Вольфрам и его сплавы

Вольфрам (W) — это металл с высокой температурной устойчивостью и твердостью, который находит широкое применение в различных отраслях промышленности. Он часто используется для создания наконечников для сварочных электродов, электродов для электромагнитов, аппаратуры для вакуумного оборудования, и даже в ядерной промышленности.

Сплавы вольфрама также являются важным материалом. Например, вольфрам молибден (W-Mo) используется в производстве литейных форм для алюминиевых сплавов, а вольфрам карбид (W-C) добавляется в материалы для резки и сверления, чтобы улучшить их твердость.

Одним из наиболее известных сплавов вольфрама является вольфрам-молибден-ванадий (W-Mo-V), который обладает высокой прочностью и стойкостью к термическому воздействию. Этот сплав часто используется в производстве инструментов, например, для резки металлов и пластмасс.

Таким образом, вольфрам и его сплавы играют важную роль в современной промышленности благодаря их уникальным свойствам и возможностям для применения в различных областях.

Вольфрам является одним из важнейших промышленных металлов.

Он широко применяется в чистом виде и в виде сплавов с другими метлла, а также используется в качестве легирующей добавки в сталях, жаропрочных никелевых и других сплавах. Ниже приведены важнейшие физические константы чистого вольфрама.

Атомный вес ………………………………………………………………. 183,92

Кристаллическая решетка …………………………………………….… К.о.ц.

Период решетки, ангстрем ……………………………………………… 3,1649

Координационное число …………………………………………………. 8

Атомный радиус, ангстрем ………………………………………………. 1,41

Плотность, г/см3 …………………………………………………………… 19,3

Температура плавления, °С ……………………………………………… 3410+/-10

Температура кипения, °С ………………………………………………… 5930

Теплота плавления, кал/г ………………………………………………… 44

 Теплота сублимации (при температуре плавления), кал/г ……….. 1050

Теплота испарения (при температуре кипения), кал/г ……………… 1183

Скорость испарения, г/см2 * сек, при температуре, °С:

1330 …………………… 3,7*10-20

1730……………………. 1,75*10-13

2230……………………. 2,03*10-9

2730……………………. 9,69*10-7

3030……………………. 1,60*10-5

Упругость пара, мм рт. ст., при температуре, °С:

1530……………………. 1.93*10-15

1730……………………. 1*10-11

21.30…………………… 7,9*10-9

2230……………………. 1,3*10-7

2730……………………. 6,55*10-5

3030……………………. 1,2*10-3

3990……………………. 1,0

4507……………………. 10

5927……………………. 760

Удельная теплоемкость, кал/г*град, при температуре, °С:

20 ……………………….  0,032

100………………………  0,033

500………………………  0,034

1000…………………….  0,036

2000…………………….  0,041

Теплопроводность, кал/см*сек*град, при температуре, °С:

-83………………………  0,46

0…………………………  0,40

20……………………….  0,40

100……………………..  0,39

500……………………..  0,29

1000 …………………..  0,28

2000 …………………… 0,30

3000 …………………… 0,36

Коэффициент линейного расширения α*10-6 1 /град, при температуре, °С:

-100………………………………. 4,2

27…………………………………. 4,4

100……………………………….. 4,5

500……………………………….. 4,6

1000……………………………… 5,2

2000 …………………………….. 6,2

2300 …………………………….. 7,2

Удельное электросопротивление, мком*см, при температуре, °С:

-196………………………………. 0,61

20…………………………………. 5,5

100……………………………….. 7,2

500……………………………….. 19

1000 …………………………….. 34

2000 …………………………….. 66

3000 ……………………………..100

Типичные механические свойства плавленого вольфрама технической чистоты (99,95% W) представлены в табл. 1 и 2.

Как видно из этих данных, вольфрам является наиболее ту­гоплавким металлом (температура плавления 3410°С), обладает высокой прочностью (50-90 кГ/мм2), твердостью (320-415 кГ/мм) и высоким модулем упругости (40000 кГ/мм2). Отри­цательным качеством вольфрама является его хрупкость при комнатной температуре (δ = 0, ψ = 0) и поэтому его обработка возможна только при температуре выше порога хрупкости (температура перехода из пластичного в хрупкое состояние). Темпе­ратурный порог хрупкости деформированного вольфрама технической чистоты (99,95%) лежит около 300-400° С, а рекристаллизованного — около 500° С.

