Применение высокой температуры плавления вольфрама

Вольфрам – самый тугоплавкий металл

Вольфрам занимает первое место среди тугоплавких металлов. Температура плавления вольфрама достигает 3387ºС. Это дает возможность применять материал в тех случаях, когда условия работы включают повышенную температуру. Благодаря этому свойству вольфрам не начнет переходить в жидкое состояние тогда, когда другие металлы уже расплавятся.

Применение тугоплавкости вольфрама

Это качество металла широко используется для производства:

• нитей накаливания в приборах освещения;
• электродов в аргонно-дуговых сварках;
• элементов нагрева для высокотемпературных вакуумных печей сопротивления;
• электронно-лучевых трубок в мониторах, осциллографах, на радиолокационных станциях;
• электронных ламп.

Вакуумные лампы в большинстве отраслей заменены на полупроводники, кроме производства высоковольтного, мощного, высокочастотного оборудования, а также космической техники. Наряду с преимуществами, тугоплавкий металл имеет и недостатки:

• сложность механической обработки;
• при температуре воздуха, превышающей 400°С, образуются оксидные пленки, а при наличии в среде серосодержащих веществ — сульфидные пленки;
• требуются большие контактные давления для создания даже низкого сопротивления на участке электрического контакта.

Для нейтрализации описанных недостатков материал сплавляют с другими металлами, которые улучшают его свойство. Существует несколько таких соединений:

1. Стеллит. В его состав, кроме вольфрама, входят кобальт и хром. Напылением или наплавлением он наносится на запчасти машин, инструментов, станков для увеличения износостойкости. Стеллит применяют для производства режущих инструментов.
2. Быстрорежущие и инструментальные стали, из которых изготавливают сверла, фрезы, штампы. Кроме основных составляющих, указанные соединения могут содержать хром, марганец и кремний.
3. Контактные сплавы. Легирующими металлами в них служат медь и серебро. Высокая электропроводимость этих материалов увеличивает данный показатель соединений, в которые они входят. Контактные сплавы вольфрама — материал, из которого производят выключатели, рубильники, электроды.
4. Твердые сплавы. Их основой служит карбид вольфрама — соединение тугоплавкого металла с углеродом. Благодаря этим двум компонентам сплав отличается высокими твердостью и температурой плавления, износостойкостью. Перечисленные характеристики имеют значение для рабочих частей инструментов, используемых в бурении и резке. Массовая доля карбида вольфрама в твердом сплаве составляет 85–95%, оставшиеся проценты показывают содержание кобальта.

Карбиды вольфрама

Твердые сплавы рассмотрим более подробно. Тугоплавкий металл может образовывать разные карбиды: полукарбид и монокарбид. Они отличаются способностью растворять в себе тугоплавкие металлы и взаимодействием с разными кислотами.

Вольфрам – металл имеющий разные карбиды

Также монокарбид уступает поликарбиду в устойчивости и твердости. А к преимуществам монокарбида можно отнести способность к образованию кристаллов в расплавленном вольфраме, что дает возможность использовать его в минералокерамических изделиях. Полукарбид обладает большей устойчивостью к температурам, легкостью внедрения в твердые растворы монокарбида с другими металлами (феррумом, кобальтом), повышенной износоустойчивостью.

Свойства соединений

Сплавы на основе карбида вольфрама обладают следующими преимуществами:

• устойчивость к окислению;
• пластичность, проявляемая под нагрузкой;
• не вступает в реакцию со многими кислотами;
• химически малоактивный, поэтому относится к низкотоксичным веществам;
• отполированный сплав невозможно поцарапать;
• не бледнеет со временем;
• тугоплавкость;
• повышенная твердость, которая не снижается при высоких температурах.

Сплавы соединения металла вольфрама имеют множество преимуществ

Последние два свойства обусловлены сильными связями между атомами в кристаллах, из которых состоит соединение.

Технологии изготовления

Есть несколько способов получения твердых сплавов: восстановление оксида вольфрама углеродом с дальнейшей карбидизацией; электролиз расплавленных солей; осаждение из газовой фазы; восстановление соединений тугоплавкого металла с дальнейшей карбидизацией; выращивание из расплава монокристаллов карбида вольфрама; насыщение тугоплавкого металла углеродом. Наибольшее распространение получила последняя технология. Твердые сплавы бывают двух видов:

1. Литые. Их получают с помощью отливки. Для этого применяют вольфрам (в виде порошка); соединения карбида или его смеси с тугоплавким металлом, содержащие низкий процент углерода. Образованный сплав отличается высокой твердостью и износостойкостью. Но для литых соединений характерна хрупкость, поэтому их не везде можно использовать. Основные сферы применения — производство инструментов для бурения и для волочильных станков, на которых производят проволоку.
2. Спеченные. Они состоят из карбида вольфрама и соединяющего металла, который выполняет связывающую функцию. В роли последнего часто используют кобальтовый, никелевый, молибденовый материалы.

Сплавы на основе карбида вольфрама

Помимо значительной твердости, для указанных соединений характерна хрупкость и плохая обрабатываемость. В связи с этим чистый карбид вольфрама применяется редко в основном он входит в состав твердых сплавов, в которых еще содержатся кобальт, титан, тантал, но массовая доля карбида при этом остается наибольшей – 70–98%. Технические характеристики твердого сплава, содержащего 98% карбида вольфрама:

• предел прочности на изгиб — минимум 1 ГПа;
• модуль Юнга составляет 969 ГПа;
• предел прочности на сжатие — минимум 9,5 ГПа;
• плотность достигает 15000–15500 кг/м³;
• твердость по шкале Роквелла — минимум 90;
• стойкость к эрозии составляет 0,3–0,8 мкмоль.

Изделия из сплавов карбида вольфрама обладают особой прочностью

Применение сплавов

Использование описанных соединений дает возможность изготовить детали, запчасти, инструменты с нужными техническими характеристиками. В зависимости от последних разнятся и сферы применения.

1. Для деталей, подвергающихся во время работы большим нагрузкам со стороны сил трения. К ним относятся режущий, буровой и штамповый инструменты. Сплав наносится на поверхность детали. Таким образом, достигаются необходимые уровни прочности и пластичности за счет сглаживания перепадов механических параметров. Например, если материал инструмента мягкий, то уменьшаются механические напряжения в инструменте, а если хрупкий, то появляется защита от поверхностной кромки. Причиной последней служит истирающее воздействие откалывающихся частиц. Полученные с помощью сплава характеристики сохраняются и при высокой температуре. Это объясняется тугоплавкостью вольфрама и углерода.
2. В качестве антикоррозийного покрытия. В этой технологии твердые сплавы вытесняют хром. Данное обстоятельство обусловлено легкостью нанесения твердых сплавов, возможностью применять их в тяжелых условиях, лучшей защитой от ударной нагрузки и износа по сравнению с хромированием.
3. В ювелирных изделиях. Применению в этой отрасли сплав на основе карбида вольфрама обязан следующими своими свойствами: не тускнеет с течением времени; не ржавеет; после полировки на поверхности материала не появятся царапины, вмятины.

Вольфрам — металл сплав которого применяется в разных сферах жизни человека

Именно благодаря синтезу свойств тугоплавкого вольфрама и твердого углерода появилась возможность создать широко востребованный сплав с новыми техническими характеристиками.