Природа-мать обогатила человечество полезными химическими элементами. Некоторые из них скрыты в ее недрах и содержатся в относительно малом количестве, но их значение очень существенно. Одним из таких является вольфрам. Применение его обусловлено особыми свойствами.
История происхождения
XVIII век – век открытия таблицы Менделеева - стал основополагающим и в истории этого металла.
Ранее принималось существование некоего вещества, входящего в состав минеральных пород, которое мешало выплавке из них нужных металлов. К примеру, получение олова было затруднено, если в руде содержался такой элемент. Разность температур плавления и химические реакции приводили к образованию шлаковой пены, что уменьшало количество оловянного выхода.
В VIII веке металл был последовательно открыт шведским ученым Шееле и испанцами братьями Элюар. Произошло это вследствие химических экспериментов по окислению минеральных пород - шеелита и вольфрамита.
Зарегистрирован в периодической системе элементов в соответствии с атомным номером 74. Редкий тугоплавкий металл с атомной массой 183,84 – это вольфрам. Применение его обусловлено необычными свойствами, открытыми уже в течение XX века.
Где искать?
По количеству в недрах земли он является «малонаселяющим» и занимает 28-е место. Является компонентом около 22 различных минералов, однако существенное значение для его добычи имеют только 4 из них: шеелит (содержит около 80 % триоксида), вольфрамит, ферберит и гюбнерит (имеют в составе по 75-77 % каждый). В составе руд чаще всего содержатся примеси, в некоторых случаях производится параллельное «извлечение» таких металлов, как молибден, олово, тантал и проч. Наибольшие залежи находятся в Китае, Казахстане, Канаде, США, также есть в России, Португалии, Узбекистане.
Как получают?
В связи с особыми свойствами, а также малым содержанием в породах, технология получения чистого вольфрама достаточно сложная.
- Магнитная сепарация, электростатическая сепарация или флотация с целью обогащения руды до 50-60 % концентрации вольфрамового оксида.
- Выделение 99 % окиси путем химических реакций со щелочными или кислотными реагентами и поэтапного очищения получаемого осадка.
- Восстановление металла с помощью углерода или водорода, выход соответствующего металлического порошка.
- Изготовление слитков или порошковых спеченных брикетов.
Одним из важных этапов получения металлургической продукции является порошковая металлургия. Она основана на смешивании порошкообразных тугоплавких металлов, их прессовании и последующем спекании. Таким образом получают большое количество технологически важных сплавов, в том числе карбид вольфрама, применение которому найдено в основном в промышленном производстве режущих инструментов повышенной мощности и стойкости.
Физические и химические свойства
Вольфрам – тугоплавкий и тяжелый металл серебристого цвета с объёмно-центрированной кристаллической решеткой.
- Температура плавления - 3422 ˚С.
- Температура кипения - 5555 ˚С.
- Плотность - 19,25 г/см3.
Является хорошим проводником электрического тока. Не магнитится. Некоторые минералы (например, шеелит) люминесцентные.
Стоек к влиянию кислот, агрессивных веществ в среде высоких температур, коррозии и старению. Деактивации влияния отрицательных примесей в сталях, улучшению ее жаропрочности, коррозионной стойкости и надежности также способствует вольфрам. Применение таких железоуглеродистых сплавов оправдано их технологичностью и износостойкостью.
Механические и технологические свойства
Вольфрам – твердый, прочный металл. Его твердость составляет 488 НВ, предел прочности – 1130-1375 МПа. В холодном состоянии не пластичен. При температуре 1600 ˚С повышается пластичность до состояния абсолютной податливости к обработке давлением: ковке, прокатке, волочению. Известно, что 1 кг этого металла позволяет изготавливать нить общей длиной до 3 км.
Обработка резанием затруднена в силу чрезмерной твердости и хрупкости. Для сверления, точения, фрезерования используются твердосплавные вольфрамокобальтовые материалы, изготовленные методом порошковой металлургии. Реже, при низких скоростях и особых условиях, применяются инструменты из быстрорежущей легированной вольфрамсодержащей стали. Стандартные принципы резки неприменимы, так как оборудование чрезвычайно быстро изнашивается, а обрабатываемый вольфрам растрескивается. Применяются следующие технологии:
- Химическая обработка и пропитка поверхностного слоя, в том числе использование с этой целью серебра.
- Нагрев поверхности с помощью печей, газового пламени, электрического тока силой 0,2 А. Допустимая температура, при которой происходит некоторое повышение пластичности и, соответственно, улучшается резка, – 300-450 ˚С.
- Резание вольфрама с применением легкоплавких веществ.
Заточку и шлифование целесообразно проводить с помощью алмазных и эльборовых инструментов, реже – корундовых.
Сварка данного тугоплавкого металла производится в основном под действием электрической дуги, вольфрамовых или угольных электродов в среде инертных газов или жидких защит. Также возможно применение контактной сварки.
Этот особенный химический элемент обладает характеристиками, которые отличают его в общей массе. Так, к примеру, характеризуясь высокой теплостойкостью и износостойкостью, он повышает качество и режущие свойства легированных вольфрамсодержащих сталей, а высокая температура плавления позволяет изготавливать нити накала для лампочек и электроды для сварки.
Применение
Редкость, необычность и важность обуславливают широкое использование в современной технике металла под названием Tungsten – вольфрам. Свойства и применение оправдывают высокую стоимость и востребованность. Высокие показатели температуры плавления, твердости, прочности, жаростойкости и стойкости к химическим воздействиям и коррозии, износостойкости и резальных особенностей – вот основные его козыри. Варианты использования:
- Нити накаливания.
- Легирование сталей с целью получения быстрорежущих, износостойких, жаростойких и жаропрочных железоуглеродистых сплавов, находящих применение для производства сверл и других инструментов, пуансонов, пружин и рессор, рельс.
- Изготовление «порошковых» твердых сплавов, применяемых в основном в качестве особо износостойких режущих, буровых или прессовочных инструментов.
- Электроды для аргонодуговой и контактной сварки.
- Изготовление деталей для рентгеновской и радиотехники, различных технических ламп.
- Специальные светящиеся краски.
- Проволока и детали для химической промышленности.
- Различная практичная мелочевка, к примеру, мормышки для рыбалки.
Приобретают популярность различные сплавы, в состав которых входит вольфрам. Область применения таких материалов порой удивляет – начиная от тяжелого машиностроения и заканчивая легкой промышленностью, где изготавливаются ткани с особыми свойствами (например, огнестойкие).
Универсальных материалов не существует. Каждый известный элемент и созданные сплавы отличаются своей уникальностью и необходимостью для определенных сфер жизни и промышленности. Однако некоторые из них обладают особыми свойствами, делающими ранее неосуществимые процессы возможными. Одним из таких металлов является вольфрам. Применение его недостаточно широко, как у стали, но каждый из вариантов предельно полезен и необходим человечеству.