Табл. 1. Механические свойства плавленого вольфрама при комнатной и высоких температурах  

Состояние материалаТемпература, оСЕ, кГ/мм2σb ,кг/ мм2δ, %ψ, %HB,кГ/ мм2
Деформированный20400009000415
400 761350 
800 651864 
1200 601865 
1600 282575 
2000 95895 
2200 66598 
2500 36598 
Рекристализованный20400005000320
400 3033 
800 255075 
1200 175575 
1600 145895 
2000 86298 
2200 66598 
2500 36598 

Табл. 2. Длительная прочность вольфрама при высоких температурах, кГ/мм3

 Время испытания

Температураиспытания, °С10 мин50 мин100 мин200 мин100 ч
1370    7
15006
22504,23,22,8
25002,21,71,51,3
27001,71,41,21,0
28001.51,21,00,9

Однако вольфрам высокой степени чистоты, полученный в виде монокристалла многократной зонной очисткой, пластичен при комнатной температуре и имеет δ = 12 — 15%.

К отрицательным качествам вольфрама следует также отнести его сильную окисляемость при нагреве на воздухе (начиная с 400°С), относительно большую плотность (19,3 г/см3) и высокое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов (19 барн/атом).

Вольфрам является весьма стойким материалом во многих концентрированных минеральных кислотах, щелочах и расплав­ленных щелочных металлах.

В настоящее время из вольфрама получают листы, ленты, прессованные прутки, трубы и проволоку. Исходными заготов­ками для производства полуфабрикатов служат спрессованные и спеченные из порошка вольфрама брикеты (штабики) или слитки, полученные плавкой в электродуговых и электронно-лу­чевых печах. Некоторые детали и изделия из вольфрама получают также напылением и осаждением из газовой фазы.

Способ получения первичной заготовки оказывает существенное влияние на чистоту металла и его качества. Наиболее полное рафинирование вольфрама от вредных примесей (02, N2, С, Fe, Si и др.) достигается при электронно-лучевой плавке.

Однако при этом методе плавки полученные слитки имеют крупнозернистую ориентированную структуру и не пригодны для дальнейшей обработки давлением. По границам крупных зерен происходит концентрация примесных включений, что служит причиной разрушения слитков в процессе их деформации.

При подавлении транскристаллизации и измельчения зерна в слитках было предложено перед кристаллиза­цией вводить в расплав тугоплавкие частицы структурно подобных простых и сложных карбидов циркония, тантала и других тугоплавких металлов.

Тугоплавкие частицы, присутствующие в расплаве, обладая структурным сходством, служат «затравками» при кристаллизации зерен вольфрама (см. схему сопряжения решеток на рис. 1).

Кристаллизация из многих центров, искусственно созданных в расплаве, способствует получению мелкозернистой дезориентированной структуры в слитках.

Измельчение зерна в слитках и перераспределение карбидных и других включений приводят к повышению способности металла к пластической деформации.

На рис. 1 показана микроструктура литого вольфрама

Кроме чистого вольфрама, применяют также сплавы на егооснове, которые во многих случаях обладают более ценными свойствами, чем чистый вольфрам.

Состав и механические свойства некоторых вольфрамовых сплавов, применяемых в СССР и за рубежом, приведены в табл. 3.

Из сплавов вольфрама большой интерес представляют высоколегированные сплавы с рением и молибденом. Рений и молибден образуют с вольфрамом твердые растворы замещения в широком диапазоне концентраций.

Рис. 1. Схема сопряжения кристаллических решеток вольфрама и карбида ципкония (по плоскости 001)

Рис. 2. Влияние рения на температуру хрупкого перехода вольфрама

Введение больших количеств рения (до 30%) и молибдена (15-25%) изменяет характер межатомного взаимодействия в решетке вольфрама и способствует значительному улучшению механических свойств.

