Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
До групи металів, що відрізняються високими показниками тугоплавкости, відноситься і вольфрам. Він був відкритий в Швеції хіміком по імені Шеєле. Саме йому вдалося першому в 1781 році з мінералу вольфрамит виділити оксид невідомого металу. Вольфрам в чистому вигляді вченому вдалося отримати після 3 років.
опис
Вольфрам відноситься до групи матеріалів, які часто використовуються в різних галузях промисловості. Він позначається буквою W і в таблиці Менделєєва має порядковий номер 74. Для нього характерний світло-сірий колір. Одне з його характерних якостей - висока тугоплавкость. Температура плавлення вольфраму становить 3380 градусів Цельсія. Якщо розглядати його з точки зору застосування, то найважливішими якостями цього матеріалу є:
- щільність;
- Температура плавлення;
- електричний опір;
- коефіцієнт лінійного розширення.
Обчислюючи його характерні якості, необхідно виділити високу точку кипіння, яка знаходиться н а рівні 5 900 градусів Цельсія. Ще одна його особливість - мала швидкість випаровування. Вона невисока навіть в температурних умовах 2000 градусів Цельсія. За такій властивості, як електропровідність цей метал в 3 рази перевершує такий поширений сплав, як мідь.
Фактори, що обмежують застосування вольфраму
Є ряд факторів, які обмежують застосування цього матеріалу:
- висока щільність;
- значна схильність до ламкості в умовах низьких температур;
- малий опір окисленню.
За своїм зовнішнім виглядом вольфрам має схожість зі звичайною сталлю. Його основне застосування пов'язано головним чином з виробництвом сплавів з високими характеристиками міцності. Цей метал піддається обробці, але тільки якщо його попередньо нагріти. Залежно від обраного типу обробки нагрів проводиться до певної температури. Наприклад, якщо стоїть завдання виробити прутки з вольфраму, то заготовку необхідно попередньо нагріти до температури 1450-1500 градусів Цельсія.
Протягом 100 років вольфрам не застосовувався в промислових цілях. Його використання при виробництві різної техніки стримувалося його високою температурою плавлення.
Початок його промислового застосування пов'язано з 1856 роком, коли він вперше став використовуватися для легування інструментальних марок сталі. При їх виробництві до складу стали додавати вольфрам загальною часткою до 5%. Присутність цього металу в складі стали дозволило підвищити швидкість різання на токарних верстатах з 5 до 8 м в хвилину.
Розвиток промисловості в другій половині XIX століття характеризується активним розвитком галузі виробництва верстатів. Попит на обладнання з кожним роком постійно зростав, що вимагало від машинобудівників отримання якісних характеристик машин, а крім цього підвищення їх робочої швидкості. Першим імпульсом у справі підвищення швидкості різання стало використання вольфраму.
Вже на початку XX століття швидкість різання була доведена до 35 метрів в хвилину. Домогтися цього вдалося за рахунок легування стали не тільки вольфрамом, а й іншими елементами:
- молібденом;
- хромом;
- ванадієм.
Надалі швидкість різання на верстатах зросла до 60 метрів в хвилину. Але, незважаючи на такі високі показники, фахівці розуміли, що є можливість поліпшити цю характеристику. Який спосіб вибрати для підвищення швидкості різання, фахівці довго не думали. Вони вдалися до використання вольфраму, але вже у вигляді карбідів в союзі з іншими металами і їх видами. В даний час цілком звичайною є швидкість різання металу на верстатах 2000 метрів в хвилину.
властивості вольфраму
Як і у будь-якого матеріалу, у вольфраму є свої особливі властивості, завдяки яким він потрапив в групу стратегічних металів. Вище ми вже сказали про те, що одним з переваг цього металу є висока тугоплавкость. Саме завдяки цій властивості матеріал можна використовувати для виготовлення ниток розжарювання.
Температура плавлення у нього знаходиться на рівні 2500 градусів Цельсія. Але тільки цим якістю позитивні властивості цього матеріалу не обмежуються. Є у нього і інші переваги, про які слід сказати. Одне з них - висока міцність, демонстрована в умовах звичайних і підвищених температур. Наприклад, коли залізо і сплави, виготовлені на його основі, нагріваються до температури 800 градусів Цельсія, відбувається зниження міцності в 20 разів. В таких же умовах міцність вольфраму зменшується тільки в три рази. В умовах 1500 градусів Цельсія міцність заліза практично зведена до нуля, а ось у вольфраму вона знаходиться на рівні заліза при звичайній температурі.
В наші дні 80% виробленого в світі вольфраму використовується головним чином при виготовленні сталі високої якості. Більше половини марок сталі, які використовуються машинобудівними підприємствами, містять в своєму складі вольфрам. Вони застосовують їх в якості основного матеріалу для деталей турбін, редукторів, а також використовують такі матеріали для виготовлення компресорних машин. З машинобудівних сталей, що містять вольфрам, виготовляються вали, зубчасті колеса, а також цельнокование ротор.
Крім цього їх застосовують для виготовлення колінчастих валів, шатунів. Додавання до складу машинобудівний стали, крім вольфраму та інших легуючих елементів, підвищує їх прокаливаемость. Крім цього, забезпечується можливість для отримання дрібнозернистої структури. Поряд з цим, у вироблених машинобудівних сталей збільшуються такі характеристики, як твердість і міцність.
При виробництві жароміцних сплавів використання вольфраму є одним з обов'язкових умов. Необхідність застосування саме цього металу обумовлена тим, що він є єдиним, який в змозі витримувати суттєві навантаження в умовах високих температур, що перевищують величину плавлення заліза. Вольфрам і з'єднання на основі цього металу відрізняються високою міцністю і володіють хорошими показниками пружності. В цьому плані вони перевершують інші метали, що входять до групи тугоплавких матеріалів.
мінуси
Однак, перераховуючи переваги вольфраму, не можна не відзначити і недоліки, які притаманні цьому матеріалу.
В якості головного можна називати його низький опір окисленню при температурних умовах вище 700 градусів Цельсія. Тому для матеріалів з вольфраму необхідно додатково забезпечити відповідний захист.- Інший недолік сплавів на основі вольфраму полягає в їх низької пластичності в умовах температури 500 градусів Цельсія.
- Вольфрам - дефіцитний матеріал, що також можна вважати недоліком цього металу.
Вольфрам, який випускається в даний час, містить в складі торій 2%. Такий сплав називається торійований вольфрам. Для нього характерний межа міцності 70 МПа при температурі 2420 градусів Цельсія. Хоча значення цього показника невисоко, але відзначимо, що тільки 5 металів разом з вольфрамом не змінюють свого твердого стану в умовах такої температури.
У цю групу входять молібден, у якого температура плавлення становить 2625 градусів. Ще один метал - технецій. Однак сплави на його основі найближчим часом навряд чи будуть проводитися. Реній і тантал не володіють високою міцністю при таких умовах температури. Тому вольфрам - єдиний матеріал, який в змозі забезпечити достатню міцність при високих температурних навантаженнях. З тієї причини, що він належить до дефіцитних, якщо є можливість для його заміни, то виробники використовують альтернативу йому.
Однак при виробництві окремих компонентів немає матеріалів, які могли б повноцінно замінити вольфрам. Наприклад, при виготовленні ниток розжарювання електроламп і анодів дугових ламп постійного струму застосовується тільки вольфрам, оскільки відповідних замінників просто немає. Також його використовують при виготовленні електродів для аргонодугового та атомно-водневої зварювання. Також із застосуванням цього матеріалу виготовляється нагрівальний елемент, який використовується в умовах от 2000 градусів Цельсія.
застосування
Вольфрам і сплави, що виготовляються на його основі, набули широкого поширення в різних галузях промисловості. Їх використовують при виробництві авіаційних двигунів, застосовують в сфері ракетобудування, а також для виробництва космічної техніки. У цих сферах з використанням цих сплавів виготовляють реактивні сопла, вставки критичних перерізів в двигунах ракет. Крім цього, подібні матеріали використовуються в якості основних для виготовлення сплавів ракет.
Виробництво сплавів з цього металу має одну особливість, яка пов'язана з тугоплавкостью цього матеріалу. В умовах високих температур багато метали змінюють свій стан і перетворюються в гази або сильно леткі рідини. Тому для отримання сплавів, в складі яких присутній вольфрам, використовують методи порошкової металургії.
Такі методи передбачають пресування суміші порошків металів, подальше спікання і подальше подвергание їх дугового плавці, здійснюваної в електродних печах. В окремих випадках спікається вольфрамовий порошок додатково просочують рідким розчином будь-якого іншого металу. Таким чином, виходять псевдосплави з вольфраму, міді, срібла, що використовуються для контактів в електричних установках. У порівнянні з мідними, довговічність у таких виробів вище в 6-8 разів.
У цього металу і сплавів з нього є великі перспективи для подальшого розширення сфери застосування. Перш за все, необхідно відзначити, що на відміну від нікелю ці матеріали можуть працювати на «вогненних» рубежах. Використання замість нікелю вольфрамових виробів призводить до того, що у енергетичних установок підвищуються параметри роботи. А це призводить до зростання ККД обладнання. Крім того, вироби на основі вольфраму легко витримують експлуатацію у важких умовах. Таким чином, можна впевнено заявляти про те, що групу таких матеріалів найближчим часом вольфрам продовжить очолювати.
Вольфрам в електротехніці
Вольфрам посприяв і процесу удосконалення електричної лампи розжарювання. До періоду 1898 року в цих електроосвітлювальних приладах використовувалася вугільна нитка.
- вона була простою у виготовленні;
- її виробництво було недорогим.
Єдиним недоліком вугільної нитки було те, що термін служби у неї був невеликий. Після 1898 року біля вугільної нитки розжарювання ламп з'явився конкурент у вигляді осмію. Починаючи з 1903 року, для виробництва електричних ламп стали використовувати тантал. Однак уже в 1906 році вольфрам витіснив ці матеріали і почали застосовувати для виготовлення ниток для ламп розжарювання. Використовують його і в наші дні при виготовленні сучасних електричних лампочок.
Щоб забезпечити цього матеріалу високі показники жаростійкості, на поверхню металу наносять шар ренію і торію. У деяких випадках нитка розжарення з вольфраму виготовляється з додаванням ренію. Пов'язано це з тим, що в умовах високих температур цей метал починає випаровуватися, а це призводить до того, що нитка з цього матеріалу стає тоншою. Додавання до складу ренію призводить до зменшення ефекту випарів в 5 разів.
У наш час вольфрам активно застосовується не тільки при виробництві електротехніки, а й різної військово-промислової продукції. Його додавання в збройову сталь забезпечує високу ефективність матеріалами такого виду. Крім того, він дозволяє поліпшити характеристики броньовий захисту, а також зробити більш ефективними бронебійні снаряди.
висновок
Вольфрам - один із затребуваних матеріалів, що застосовуються в металургії. Додавання його до складу вироблених сталей забезпечує підвищення їх характеристик. Вони стають більш стійкими до термічних навантажень, а крім цього підвищується температура плавлення, що особливо важливо для виробів, які використовуються в екстремальних умовах при високих температурах. Використання при виробництві різного устаткування, виробів і елементів, вузлів з цього металу або сплавів на його основі дозволяє поліпшити характеристики обладнання і підвищити ККД їх роботи.