni, Ag}$), ок­си­ды ($\ce{ThO2, Y2O3, La2O3}$), кар­би­ды ($\ce{TaC, ZrC, HfC}$) и др. В. с. ха­рак­те­ри­зу­ют­ся вы­со­ки­ми ту­го­плав­ко­стью и жа­ро­проч­но­стью. В за­ви­си­мо­сти от со­ста­ва спла­ва и спо­со­ба про­из-ва В. с. име­ют пре­дел проч­но­сти 1000–6000 МПа при 20 °C, дли­тель­ную (до 100 ч) проч­ность 80–140 МПа при 1200 °C, вы­со­кое со­про­тив­ле­ние пол­зу­че­сти при 1100–2500 °C, низ­кие диф­фу­зи­он­ную по­движ­ность и ко­эф. тер­мич. рас­ши­ре­ния (4,32·10–6 К–1 при 273–373 К), вы­со­кие те­п­ло­про­вод­ность (177–200 Вт/м·К), элек­тро­про­вод­ность (4,84 мкОм·см при 273 К) и со­про­тив­ле­ние кор­ро­зии в ки­сло­тах, рас­пла­вах лег­ко­плав­ких ме­тал­лов, стё­кол, ок­сид­ной ке­ра­ми­ки и др.

В про­цес­се про­из-ва В. с. не­об­хо­ди­мы: очи­ст­ка ших­ты – для умень­ше­ния низ­ко­тем­пе­ра­тур­ной хруп­ко­сти, вы­зван­ной низ­кой проч­но­стью гра­ниц зё­рен из-за за­гряз­не­ния их разл. при­ме­ся­ми; тер­ми­че­ская об­ра­бот­ка – для пе­ре­рас­пре­де­ле­ния и сни­же­ния удель­ной кон­цен­тра­ции при­ме­сей на гра­ни­це зё­рен; де­фор­ма­ция – для из­мель­че­ния зё­рен. Вво­ди­мые ле­ги­рую­щие до­бав­ки ока­зы­ва­ют разл. дей­ст­вие. Напр., $\ce{Mo}$ (при со­дер­жа­нии ок. 2%) су­ще­ст­вен­но из­мель­ча­ет зер­но вольф­ра­ма; $\ce{Fe, Ni, Pd, Ru, Re}$ (до 0,3%) эф­фек­тив­но воз­дей­ст­ву­ют на вы­тес­не­ние де­фек­тов и при­ме­сей с гра­ниц зё­рен; ред­кие и ред­ко­зе­мель­ные ме­тал­лы (напр., до 1% $\ce{Ti, Y}$) свя­зы­ва­ют при­сут­ст­вую­щий в спла­ве ки­сло­род в ту­го­плав­кие ок­си­ды; $\ce{Re}$ по­вы­ша­ет пла­стич­ность (т. н. ре­ние­вый эф­фект); ту­го­плав­кие ок­си­ды ($\ce{ThO2, Y2O3, La2O3}$ и др.) улуч­ша­ют эмис­си­он­ные свой­ст­ва; вве­де­ние мик­ро­при­са­док ($\ce{Al2O3 + K2O + SiO2}$) обес­пе­чи­ва­ет фор­ми­ро­ва­ние вы­тя­ну­тых зё­рен при вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной ре­крис­тал­ли­за­ции, что при­ме­ня­ет­ся в про­из-ве силь­но тя­ну­той про­во­ло­ки (т. н. не­про­ви­саю­щий В. с. для ни­тей на­ка­ли­ва­ния ос­ве­тит. ламп). В спла­вах на ос­но­ве $\ce{W – Re – Mo}$ вве­де­ние до 0,4% кар­би­дов и до 2% ок­си­дов по­вы­ша­ет вяз­кость раз­ру­ше­ния (тре­щи­но­стой­кость), а кар­би­ды $\ce{Zr}$ и $\ce{Hf}$, об­ра­зую­щие дис­перс­ные час­ти­цы (10–100 нм), уве­ли­чи­ва­ют жа­ро­проч­ность спла­ва (напр., пре­дел проч­но­сти ли­то­го В. с. 350–450 МПа, 220–350 МПа и 150–200 МПа при 1800, 2000 и 2300 °C со­от­вет­ст­вен­но).