Рений повышает пластичность вольфрама при комнатной температуре (удлинение повышается от 0 до 5-10%), резко снижает температуру перехода из пластического в хрупкое со­стояние (рис. 2) и улучшает его технологические свойства (штампуемость, свариваемость и т. д.).

Кроме этого, рений на 200-400°С (в зависимости от его содержания) повышает температуру рекристаллизации вольфра­ма, благодаря чему рост зерна в сплавах вольфрама с рением проходит менее интенсивно, чем в чистом вольфраме.

Добавки рения способствуют также значительному повыше электросопротивления вольфрама:   для вольфрама ρ = = 0,056 ом * мм21м, для сплава вольфрама с 30% Re ρ = 0,242 ом мм2/м. Молибден является менее эффективным легирующим компонентом.

Табл. 3. Состав и механические свойства плавленых вольфрамовых сплавов 

№ Химичес­кий состав, %%СостояниематериалаТемпература испытания, oСσb ,кГ/ мм2ψ, %δ, %Е, кГ/мм2
10,8Nb, остальное WРекристаллизованный20— — — 40000
100020-2445-4880-9036000
150014- 1548-5890-9534000
170012-1452-5890-9532000
12008-8,560-7095-9628000
2250670-7295-96— 
25002— 95— 
27001— — — 
230Re, остальное WДеформиро ванный ­212186— — 
1095119,57— — 
131556,08— — 
165021.09— — 
180014,05,6— — 
Рекристаллизованный211375— — 
1095105,57— — 
131595,08— — 
165035,013— — 
325Мо, 0,11Zr, 0,05С остальное W,Горячепресованный98069,1— — — 
131651,6— — — 

 По своей структуре сплавы W-Re и W-Mo являются однородными твердыми растворами и их структура ничем не отличается от чистого вольфрама (рис. 1).

В связи с малой доступностью рения и его высокой стоимостью вольфраморениевые сплавы имеют ограниченное примене­ние в промышленности (для проводов термопар, электроконтактов и др.) В этом отношении более перспективными сплавы W-Mo, W-Nb, W-Zr и др. (рис. 3), но они имеют более низкую прочность и жаропрочность и недостаточную пластичность.

Для повышения высокотемпературной прочности и жаро­прочности вольфрамомолибденовых сплавов их легируют не­большими добавками циркония (до 0,1—0,2%) и углерода (до 0,05%). Углерод с цирконием и вольфрамом образуют высоко­дисперсные карбиды, которые резко упрочняют сплав.

Карбидное упрочнение используется также в сплавах вольфрама с добавками ниобия.

Кроме карбидного упрочнения, вольфрам упрочняют введением небольших присадок различных тугоплавких и тер­модинамически стабильных окислов (ThO, ZrO, MgO и др.).

Сплавы типа металл — окисел (керметы), полученные методом порошковой металлургии, имеют особо высокую прочность (рис. 3) и жаропрочность.

Как видно из приведенных данных, наиболее высокую прочность при температуре выше 1900° С имеют сплавы вольфрама с окисью тория.

До 1650° С весьма высокая прочность (до 42 кГ/мм2) обнаруживается у сплава вольфрама с 0,5% С и 0,8% Nb). 

Рис. 3. Прочность вольфрамовых сплавов при высоких температурах

Вольфрам и его сплавы, обладая высокой прочностью, жаропрочностью и другими ценными качествами, являются необходимыми материалами в ряде областей техники.

Металлический вольфрам широко применяют в электроламповой, радиотехнической и электровакуумной промышленности. Из вольфрама и его сплавов изготовляют нити накаливания, детали радиоламп, нагреватели и экраны высоковакуумных печей. Используя высокую эмиссионную способность вольфрама, из него изготовляют эмиттеры, катоды ренгеновскнх трубок и кенотронов, катоды электронно-лучевых установок, плазменных и ионных двигателей и др.

Сплавы вольфрама с рением применяют для изготовления высокотемпературных термопар и электрических контактов.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Черная и цветная металлургия
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: