Вольфрам

Физические свойства:

• W – серо-белый металл, атомный вес 183.92,

• Т_пл = 3410 °С, Т_кип = 5900 °С,

• на механические свойства вольфрама сильное влияние оказывает способ предшествующей обработки.

• большая мощность энергии, излучаемой при высоких температурах: при 2700 °С мощность 153 Вт/см².

Химические свойства

• В обычных условиях вольфрам химически очень стоек. С кислородом начинает взаимодействовать лишь при Т > 400 °С.

• Водород не действует на вольфрам даже при очень высоких температурах.

• С азотом реагирует лишь при Т > 1500 °С, а при 2300 °С образуется нитрид WN₂.

• Кремний и бор взаимодействуют с вольфрамом при Т > 4000 °С с образованием силицидов (W₅Si₃, WSi₂) и боридов (W₂B, WB, WB₂, W₂B₅).

• Фтор реагирует с вольфрамом при комнатной температуре, остальные галогены - только при нагревании.

• Вольфрам способен давать сплавы и интерметаллиды со многими металлами (Fe, Mo, Cu, Ag, Ni, Co, Re)

• В обычных условиях с водой не взаимодействует, но при температуре красного каления окисляется водяным паром.

• Не подвергается действию кислот HCl, H₂SO₄, HNO₃, HF любой концентрации (на холоду), но легко растворяется в смеси HNO₃ + HF. 

Применение

Вольфрам является одним из важнейших материалов электровакуумной техники. Впервые применение вольфрама для изготовления нитей ламп накаливания было предложено русским изобретателем А. Н. Лодыгиным в 1890 г. и до сих пор нет ему конкурента в этой области применения. Из него изготавливают также электроды, подогреватели, пружины, крючки в электронных лампах, рентгеновских трубках и т. п. 

В электровакуумном производстве применяют вольфрам марок ВА (с кремне-алюминиевой присадкой) и ВТ (с присадкой окиси тория). Добавка окиси тория не только повышает механическую прочность вольфрама, но и улучшает эмиссионные свойства катодов за счет снижения работы выхода электронов.

Из вольфрамсодержащих руд наибольшее промышленное значение при производстве вольфрама имеют шеелит (CaWO₄) и вольфрамит (FeWO₄ + MnWO₄). Конечным продуктом переработки этих руд является вольфрамовая кислота (H₂WO₄), являющая исходным сырьем для получения специльных марок вольфрама.

Получение состоит из следующих этапов:

1. предварительная очистка вольфрамовой кислоты путем растворения ее в аммиаке

H₂WO₄ + 2NH₄OH = (NH₄)₂WO₄ + 2H₂O

При этом в нерастворимом остатке остаются основные примеси: SiO₂, гидроксиды железа и марганца и кальций в виде CaWO₄.

2. упаривание с образованием паравольфрамата аммония, в результате чего происходит очистка от Р, As, S, Mo:

 

12(NH₄)₂WO₄ = 5(NH₄)₂O·12WO₃·5H₂O + 14NH₃ + 2H₂O

Выпавшие кристаллы паравольфрамата отделяют от маточника, промывают на фильтре, сушат.

3. прокалка при температуре 500-850С до образования вольфрамового ангидрида:

5(NH₄)₂O·12WO₃5H₂O = 12WO₃ + 10NH₃ + 10H₂O

Порошок вольфрамового ангидрида пропитывают солями соответствующих металлов с целью получения в готовом вольфраме присадок (K₂O,SiO₂, Al₂O₃) для придания материалу требуемых жаропрочных, рекристаллизационных и т.п. свойств. После пропитки порошок вольфрамового ангидрида просушивают.

4. восстановление вольфрамового ангидрида до металлического проводят в две стадии:

WO₃ + H₂ = WO₂ + H₂O­ 650-750С

WO₂ + H₂ = W + 2H₂O

5. полученные порошки сортируют по гранулометрическому составу и при прессовании штабиков используют смеси порошков, где доли крупной и мелкой фракции сбалансированы.

6. просеянные порошки увлажняются раствором глицерина в спирте для равномерного распределения нагрузки на этапе прессовании.

7. прессование штабиков на гидравлических прессах при давлении 4-6 т/см².

8. спекание в муфельных водородных печах при Т = 100-1300 С, затем штабики сваривают в электрических печах в токе водорода сначала при 2000 С, а затем температуру поднимают до 3000 С.

9. окончательное уплотнение штабиков после сварки проводят ротационной или плоской ковкой с последующей протяжкой или прокаткой (для получения проволоки или листа)

10. волочение вольфрама начинается с диаметра 3 мм и ведется до диаметра 0,01 мм. Более тонкие проволоки получают электрохимическим травлением. При протяжке материал нагревается до 1000 С на начальных стадиях и до 400-600 С в конце процесса. Волочение идет через фильеры, изготовленных из твердых сплавов (до 0,3 мм) и алмазов (<0.3 мм). В качестве смазки при волочении используется аквадаг – коллоидный раствор искусственного графита в воде, следовательно, горячепротянутая проволока называется «черной».

11. очистка поверхности вольфрамовой проволоки от графита. Графит не растворяется ни в кислотах, ни в щелочах, ни в органических растворителях. Наиболее эффективный способ удаления графита – электрохимическое травление.

12. отжиг проволоки проводится в восстановительной среде (Н₂). При высоких температурах восстанавливаются поверхностные оксиды, а жировые загрязнения и другие органические налеты будут подвергаться пиролизу. Температура отжига находится в пределах 900-1200 С, время нахождения проволоки в горячей зоне составляет несколько секунд.