Вольфрам свойства и применение

Еще в 16 веке был известен минерал вольфрамит, который в переводе с немецкого (Wolf Rahm) означает «волчьи сливки». Такое название минерал получил в связи со своими особенностями. Дело в том, что вольфрам, который сопровождал оловянные руды, во время выплавки олова превращал его просто в пену шлаков, поэтому и говорили: «пожирает олово, как волк овцу». Спустя время, именно от вольфрамита и было унаследовано 74 химическим элементом периодической системы название вольфрам.

Вольфрам свойства и применение

Характеристики вольфрама

Вольфрам является переходным металлом светло-серого цвета. Имеет внешнее сходство со сталью. В связи с обладанием достаточно уникальными свойствами, данный элемент является очень ценным и редким материалом, чистый вид которого в природе отсутствует. Вольфрам обладает:

  • достаточно высокой плотностью, которая приравнивается к 19,3 г/см 3 ;
  • высокой температурой плавления, составляющей 3422 0 С;
  • достаточным электросопротивлением – 5,5 мкОм*см;
  • нормальным показателем коэффициента параметра линейного расширения, равняющегося 4,32;
  • наивысшей среди всех металлов температурой кипения, равняющейся 5555 0 С;
  • низкой скоростью испарения, даже не смотря на температуры, превышающие 200 0 С;
  • относительно низкой электропроводностью. Однако, это не мешает вольфраму оставаться хорошим проводником.
Таблица 1. Свойства вольфрама

ХарактеристикаЗначение
Свойства атома
Название, символ, номерВольфра́м / Wolframium (W), 74
Атомная масса (молярная масса)183,84(1)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация[Xe] 4f14 5d4 6s2
Радиус атома141 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус170 пм
Радиус иона(+6e) 62 (+4e) 70 пм
Электроотрицательность2,3 (шкала Полинга)
Электродный потенциалW ← W3+ 0,11 ВW ← W6+ 0,68 В
Степени окисления6, 5, 4, 3, 2, 0
Энергия ионизации (первый электрон)769,7 (7,98) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)19,25[2] г/см³
Температура плавления3695 K (3422 °C, 6192 °F)[2]
Температура кипения5828 K (5555 °C, 10031 °F)[2]
Уд. теплота плавления
Уд. теплота испарения4482 кДж/кг 824 кДж/мольМолярная теплоёмкость24,27[5] Дж/(K·моль)Молярный объём9,53 см³/мольКристаллическая решётка простого веществаСтруктура решёткикубическая объёмноцентрированнаяПараметры решётки3,160 ÅТемпература Дебая310 KПрочие характеристикиТеплопроводность(300 K) 162,8[6] Вт/(м·К)Номер CAS7440-33-7

Все это делает вольфрам очень прочным металлом, который не поддается механическим повреждениям. Но наличие таких уникальных свойств не исключает присутствие недостатков, которые также есть у вольфрама. К ним относятся:

  • высокая ломкость при воздействии на него очень низких температур;
  • высокая плотность, что затрудняет процесс его обработки;
  • низкая сопротивляемость кислотам при низких температурах.

Получение вольфрама

Вольфрам, наряду с молибденом, рубидием и рядом других веществ, входит в группу редких металлов, которые характеризуются очень малым распространением в природе. В связи с этим, его нельзя добыть традиционным способом, как многие полезные ископаемые. Таким образом, промышленное получение вольфрама состоит из следующих этапов:

  • добычи руды, в составе которой содержится определенная доля вольфрама;
  • организации надлежащих условий, в которых можно выделить металл от перерабатываемой массы;
  • концентрации вещества в виде раствора или осадка;
  • очистки получившегося в результате предыдущего этапа химического соединения;
  • выделении чистого вольфрама.

Таким образом, чистое вещество из добытой руды, содержащей вольфрам, можно выделить несколькими способами.

