Вольфрам — тугоплавкий металл, в нормальных условиях плотный, тяжелый и твердый. Имеет светло-серый цвет включен в категорию переходных металлов. В их атомах есть электроны на f и d-орбитах. Обладает хорошей износостойкостью, подходит для производства деталей, которые эксплуатируются при большой температуре. В природной среде встречается в форме сложноустроенных окисленных соединений. Они образуются вольфрамовым ангидридом с оксидами железа, марганца, кальция, реже тория, свинца, редкоземельных веществ. Самые большие запасы обнаружены в РФ, Казахстане, КНР, Соединенных Штатах.
Химические и физические характеристики
Вольфрам получил наименование от минерала вольфрамит, который в средневековье получил известность как «волчья пена» (нем. Wolf Rahm). Это объясняется помехами, которые он создавал при плавлении олова, трансформируя его в пенистые шлаки. Во Франции и Великобритании его именовали как «тяжелый камень».
Одно из наиболее интересных химических свойств вольфрама — валентность. Она составляет от 2 до 6, но практически полезен только шестивалентный вольфрам. Он коррозионно устойчив, не меняет свойства температуре около +20°С, не подвержен воздействию воды, включая соленую. В ряду напряжений находится после водорода, практически не растворяется в соляной, разбавленной серной кислоте. Однако быстро растворяется в смеси плавиковой и азотной кислоты. В результате появляется гексафторвольфрамовая кислота.
Вольфрам в природе включает пять стабильных изотопов с массовым числом 180–186. Орбита двухъярусная, обеспечивающая прочную химическую связь.
Материал считается химически активным, способным участвовать в формировании простых/сложных соединений. В сплавах, как правило, находится химически связанным. При воздействии окислителей реагирует со скоростью выше, чем другие тяжелые металлы. Молниеносно вступает в реакцию с бромом, йодом, формируя дииодид, дибромид, тетрадид и иные соединения.
Среди основных физических свойств вольфрама:
- Обладает наибольшей доказательной температурой плавления (+3422°С) и кипения (+5555°С). По этой причине материал не подходит для использования стандартных методов плавки цветных металлов.
- Характеристики металла вольфрам довольно близки к молибдену. Они имеют схожее назначение, входят в категорию редких и тугоплавких. При этом первый отличается сложной кристаллической решеткой, что увеличивает его производственную ценность.
- Уровень твердости по шкале Мооса — 7,5. Уступает по этому показателю только хрому в группе чистых металлов. Высокая пластичность материала позволяет изготавливать сверхтонкую проволоку.
- Электропроводность втрое меньше медной, что минимизирует использование металла как проводника. При его нагреве проведение электрического импульса улучшается. По показателю прочности на разрыв вольфрам не имеет аналогов в категории металлов.
Парамагнитные свойства металла вольфрам позволяют ему намагничиваться на внешнем магнитном поле. Показатель магнитной проницаемости немного выше единицы, считается слабомагнитным материалом.
Как получают вольфрам
На первом этапе добывается вольфрамосодержащая руда, которая в дальнейшем выделяется из перерабатываемой массы. Металл концентрируется в виде осадка либо раствора. Соединение очищается, что позволяет получить чистое вещество (ВЧ).
В производстве часто используется материал с различными присадками:
- алюминиевая;
- кремнещелочная;
- с окисью тория;
- с окисью лантана;
- рениевая;
- с окисью иттрия.
Интересные факты о вольфраме
Свыше 80% металла добывается на территории Китая. В РФ ежегодно извлекается порядка 3,4 тонны. Крупнейшие отечественные месторождения расположены на Северном Кавказе (Тырныауз) и в дальневосточном регионе.
Металл нередко добавляют в золото для подделки, так как он очень близок по плотности к этому драгметаллу (19,25 и 19,32 г/см3 соответственно). Температура кипения близка к параметрам фотосферы Солнца.
Критическая температура составляет +13 610°С. При таких значениях материал невозможно конденсировать в жидкость из газообразного состояния независимо от показателей давления. Вольфрамовый порошок применяется при подготовке клюшек для гольфа, что повышает силу удара.
Открыты 20 вольфрамовых минералов. Наиболее часто можно встретить группу шеелита вольфрамита, активно используемую в промышленности. Достаточное распространение получили псиломеланы, вады с большим вольфрамовым содержанием.
Цвет металла определяется технологией его получения. Сплавленный обладает типичным серым оттенком, близким к платине. Порошок бывает темно-серый и черный, если зерна очень маленькие. У окиси персиковый оттенок, в древности она использовалась как основа пигмента для красок.
Вольфрам — тяжелый металл и способен накапливаться в человеческом организме, однако он не отличается высокой токсичностью.
Сферы использования вольфрама
По свойствам применения вольфрам в форме чистого элемента используется крайне редко, так как возникают сложности с его обработкой. Как правило, в его состав добавляются легирующие компоненты (оксиды иттрия, тория, алюминий, молибден и др.), повышающие пластичность и иные характеристики.
Металлургия
Применение вольфрама в основном связано с металлургией — свыше 95% материала используется в этой сфере. Предприятия производят объемный и листовой прокат из спрессованного порошка, который подвергается последующей термообработке.
Сортамент включает следующую продукцию:
- Проволока — полуфабрикат, используется для ответственных узлов, деталей. Сворачивается в бухту/катушку. Изготавливается методом волочения или прокатки. Благодаря значительной упругости востребована в электронике, радиотехнике.
- Пруток (электрод) — имеет постоянные размеры. Производится методом волочения, прессования, прокатки и даже ковки. Сочетает прочность и твердость, большую сопротивляемостью току. Обладает высокой рабочей температурой, способностью сопротивляться ползучести.
- Лист — жаростойкое и жаропрочное конструкционное изделие. Производится по технологии горячей/холодной прокатки. Имеет высокое омическое сопротивление, хорошую электропроводность. Используется для изготовления рентгеновских трубок, ламп вакуумного типа, жаропрочных контейнеров, рентгенотехнических приборов.
- Полоса — выполнена в виде цельнометаллического профиля с прямоугольным сечением. Изготавливается методом плоской ковки с дальнейшей прокаткой. Стандарт предусматривает несколько видов полос — неотожженные, вольфрамо-рениевые. Допускается наличие вдавов, заусениц, отпечатков от разрезания полос.
- Штабик — полуфабрикат, выполнен в виде длинного бруса с малым поперечным призматическим/прямоугольным сечением. При производстве изделий подвергается шлифованию, сверлению, термической формовке. Изготавливается методом нагрева порошкового вещества в электродуговой печи.
Инструментальное производство, оборонная промышленность
Еще одна область где применяется вольфрам — производство инструмента. Из металла изготавливают следующие изделия:
- сверла, бурильный инструмент для горнодобывающей промышленности;
- электроды электродуговой сварки;
- нити накаливания, так как проволока вытягивается до сверхмалого диаметра;
- инструменты, оснастку фрезерных/токарных станков — резцы, фрезы, долота, пуансоны и др;
- сетчатые фильтры для химического производства (не теряет свойства под воздействием большинства реагентов);
- боеприпасы (пули, артиллерийские снаряды);
- элементы и детали военной техники.
Ювелирное дело
Благодаря особой прочности, более доступной стоимости и практичности металл выступает альтернативой серебру, золоту, платине в ювелирном деле.
Среди популярных изделий из вольфрама — кольца, которые предпочитают носить мужчины. Они обладают элегантным блеском, относятся к самополирующимся.
Использование циркониевого покрытия придает золотистые тона. В украшения могут вставляться полудрагоценные камни, иногда используется гравировка.
Лакокрасочная, текстильная промышленность
Эти области применения вольфрама задействуют материал в качества пригмента и катализатора при органическом синтезе. Он помогает изготавливать компоненты огнестойких тканей, средства для обработки продукции из кожи и шелка.
Применение вольфрамовых сплавов
Практическую полезность имеют вольфрамосодержащие сплавы. Они сохраняют большинство свойств чистого материала и обладают полезными качествами других металлов — твердостью, стойкостью к истиранию, жаропрочностью, устойчивостью к воздействию кислот. Они подходят для изготовления:
- брони для тяжелой военной техники;
- хирургических инструментов (амалой);
- деталей авиационной техники;
- емкостей под радиоактивные компоненты;
- защитных экранов рентгенологических кабинетов;
- оболочек боевых снарядов и торпед.
Сплавы с медью и алюминием распространены в электротехнике. Из них производятся контакты и иные элементы, хорошо проводящие электричество. Срок эксплуатации таких изделий многократно превышает медные аналоги.
Применение металла вольфрам вместе с инструментальной сталью улучшает ее износостойкость, теплостойкость, увеличивается твердость, значительно лучше становятся показатели красностойкости. Сплав применяется для производства токарной оснастки, строительных инструментов, износостойких/высокопрочных деталей авиационной промышленности и космонавтики.