В. с. по­лу­ча­ют ме­то­да­ми по­рош­ко­вой ме­тал­лур­гии или сплав­ле­ни­ем ком­по­нен­тов в ду­го­вых и элек­трон­но-лу­че­вых пе­чах; во из­бе­жа­ние окис­ле­ния все опе­ра­ции про­во­дят в вос­ста­но­ви­тель­ной (во­до­род) или инерт­ной (ар­гон) ат­мо­сфе­ре. Спла­вы про­из­во­дят в ви­де шта­би­ков, по­рош­ко­вых из­де­лий слож­ной фор­мы, слит­ков, фа­сон­ных от­ли­вок, мо­но­кри­стал­лов. Кро­ме то­го, из­де­лия слож­ной фор­мы, в т. ч. пер­фо­ри­ро­ван­ные, по­лу­ча­ют га­зо­фаз­ным оса­ж­де­ни­ем при дис­со­циа­ции хло­ри­дов или фто­ри­дов вольф­ра­ма. Де­фор­ма­цию по­рош­ко­вых и ли­тых спла­вов осу­ще­ст­в­ля­ют при по­сте­пен­ном по­ни­же­нии темп-ры (от 2000 до 400 °C) экс­тру­зи­ей, ков­кой, штам­пов­кой, про­кат­кой, во­ло­че­ни­ем и др.; при­ме­ня­ет­ся так­же на­вив­ка спи­ра­лей из про­во­ло­ки, вы­руб­ка лис­та, пай­ка, диф­фу­зи­он­ная и элек­трон­но-лу­че­вая свар­ка.

Из В. с. из­го­тов­ля­ют ни­ти в лам­пах на­ка­ли­ва­ния, ка­то­ды в ис­точ­ни­ках све­та, пре­ци­зи­он­ные кон­так­ты, вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ные тер­мо­па­ры, вы­во­ды элек­тро­ва­ку­ум­ных при­бо­ров, на­гре­ва­те­ли элек­тро­пе­чей, сва­роч­ные элек­тро­ды, плаз­мо­тро­ны, ано­ды и ка­то­ды рент­ге­нов­ских тру­бок, тиг­ли, ис­поль­зуе­мые для ва­ку­ум­ной ме­тал­ли­за­ции и рас­пла­вов ке­ра­мик, лег­ко­плав­ких ме­тал­лов, вы­ра­щи­ва­ния мо­но­кри­стал­лов гра­на­тов, сап­фи­ра и др. К вольф­ра­мо­вым так­же от­но­сят­ся тя­жё­лые спла­вы (на ос­но­ве $\ce{W – Ni – Fe \:и \:W – Ni – Cu}$), при­ме­няе­мые для из­го­тов­ле­ния бо­е­при­па­сов, кон­тей­не­ров для хра­не­ния ра­дио­ак­тив­ных изо­то­пов, ро­то­ров ги­ро­ско­пов, в элит­ном спорт­ин­вен­та­ре и др.; твёр­дые спла­вы (на ос­но­ве кар­би­да вольф­ра­ма – $\ce{WC}$) – для из­го­тов­ле­ния ре­жу­щих ин­ст­ру­мен­тов; «по­тею­щие» спла­вы (на ос­но­ве $\ce{W – Cu}$), при­ме­няе­мые в со­плах ра­кет­ных дви­га­те­лей.

Получение вольфрама

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

Вольфрамовые прутки

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

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

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

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

Вольфрам

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

ВОЛЬФРАМА СПЛАВЫ

ВОЛЬФРАМА СПЛАВЫ, сплавы на основе вольфрама. Различают однофазные и гетерофазные. В последних легирующие элементы или их соед. с W образуют самостоят. фазы, равномерно распределенные во всем объеме материала.

К однофазным относятся сплавы, легированные Мо, Та, Nb, Сг и Re. Среди них наиб. прочностью при растяжении отличается сплав, содержащий 15% Мо (табл. 1). Сплавы, легированные Re, сочетают пластичность в рекристаллизованном состоянии с высокой прочностью; наиб. применение нашли сплавы с 25-27% Re.

Та б л 1.-ХАРАКТЕРИСТИКА СПЛАВОВ ВОЛЬФРАМА

1 При 2200°С 49 МПа. 2 Т-ра 1880°С. 3 Содержание в атомных %. 4,5 При 2250 °С соотв. 145 и 243 МПа.

Гетерофазные вольфрама сплава содержат 0,15-0,60 атомных % углерода и 0,2-0,6% Zr или Nb (Hf или Та). При 2300 °С и выше эти сплавы представляют собой пересыщенные твердые р-ры легирующих элементов в W. Ниже 2300 °С из них выделяются высокодисперсные частицы карбидов [Zr(Hf)W]C или [Ta(Nb)W]C (упрочняющая фаза), повышающих высокотемпературную прочность сплавов. Поэтому такие сплавы наз. дисперсноупрочненными. Оптим. содержание карбидной фазы 0,3-0,6 мольных %.

Высокой прочностью при т-рах, составляющих 0,6-0,7 от т-ры плавления сплава, обладают эвтектич. сплавы. Так, для сплава, содержащего 12,7% Nb, 0,14% Zr, 0,29% V и 0,19% С, при 2000 °С 420 МПа. Эвтектич. сплавы обладают повыш. т-рой рекристаллизации (от 1800 до 2000 °С). Однако они малопластичны и используются только в литом состоянии.

Высокими прочностью и формоустойчивостью при больших т-рах отличаются гетерофазные вольфрама сплава с добавками оксидов: SiO2 (0,02-0,05% по массе), К2О (0,001%), А12О3 (0,001-0,003%). Так, для проволоки (диам. 100 мкм) из этого сплава составляет при 1500 и 1800°С соотв. 890 и 389 МПа.

В кач-ве упрочняющей фазы используют ThO2 в кол-ве 0,7-5% по массе. Помимо жаропрочности присадка ThO2 увеличивает и электронную эмиссию сплава. Для прутков (диам. 2 мм), изготовленных из сплава, содержащего 1,5% по массе ThO2, при 1500, 1800 и 2000 °С составляет соотв. 200, 100 и 80 МПа.

Сочетанием высоких прочности и пластичности с коррозионной стойкостью и способностью поглощатьизлучение отличаются гетерофазные сплавы высокой плотности W-Cu-Ni и W-Fe-Ni (содержание W до 90-95%). Эти сплавы представляют собой системы, в к-рых кристаллич. фаза W сцементирована связкой из сплава Cu-Ni и Fe-Ni (табл. 2). К сплавам высокой плотности можно отнести также псевдосплавы, содержащие 12-30% по объему Си или Ag. Последние получают пропиткой пористой вольфрамовой заготовки расплавом Си или Ag. Сплавы отличаются повыш. твердостью, высокими электрич. проводимостью и теплопроводностью.

Та б л 2.-ХАРАКТЕРИСТИКА СПЛАВОВ ВОЛЬФРАМА ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ

Основу т. наз. твердых вольфрама сплавов составляют зерна карбида, сцементированные (при жидкофазном спекании) кобальтом (табл. 3). Карбидная фаза может состоять из одного вольфрама карбида (WC), двух карбидов (TiC и WC) или трех (TiC, TaC и WC). Твердость сплавов на основе WC в зависимости от содержания WC изменяется от 900 до 830 МПа (по Роквеллу), на основе WC и TiC 920-870 МПа, на основе WC, TiC и ТаС 890-870 МПа (также по Роквеллу).

Табл. 3.-ХАРАКТЕРИСТИКА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ВОЛЬФРАМА

Компактные заготовки из вольфрама сплавов получают вакуумной плавкой (дуговой и электронно-лучевой) или методами порошковой металлургии. Плавку осуществляют в охлаждаемых водой медных кристаллизаторах с непрерывной вытяжкой слитка по мере его кристаллизации. Порошки W и легирующих элементов заданного гранулометрич. состава смешивают, а затем прессуют из них под давл. 150-600 кПа штабики. Последние спекают в среде водорода при 1150-1300 °С в электрич. печах, а затем при т-рах до 3000 °С, пропуская через заготовки электрич. ток. Заготовки из вольфрама сплавов сложной формы получают восстановлением WF6, MoF6 и ReF6водородом путем осаждения выделяющихся металлов на нагретой пов-сти.

Сплавы с Мо (15%) используют для изготовления поковок, сопел ракет и изделий, работающих под высокими нагрузками, сплавы с Re (20 и 5%) — для произ-ва высокотемпературных термопар. Из сплавов W-Mo-Re и W-Re изготовляют катоды и др. детали в электровакуумной технике. Эвтектич. сплавы применяют при создании форм (матрицы, волоки), используемых для высокотемпературной обработки металлов давлением. Сплавы, легированные ТhO2,- материалы катодов для электронных и электротехн. приборов. Из сплавов с добавками оксидов Si, К и А1 получают нити накаливания осветительных ламп всех видов. Из сплавов W-Ni-Cu и W-Te-Ni изготовляют экраны для защиты от радиоактивного излучения и детали инерц. приборов, из сплавов W-Cu и W-Ag — электроконтакты, электроды для контактной сварки, прерыватели высокого напряжения и др. Твердые вольфрама сплава используют для изготовления инструментов для буровых работ в крепких породах, обработки металлов резанием, волочением, холодной штамповкой и др. Дисперсноупрочненные сплавы — перспективные материалы для изготовления элементов конструкций, работающих под нагрузкой при высоких т-рах.

=== Исп. литература для статьи «ВОЛЬФРАМА СПЛАВЫ»: Свойства и применение металлов и сплавов для электровакуумных приборов. Справочное пособие, М., 1973; Копейки и Ч. В., Структура и свойства тугоплавких металлов, М., 1974; Савицкий Е. М., Поварова К. Б., Макаров П. В., Металловедение вольфрама. М.. 1978; Зеликман А. Н., Никитина Л. С., Вольфрам, М., 1978. Ю.М.Королев, B.C. Фастовский.

Страница «ВОЛЬФРАМА СПЛАВЫ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

Применение вольфрама

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

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

Сверла из вольфрама

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

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

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

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