  1. В результате обогащения вольфрамовой руды гравитацией, флотацией, магнитной или электрической сепарацией. В процессе этого образуется вольфрамовый концентрат, на 55-65% состоящий из ангидрида (трехокиси) вольфрама WO3. В концентратах данного металла ведется контроль за содержанием примесей, в качестве которых могут выступать фосфор, сера, мышьяк, олово, медь, сурьма и висмут.
  2. Как известно, трехокись вольфрама WO3 является основным материалом для выделения металлического вольфрама или карбида вольфрама. Получение WO3­­ происходит в результате разложения концентратов, выщелачивания сплава или спека и др. В таком случае, на выходе образуется материал на 99,9% состоящий из WO3.
  3. Из ангидрида вольфрама WO3. Именно путем восстановления данного вещества водородом или углеродом получают вольфрамовый порошок. Применения второго компонента для восстановительной реакции применяют реже. Это связано с насыщением в процессе реакции WO3 карбидами, в результате чего металл теряет свою прочность и его становится тяжелее обработать. Вольфрамовый порошок получают особыми способами, благодаря которым становится возможным проводить контроль его химического состава, размеров и формы зерен, а также гранулометрического состава. Так, фракцию частиц порошка можно увеличить путем быстрого нарастания температуры или низкой скоростью подачи водорода.
  4. Производство компактного вольфрама, который имеет вид штабиков или слитков и представляет собой заготовку для дальнейшего изготовления полуфабрикатов – проволоки, прутков, ленты и др.
Читать также:  Что такое стусло для чего оно нужно

Последний способ, в свою очередь, включает в себя два возможных варианта. Один из них связан с методами порошковой металлургии, а другой – с плавкой в электрических дуговых печах с расходуемым электродом.

Метод порошковой металлургии

В силу того, что благодаря данному способу можно равномернее распределить присадки, наделяющие вольфрам особыми его свойствами, он более популярен.

Он включает несколько этапов:

  1. Металлический порошок прессуется в штабики;
  2. Заготовки подвергаются спеканию при низких температурах (так называемое, предварительное спекание);
  3. Сваривание заготовок;
  4. Получение полуфабрикатов путем обработки заготовок. Реализация данного этапа осуществляется ковкой или механической обработкой (шлифовка, полировка). Стоит отметить, что механическая обработка вольфрама становится возможной только под воздействием высоких температур, в противном случае, его обработать невозможно.

При этом, порошок должен быть хорошо очищен с максимально допустимым процентным содержанием примесей до 0,05%.

Данный метод позволяет получить вольфрамовые штабики, имеющие квадратное сечение от 8х8 до 40х40 мм и длину в 280-650 мм. Стоит отметить, что в условиях комнатных температур они достаточно прочны, однако имеют повышенную хрупкость.

Плавка

Данный способ применяется, если необходимо получить вольфрамовые заготовки достаточно крупных габаритов – от 200 кг до 3000 кг. Такие заготовки, как правило, необходимы для проката, вытяжки труб, изготовления изделий путем литья. Для плавки необходимо создание специальных условий – вакуум или разреженная атмосфера водорода. На выходе образуются слитки вольфрама, обладающие крупнокристаллической структурой, а также высокой хрупкостью в связи с наличием большого количества примесей. Содержание примесей можно снизить за счет предварительной плавки вольфрама в электронно-лучевой печи. Однако, структура при этом остается неизменной. В связи с чем, для уменьшения размера зерна происходит дальнейшая плавка слитков, но уже в электрической дуговой печи. При этом, в процессе плавки к слиткам добавляются легирующие вещества, наделяющие вольфрам особыми свойствами.

Чтобы получить вольфрамовые слитки, имеющие мелкозернистую структуру, используют дуговую гарниссажную плавку с разливкой металла в изложницу.

Способ получения металла определяет наличие в нем присадок и примесей. Таким образом, сегодня производится несколько марок вольфрама.

Марки вольфрама

  1. ВЧ – чистый вольфрам, в котором отсутствуют какие-либо присадки;
  2. ВА – металл, имеющий в своем составе алюминиевую и кремнещелоную присадку, которые наделяют его дополнительными свойствами;
  3. ВМ – металл, имеющий в своем составе ториевую и кремнещелочную присадку;
  4. ВТ – вольфрам, в составе которого содержится оксид тория в качестве присадки, что существенно повышает эмиссионные свойства металла;
  5. ВИ – металл, содержащий оксид иттрия;
  6. ВЛ – вольфрам с окисью лантана, что также повышает эмиссионные свойства;
  7. ВР – сплав рения и вольфрама;
  8. ВРН – какие-либо присадки в металле отсутствуют, однако могут присутствовать примеси в больших объемах;
  9. МВ – сплав вольфрама с молибденом, что существенно повышает прочность после отжига, сохраняя при этом пластичность.

Где применяется вольфрам?

Благодаря своим уникальным свойствам, 74 химический элемент стал незаменимым во многих промышленных отраслях.

  1. Основное применение вольфрама – в качестве основы для производства тугоплавких материалов в металлургии.
  2. С обязательным участием вольфрама производятся нити накаливания, являющиеся главным элементом приборов освещения, кинескопов, а также иных вакуумных труб.
  3. Также данный металл лежит в основе производства тяжелых сплавов, используемых в качестве противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий.
  4. Вольфрам является электродами при аргонно-дуговой сварке;
  5. Его сплавы отличаются высокой устойчивостью к воздействиям различных температур, кислой среде, а также твердостью и устойчивостью к истиранию, в связи с чем применяются при производстве хирургических инструментов, брони танков, торпедных и снарядных оболочек, деталей самолетов и двигателей, а также контейнеров для хранения ядерных отходов;
  6. Вакуумные печи сопротивления, температура в которых достигает предельно высоких величин, оборудованы нагревательными элементами, произведенными также из вольфрама;
  7. Использование вольфрама популярно для обеспечения защиты от ионизирующего излучения.
  8. Соединения вольфрама используются в качестве легирующих элементов, высокотемпературных смазок, катализаторов, пигментов, а также для преобразования тепловой энергии в электрическую (дителлурид вольфрама).

Вольфра́м — химический элемент с атомным номером 74 в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, обозначается символом W (лат. Wolframium). При нормальных условиях представляет собой твёрдый блестящий серебристо-серый переходный металл.

Вольфрам — самый тугоплавкий из металлов. Более высокую температуру плавления имеет только неметаллический элемент — углерод. При стандартных условиях химически стоек.

История происхождения названия

Название Wolframium перешло на элемент с минерала вольфрамит, известного ещё в XVI в. под названием «волчья пена» — «Spuma lupi» на латыни, или «Wolf Rahm» по-немецки. Название было связано с тем, что вольфрам, сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков («пожирает олово как волк овцу»).

Читать также:  Как правильно установить выключатель с индикатором

В настоящее время в США, Великобритании и Франции для вольфрама используют название «tungsten» (швед. tung sten — «тяжелый камень»).

В 1781 году знаменитый шведский химик Шееле, обрабатывая азотной кислотой минерал шеелит, получил жёлтый «тяжёлый камень» (триоксид вольфрама). В 1783 году испанские химики братья Элюар сообщили о получении из саксонского минерала вольфрамита как растворимой в аммиаке жёлтой окиси нового металла, так и самого металла. При этом один из братьев, Фаусто, был в Швеции в 1781 году и общался с Шееле. Шееле не претендовал на открытие вольфрама, а братья Элюар не настаивали на своём приоритете.

Получение

Сырьём для получения Вольфрама служат вольфрамитовые и шеелитовые концентраты (50-60% WO3).

Из концентратов непосредственно выплавляют ферровольфрам (сплав железа с 65-80% Вольфрама), используемый в производстве стали; для получения Вольфрама, его сплавов и соединений из концентрата выделяют вольфрамовый ангидрид.

В промышленности применяют несколько способов получения WО3:

1. Шеелитовые концентраты разлагают в автоклавах раствором соды при 180-200°С (получают технический раствор вольфрамата натрия) или соляной кислотой (получают техническую вольфрамовую кислоту):

Вольфрамитовые концентраты разлагают либо спеканием с содой при 800-900°С с последующим выщелачиванием Na2WO4 водой, либо обработкой при нагревании раствором едкого натра. При разложении щелочными агентами (содой или едким натром) образуется раствор Na2WO4, загрязнённый примесями. После их отделения из раствора выделяют H2WO4. Для получения более грубых, легко фильтруемых и отмываемых осадков вначале из раствора Na2WO4 осаждают CaWO4, который затем разлагают соляной кислотой. Высушенная H2WO4 содержит 0,2 – 0,3% примесей.

Прокаливанием H2WO4 при 700-800°С получают WO3, а уже из него – твёрдые сплавы.

2. Для производства металлического Вольфрама H2WO4 дополнительно очищают аммиачным способом – растворением в аммиаке и кристаллизацией паравольфрамата аммония 5(NH4)2O·12WO3·nH2O. Прокаливание этой соли даёт чистый WO3.

3. Порошок Вольфрама получают восстановлением WO3 водородом (а в производстве твёрдых сплавов – также и углеродом) в трубчатых электрических печах при 700-850°С. Компактный металл получают из порошка металлокерамическим методом, то есть прессованием в стальных пресс-формах под давлением 3000-5000 (кг*с/см 2 )и термической обработкой спрессованных заготовок – штабиков. Последнюю стадию термической обработки – нагрев примерно до 3000°С проводят в специальных аппаратах непосредственно пропусканием электрического тока через штабик в атмосфере водорода. В результате получают Вольфрам, хорошо поддающийся обработке давлением (ковке, волочению, прокатке и т. д.) при нагревании.

Вольфрам — блестящий светло-серый металл, имеющий самые высокие доказанные температуры плавления и кипения (предполагается, что сиборгий ещё более тугоплавок, но пока что об этом твёрдо утверждать нельзя — время существования сиборгия очень мало). Температура плавления — 3695 K (3422 °C), кипит при 5828 K (5555 °C). Плотность чистого вольфрама составляет 19,25 г/см³. Обладает парамагнитными свойствами. Твёрдость по Бринеллю 488 кг/мм², удельное электрическое сопротивление при 20 °C — 55·10−9 Ом·м, при 2700 °C — 904·10−9 Ом·м. Хорошо поддаётся ковке и может быть вытянут в тонкую нить.

Имеет валентность II, III и VI. Наиболее устойчив VI валентный вольфрам. II, III валентные соединения вольфрама неустойчивы и практического значения не имеют.

В обычных условиях Вольфрам химически стоек. При 400-500°С окисляется на воздухе до WO3. Пары воды интенсивно окисляют его выше 600°С до WO3. Галогены, сера, углерод, кремний, бор взаимодействуют с Вольфрамом при высоких температурах (фтор с порошкообразным вольфрамом – при комнатной). С водородом Вольфрам не реагирует вплоть до температуры плавления; с азотом выше 1500°С образует нитрид. При обычных условиях Вольфрам стоек к соляной, серной, азотной и плавиковой кислотам, а также к царской водке; при 100°С слабо взаимодействует с ними; быстро растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот.

Вольфрам свойства и применение

В растворах щелочей при нагревании Вольфрам растворяется слегка, а в расплавленных щелочах при доступе воздуха или в присутствии окислителей – быстро; при этом образуются вольфраматы.

Вольфрам свойства и применение

Вольфрам свойства и применение

Вольфрам образует четыре оксида:

высший – WO3 (вольфрамовый ангидрид),

Вольфрамовый ангидрид – кристаллический порошок лимонно-жёлтого цвета, растворяющийся в растворах щелочей с образованием вольфраматов. При его восстановлении водородом последовательно образуются низшие оксиды и вольфрам.

Вольфрамовому ангидриду соответствует вольфрамовая кислота H2WO4 – желтый порошок, практически не растворимый в воде и в кислотах. При ее взаимодействии с растворами щелочей и аммиака образуются растворы вольфраматов. При 188°С Н24 разлагается с образованием WO3 и воды.

С хлором вольфрам образует ряд хлоридов и оксихлоридов. Наиболее важные из них: WCl6 (tпл 275°С, tкип 348°C) и WO2Cl2 (tпл 266°С, выше 300°С сублимирует), получаются при действии хлора на вольфрамовый ангидрид в присутствии угля.

Читать также:  Чем можно отмыть краску с натяжного потолка

Вольфрам свойства и применение

Вольфрам свойства и применение

С серой вольфрам образует два сульфида WS2 и WS3.

Вольфрам свойства и применение

Вольфрам свойства и применение

Карбиды вольфрама WC (tпл2900°C) и W2C (tпл 2750°С) – твердые тугоплавкие соединения; получаются при взаимодействии Вольфрама с углеродом при 1000-1500°С

Вольфрам свойства и применение

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.

Вольфрам свойства и применение

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.

Вольфрам свойства и применение

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.

Вольфрам свойства и применение

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».

Вольфрам свойства и применение

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.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *