все вместе (1223103), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Таблица 1.1 – Свойство вольфрама
| Свойство | Значение |
| Физические свойства | |
| Атомный номер | 74 |
| Атомная масса, а.е.м. (г/моль) | 183,84 |
| Атомный диаметр, нм | 0,274 |
| Плотность, г/см3 | 19,3 |
| Температура плавления, °С | 3380 |
| Температура кипения, °С | 5900 |
| Удельная теплоемкость, Дж/(г*К) | 0,147 |
| Теплопроводность, Вт/(м*K) | 129 |
| Электрическое сопротивление, мкОм*см | 5,5 |
| Коэффициент линейного термического расширения, 10-6 м/мК | 4,32 |
| Механические свойства | |
| Модуль Юнга, Гпа | 415,0 |
| Модуль сдвига, Гпа | 151,0 |
Окончание таблицы 1.1
| Коэффициент Пуассона | 0,29 |
| Временное сопротивление σB, МПа | 800–1100 |
| Относительное удлинение δ, % | 0 |
Металл отличается очень высокой точкой кипения (5900 °С) и весьма малой скоростью испарения даже при температуре 2000 °С. Электропроводность вольфрама почти в три раза ниже электропроводности меди. К свойствам, ограничивающим сферу применения вольфрама, можно отнести большую плотность, высокую склонность к ломкости при низких температурах, малое сопротивление окислению при невысоких температурах.
По внешнему виду вольфрам похож на сталь. Применяется для создания сплавов с высокой прочностью. Обработке (ковке, прокатке и волочению) вольфрам поддается только при нагреве. Температура нагрева зависит от типа обработки. Например, ковка прутков проводится при нагреве заготовки до 1450–1500 °С.
1.5.2 Области применения вольфрама.
Вольфрам используется в качестве одного из основных компонентов или легирующего элемента при производстве быстрорежущих сталей (содержат 9–24 % вольфрама W), а также инструментальных сталей (0,8–1,2 % вольфрама W – вольфрамовые инструментальные стали; 2–2,7 % вольфрама W – хромвольфрамкремнистые инструментальные стали (также содержат хром Cr и кремний Si); 2–9 % вольфрама W – хромвольфрамовые инструментальные стали (также содержат хром Cr); 0,5–1,6 % вольфрама W – хромвольфраммарганцевые инструментальные стали (также содержат хром Cr и марганец Mn). В качестве примеров быстрорежущих сталей, можно привести Р6М5, Р6М5К5, Р6М5Ф3. Буква “Р” означает, что сталь быстрорежущая, буквы “М” и “К”, что сталь легирована молибденом и кобальтом соответственно. Также вольфрам входит в состав магнитных сталей, которые делятся на вольфрамовые и вольфрамкобальтовые.
Твердые сплавы на основе карбида вольфрама. Карбид вольфрама (WC, W2C) – соединение вольфрама с углеродом. Он имеет высокую твердость, износостойкость и тугоплавкость. На его основе созданы самые производительные инструментальные твердые сплавы, которые содержат 85–95 % WC и 5–14 % Co. Из твердых сплавов изготовляют рабочие части режущих и буровых инструментов.
Жаропрочные и износостойкие сплавы. Данные сплавы используют тугоплавкость вольфрама. Распространенность получили сплавы вольфрама с кобальтом и хромом-стеллиты (3–5 % W, 25–35 % Cr, 45–65 % Co). Их, обычно, с помощью наплавки наносят на поверхности сильно изнашивающихся деталей машин.
Контактные сплавы и “тяжелые сплавы”. К этим сплавам относятся сплавы вольфрама с медью и вольфрама с серебром. Это достаточно эффективные контактные материалы для изготовления рабочих частей рубильников, выключателей, электродов для точечной сварки и др.
Электровакуумная и электроосветительная техника. Вольфрам в виде проволоки, ленты и различных кованых деталей применяют в производстве электроламп, радиоэлектронике и рентгенотехнике. Вольфрам – лучший материал для нитей и спиралей накаливания. Вольфрамовая проволока и прутки служат электронагревателями для высокотемпературных печей (до ~3000 °С). Вольфрамовые нагреватели работают в атмосфере водорода, инертного газа или вакууме.
Сварочные электроды. Очень важной сферой применения вольфрама является сварка. Из вольфрама изготавливают электроды для дуговой сварки. Вольфрамовые электроды являются неплавящимися.
1.5.3 Процесс получения тугоплавкого металла вольфрам.
Вольфрам принято относить к широкой группе редких металлов. Помимо данного металла в эту группу входят молибден, рубидий и другие. Для редких металлов характерны сравнительно небольшие масштабы производства и потребления, а также малая распространенность в земной коре. Ни один редкий металл не получают непосредственным восстановлением из сырья. Сначала сырье перерабатывается на химические соединения. Кроме того, все редкометаллические руды подвергаются дополнительному обогащению перед переработкой.
В процессе получения редкого металла можно выделить три основных стадии:
а) Разложение рудного материала – отделение извлекаемого металла от основной массы перерабатываемого сырья и концентрирование его в растворе или осадке.
б) Получение чистых химических соединений – выделение и очистка химического соединения.
в) Выделение металла из полученного соединения – получение чистых редких металлов.
Процесс получения вольфрама также имеет несколько стадий. Исходным сырьем являются два минерала-вольфрамит (Fe, Mn)WO4 и шеелит CaWO4. Богатые вольфрамовые руды обычно имеют в своем составе 0,2–2 % вольфрама.
а) Обогащение вольфрамовой руды. Оно производится с помощью гравитации , флотации , магнитной или электростатической сепарации . В результате обогащения получают вольфрамовый концентрат, содержащий 55–65 % ангидрида (трехокиси) вольфрама WO3. В вольфрамовых концентратах контролируется содержание примесей – фосфора, серы, мышьяка, олова, меди, сурьмы и висмута.
б) Получение трехокиси (ангидрида) вольфрама WO3, который служит исходным сырьем для производства металлического вольфрама или его карбида. Для этого необходимо выполнить ряд действий, таких, как разложение концентратов, выщелачивание сплава или спека, получение технической вольфрамовой кислоты и др. В итоге должен получиться продукт, содержащий 99,90–99,95 % WO3.
в) Получение вольфрамового порошка. Чистый металл в виде порошка может быть получен из ангидрида вольфрама WO3. Для этого проводят процесс восстановления ангидрида водородом или углеродом. Восстановление углеродом применяется реже, так как при данном процессе WO3 насыщается карбидами, что делает металл более хрупким и ухудшает обрабатываемость. При получении вольфрамового порошка используют специальные методы, позволяющие контролировать его химический состав, размер и форму зерен, гранулометрический состав. Например, быстрое нарастание температуры, малая скорость подачи водорода способствуют увеличению размера частиц порошка.
г) Получение компактного вольфрама. Компактный вольфрам, как правило, в виде штабиков или слитков является заготовкой для производства полуфабрикатов, таких, как проволока, пруток, лента и так далее.
1.5.4 Получение компактного вольфрама.
Существуют два способа получения компактного вольфрама. Первый заключается в применении методов порошковой металлургии. Второй – с помощью плавки в электрических дуговых печах с расходуемым электродом.
а) Методы порошковой металлургии:
Данный способ получения ковкого вольфрама является наиболее распространенным, так как позволяет более равномерно распределять присадки, которые придают вольфраму специальные свойства (жаропрочность, эмиссионные свойства и другие).
Процесс получения компактного вольфрама данным способом состоит из нескольких стадий:
1) прессование штабиков из металлического порошка;
2) низкотемпературное (предварительное) спекание заготовок;
3) спекание (сварка) заготовок;
4) обработка заготовок с целью получения полуфабрикатов - вольфрамовой проволоки, ленты, вольфрамовых прутков; обычно заготовки обрабатывают под давлением (ковкой) или подвергают механической обработке резанием (например, шлифование, полирование).
К вольфрамовому порошку предъявляются специальные требования. Используют порошки, восстановленные только водородом и содержащие не более 0,05 % примесей.
При помощью описанного метода порошковой металлургии получают вольфрамовые штабики квадратного сечения от 8х8 до 40х40 мм и длиной 280–650 мм. При комнатной температуре они имеют хорошую прочность, но при этом очень хрупки. Стоит заметить, что прочность и хрупкость (противоположное свойство-пластичность) относятся к разным группам свойств. Прочность-механическое свойство материала, пластичность-технологическое. Пластичность определяет пригодность материала для ковки. Если материал плохо поддается ковке, то он является хрупким. Для улучшения пластичности вольфрамовые штабики подвергаются ковке в нагретом состоянии.
Однако, описанным выше способом нельзя изготовить крупногабаритные заготовки большой массы, что является существенным ограничением. Для получения крупногабаритных заготовок, масса которых достигает нескольких сот килограмм применяют гидростатическое прессование. Данный метод позволяет получать заготовки цилиндрического и прямоугольного сечения, трубы и другие изделия сложной формы. При этом они имеют равномерную плотность, не содержат трещин и прочих дефектов.
б) Плавка:
Плавка используется для получения компактного вольфрама в виде крупногабаритных заготовок (от 200 до 3000 кг), предназначенных для проката, вытяжки труб, производства изделий методом литья. Осуществляется плавка в электрических дуговых печах с расходуемым электродом и/или электронно-лучевая плавка.
При дуговой плавке в качестве электродов служат пакеты спеченных штабиков или спеченные заготовки гидростатического прессования. Плавка осуществляется в вакууме или разреженной атмосфере водорода. В результате получаются вольфрамовые слитки. Слитки вольфрама имеют крупнокристаллическую структуру и повышенную хрупкость, что вызвано высоким содержанием примесей.
Для уменьшения содержания примесей вольфрам изначально плавят в электронно-лучевой печи. Но после данного типа плавки вольфрам также имеет крупнокристаллическую структуру. Поэтому затем с целью уменьшения размера зерна полученные слитки подвергают плавке в электрической дуговой печи, добавляя небольшие количества карбидов циркония или ниобия, а также легирующие элементы для придания специальных свойств.
Для получения мелкозернистых слитков вольфрама, а также изготовления деталей методом литья применяется дуговая гарниссажная плавка с разливкой металла в изложницу.
1.5.5 Сварочный вольфрамовые электроды.
Вольфрамовые электроды являются неплавящимися и при сварке используются вместе с присадочной проволокой. Данные электроды, в основном, применяются для сварки цветных металлов и их сплавов (вольфрамовый электрод с присадкой циркония), высоколегированных сталей (вольфрамовый электрод с присадкой тория ЭВТ), а также вольфрамовый электрод хорошо подходит для получения сварного шва повышенной прочности, причем свариваемые детали могут быть разного химического состава.
Довольно распространенной является сварка с использованием вольфрамовых электродов в среде аргона. Данная среда положительно влияет на процесс сварки и качество сварного шва. Вольфрамовые электроды могут быть сделаны из чистого вольфрама или содержать различные присадки, которые улучшают качество процесса сварки и сварного шва. Особенностью неплавящихся сварочных электродов из чистого вольфрама (например, вольфрамовый электрод марки ЭВЧ) является не очень хорошая зажигаемость дуги.
Зажигание дуги проходит в три этапа:
а) короткое замыкание электрода на заготовку;
б) отвод электрода на незначительное расстояние;
в) возникновение устойчивого дугового разряда.
Для улучшения зажигаемости дуги и достижения высокой стабильности дуги во время сварки в электроды из вольфрама добавляют цирконий. Торирование (вольфрамовый электрод ЭВТ–15) также улучшает зажигаемость дуги и увеличивает срок службы сварочных электродов. Добавление в вольфрамовые электроды иттрия (вольфрамовый электрод ЭВИ–1, ЭВИ–2, ЭВИ–3) позволяет использовать их в различных токовых средах. Например, может быть дуга переменного или постоянного тока. В первом случае сварочная дуга питается от источника переменного тока. Различают однофазное и трехфазное питание дуги. Во втором от источника постоянного тока.
1.5.6 Вольфрамовых порошок.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
